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積體電路為高可靠性電源強化保護和安全高效
[作者 Steve Munns]   2018年03月01日 星期四 瀏覽人次: [4473]

在理想的世界裡,高可靠性系統應該設計為能夠避免單點失效,有辦法在保持運行 (但也許是在降低的性能水準上) 的情況下隔離故障。高可靠性系統還應該能夠抑制故障,避免故障傳播給下游或上游的電子元件。


內建冗餘是一種解決方案,這可以採用並聯電路以主動分擔負載,或者在故障發生之前以備用模式等待。在每一種內建冗餘方式中,實現故障檢測和管理都需要額外的電路開銷,而這提高了總複雜性和成本。有些系統還建立了不同的並聯電路,以增加多樣性,避免產生相同故障機制這種風險,某些飛行控制系統就是這麼操作的。


提高系統複雜性為電源性能造成了更大的負擔,因此高轉換效率和良好的熱量管理變得至關重要了,因為接面溫度每上升 10°C,則IC 壽命大約會減少一半。正如我們將看到的,現在新功能豐富的電源 IC 和專用電源管理功能已經增強了對 IC 本身及其周圍系統的保護。


電源穩壓器的安全功能

電壓穩壓器的電流限制已越來越準確,形式也越來越複雜,以避免過大的輸出電流損壞元件本身或下游元件。內部保護電路也相當常見,包括電池反向保護、電流限制、熱量限制和電流反向保護。


LTC7801 DC/DC 開關控制器就是一個改善了製程和安全功能的產品實例。該元件可安全的承受高達 150V 的輸入電壓,並提供一種保護功能,以在輸入電壓上升至高於可程式設計工作範圍時,禁止切換。這種功能簡化了輸入電源暫態保護電路,減少了元件數,並且也縮減了解決方案尺寸。運用針對電壓過沖提供保護的過壓比較器,也可以達到很好的保護輸出,同時返折電流限制器在過電流和短路故障情況下則可控制功耗。



圖1 :  LTC7801 高壓降壓 DC/DC 控制器
圖1 : LTC7801 高壓降壓 DC/DC 控制器

寬廣針腳間隔可避免相鄰高壓和低壓引腳之間產生危險的電弧,透過提供此封裝選擇,也增強了物理封裝方面的安全性。擊穿電壓隨著氣壓降低而下降,因此非正常氣壓的飛機應用可以選擇 LTC3895,該元件提供與 LTC7801 相同的功能和性能,但是提供具 0.68mm 雙倍接腳間隔的封裝選擇。另外,還可採用一些具有符合所謂 FMEA (失效模式和影響分析) 標準之pinout配置的產品,例如容錯型 LT3007 線性穩壓器,在此類pinout配置中,如果相鄰的接腳短接在一起或某個接腳被浮置,則輸出將會維持在、或低於調節電壓。


控制多個輸入電源

含有一個主電源和一個冗餘備份電源,同時也許還有一個外部輔助電源的電源系統需要一種仲裁系統,以確定哪個電源有優先權並監視這些電源的狀態。此外,還必須保護系統,防止在電源切換時發生交叉傳導和反向饋送。諸如 LTC4417 等單晶片 IC提供一種解決方案,即針對每個輸入驗證用戶定義的電源門檻,依此自動選擇電源。


另一種方法是由兩個同時運行的輸入電源分擔負載,從而透過減輕每個電源的負擔提高可靠性,如果每個電源都經過適當調整,能夠支援滿負載需求,那麼這種方法同時還能在一個電源發生故障時提供保護。過去,可能一直採用簡單但效率低的二極體 「合路」 電路,但這種電路要求每個電源都配備有源控制以平衡負載。圖 2 顯示,現在怎樣才能用單晶片解決方案來實現這種控制。LTC4370 是一款均流控制器,具備反向隔離,防止一個電源發生故障導致整個電源系統當機。



圖2 :  LTC4370 雙冗餘電源均分
圖2 : LTC4370 雙冗餘電源均分

暫態和電路保護

軍用和航空電子產品必須符合暫態保護規範,例如:MIL-STD-1275 (車輛) 和 MIL-STD-704 / DO-16 (飛機)。不過,人們希望任何高可靠性系統都針對電壓湧浪、尖峰和漣波提供保護,有些產品專門提供此保護功能,例如 LT4364。


此外,還有多種電路保護功能可用,包括 LTC4368 這類產品。LTC4368 是一款 100V 雙向電路斷路器,針對電源電壓過高、過低,甚至為負,以及針對正向和反向過流故障提供保護。



圖3 : 提供保護功能的 LTC4368 雙向電路斷路器
圖3 : 提供保護功能的 LTC4368 雙向電路斷路器

從這些例子中,我們可以觀察到,具日益複雜的保護和安全功能的新產品是如何簡化應用電路設計,並減小了解決方案的尺寸。


數位電源系統管理

類比電源調節具備自身的優勢,透過基於 I2C 的PMBus 介面進行數位控制以支援電源系統遠端系統管理也具有自身的優勢,新型產品正在結合這兩種優勢。遙測和診斷資料可用來監視負載情況、讀取晶片溫度,並以非常高的準確度進行微調和裕度控制,從而最大限度提高系統穩定性、效率和可靠性。


數位電源管理的一個引人關切問題,是軟體的複雜性,然而,LTC3815 執行一種簡化的 PMBus “Lite” 命令集,沒有晶片內非揮發性記憶體或微控制器,它在簡化設計的同時,並且也提供了數位控制和監視的好處。


正如之前所提及的,良好的熱量控制對於可靠性是非常重要的,LTC3815 提供兩級過熱門檻和兩級回應。當內部晶片溫度超過150°C時,過熱狀態被標記到 PMBus上,ALERT接腳拉低以向PMBus主元件發出警報。如果溫度繼續上升並超過170°C,那麼 LTC3815 就會關斷所有電路,包括輸出調節電路,直到過熱狀態清除為止。


這類能夠報告其狀態的系統為改變維護方式提供了機會,即從基於時間的維護安排轉變到基於狀態的維護,並有可能在系統故障形成之前,凸顯性能下降的問題。


隔離式系?

高可靠性電源系統通常包括一個隔離勢壘,以保護電源匯流排免於遭受下游線路可更換單元故障的損壞。另外,不斷增加的感測器和執行器數目也在推動著對於較小、局部隔離式電源和資料介面的需求,旨在減少源自接地迴路和共模干擾的雜訊感應問題。現在已經有了完整的電流隔離型 BGA 模組解決方案,以簡化設計和提高可靠性。LTM9100 隔離型開關控制器為一款一體化解決方案,以用於控制、保護和監視高達1000VDC的高電壓電源。一個 5kVRMS電氣隔離勢壘隔離了數位介面和開關控制器,從而可驅動一個外部N通道 MOSFET或IGBT開關。透過I2C/SMBus介面可對負載電流、匯流排電壓及溫度進行隔離式數位測量,從而實現高電壓匯流排的功率和能耗監視。



圖4 : 具遙測功能的 LTM9100 隔離式開關控制器
圖4 : 具遙測功能的 LTM9100 隔離式開關控制器

零組件選擇

本文大部分內容特別用來探討簡化高可靠性電源設計的新功能,或者針對故障或粗暴使用情況保護元件的產品功能。然而,至關重要的是,請不要忽視零組件品質的重要性,以針對預期環境條件選擇正確組件級別的重要性。例如 ADI 的軍用塑膠封裝等級元件提供了經過 100% 測試和有保證的性能 (在 55°C至 +125°C 溫度範圍內),從而免除了對預期存在非常嚴酷條件的應用電路中的元件進行昂貴的二次篩分或特性分析之需。


結論

憑藉用戶可編程特性、更加精細複雜的晶片內保護機理和縮減了整體解決方案接腳佔位的更高整合度,已使高可靠性電源的設計得以簡化。數位電源系統管理提供了方法以遠端監視和控制電源系統以及進一步改善效率和可靠性。最後,選擇一家信譽良好供應商的正確元件等級,也將可降低發生品質和可靠性問題的可能性。


(本文作者Steve Munns為ADI軍用-航空行銷經理)


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