集成電路為高可靠性電源提供增強的保護和改進(jìn)的安全特性

高可靠性電源系統的要求

在理想世界中，高可靠性系統應該設計成避免單點(diǎn)故障，并提供一種隔離故障的手段，使得操作可以繼續（性能水平或許降低）。它還應該能夠遏制故障，避免其傳播到下游或上游電子設備。

一種解決方案是內置冗余——可以是主動(dòng)分擔負載的并聯(lián)電路，或者是在待機狀態(tài)下等待，直到發(fā)生故障才起作用的電路。每種情況下，故障檢測和管理都需要額外的電路開(kāi)銷(xiāo)，致使整體復雜性和成本增加。有些系統還會(huì )創(chuàng )建不同的并聯(lián)電路以增加多樣性，避免故障機制相同帶來(lái)的風(fēng)險；一些飛機的飛行控制系統就是如此。

增加系統復雜性會(huì )給電源性能帶來(lái)更大負擔，因此高轉換效率和良好的熱管理至關(guān)重要，要知道結溫每上升10°C，IC使用壽命大約減半。我們將看到，新的功能豐富的電源IC和專(zhuān)用電源管理功能現在可為IC本身及周?chē)到y提供更好的保護。

電源調節器安全特性

電壓調節器的限流方式越來(lái)越精確和復雜，可避免過(guò)多輸出電流損壞器件本身或下游器件。內部保護電路也很常見(jiàn)，包括電池反接保護、限流、熱限制和反向電流保護。

在工藝技術(shù)和安全特性?xún)煞矫婢懈倪M(jìn)的一個(gè)實(shí)例是LTC7801 DC/DC開(kāi)關(guān)控制器，它能安全地承受高達150V的輸入電壓，并實(shí)現了一種保護特性——當輸入電壓升至可編程工作范圍以上時(shí)，它會(huì )禁止開(kāi)關(guān)動(dòng)作。此功能簡(jiǎn)化了輸入電源瞬態(tài)保護電路，縮減了元件數量和解決方案尺寸。輸出也受到過(guò)壓比較器的良好保護，該比較器可防止電壓過(guò)沖，同時(shí)還有一個(gè)折返式限流器，它能在過(guò)流和短路故障期間控制功耗。

通過(guò)提供引腳間距很寬的封裝選項，避免相鄰高壓和低壓引腳之間產(chǎn)生電弧的危險，安全的物理封裝方面也得到解決。擊穿電壓隨著(zhù)氣壓的降低而降低，因此未增壓的飛機應用可以選擇LTC3895，其功能和性能與LTC7801相同，但提供0.68mm雙引腳間距封裝選項。

某些產(chǎn)品（如容錯型線(xiàn)性穩壓器LT3007）還提供所謂FMEA（故障模式和影響分析）兼容引腳排列，如果相鄰引腳短接或引腳懸空，則輸出保持在或低于穩壓值。

圖1 LTC7801高壓降壓型DC/DC控制器

控制多個(gè)輸入源

包含主電源和冗余備用電源，甚至可能還有外部輔助電源的電源系統，需要一個(gè)系統來(lái)決定哪個(gè)電源優(yōu)先并監控其狀態(tài)。此外，在電源切換期間，它必須防止系統交叉導通和反饋。LTC4417等單芯片IC提供了一種解決方案，它可以驗證用戶(hù)為每路輸入定義的電源閾值，從而自動(dòng)選擇電源。

另一種辦法是在兩個(gè)同時(shí)工作的輸入源之間分擔負載，通過(guò)減少每個(gè)電源的負擔來(lái)提高可靠性，同時(shí)提供保護，其中一個(gè)電源發(fā)生故障也不會(huì )受影響——如果每個(gè)電源的大小合適，足以支持滿(mǎn)負載需求。過(guò)去可能采用簡(jiǎn)單但低效率的二極管“或”裝置，但它要求每個(gè)電源都能主動(dòng)控制以平衡負載。圖2顯示了現在如何利用單芯片解決方案來(lái)達成目標。LTC4370是一款具有反向阻斷功能的均流控制器，可防止單電源故障拖垮整個(gè)電源系統。

圖2 LTC4370雙冗余電源均流

瞬態(tài)和電路保護

軍用和航空電子必須符合瞬態(tài)保護規范，例如MIL-STD-1275（車(chē)輛）和MIL-STD-704/DO-160（航空器）。但是，任何高可靠性系統都需要防范電壓浪涌、尖峰和紋波，而有些產(chǎn)品就專(zhuān)門(mén)提供該功能，比如LT4364。

圖3 具有保護功能的雙向斷路器LTC4368

還有各種各樣的電路保護功能可供選擇，包括LTC4368之類(lèi)的產(chǎn)品。LTC4368是一款100V雙向斷路器，可在電源電壓過(guò)高、過(guò)低甚至為負電壓時(shí)，以及正向和反向發(fā)生過(guò)流故障時(shí)提供保護。

通過(guò)這些實(shí)例，我們可以了解到具有越來(lái)越復雜的保護和安全特性的新產(chǎn)品如何簡(jiǎn)化應用電路設計并減小解決方案尺寸。

數字電源系統管理

新產(chǎn)品既有模擬功率調節的優(yōu)勢，又有通過(guò)基于I2C的PMBus接口進(jìn)行數字控制的優(yōu)勢，支持遠程管理電源系統。遙測和診斷數據可用來(lái)監控負載狀況，讀取芯片溫度，并以非常高的精度執行微調和裕量調節，從而最大限度地提高系統穩定性、效率和可靠性。關(guān)于數字電源管理，有一個(gè)擔憂(yōu)是軟件太復雜，但LTC3815實(shí)現了簡(jiǎn)化的PMBus“Lite”命令集，沒(méi)有片內非易失性存儲器或微控制器，因而在簡(jiǎn)化設計的同時(shí)提供數字控制和監測的優(yōu)勢。

圖4 具有遙測功能的隔離式開(kāi)關(guān)控制器LTM9100

如前所述，良好的熱控制對于可靠性至關(guān)重要，LTC3815具有兩級熱閾值和兩級響應。當內部芯片溫度超過(guò)150°C時(shí)，PMBus就會(huì )收到過(guò)熱狀態(tài)標志，ALERT引腳拉低以提醒PMBus主機。如果溫度繼續升高并超過(guò)170°C，LTC3815將關(guān)閉所有電路，包括輸出調節，直到溫度過(guò)高狀態(tài)消失。

這種能夠報告狀態(tài)的系統為從基于時(shí)間的維護計劃轉向基于狀態(tài)的維護提供了機會(huì )，并且能夠在系統故障狀態(tài)既遂之前突出顯示性能降級。

隔離系統

高可靠性電源系統常常包括隔離屏障，用以保護電源總線(xiàn)免受下游線(xiàn)路可更換單元中的故障的影響。越來(lái)越多的傳感器和執行器也推動(dòng)了對更小局部隔離電源和數據接口的增加需求，以減少接地回路和共模干擾引起的噪聲相關(guān)問(wèn)題?，F在有完整的電氣隔離BGA模塊解決方案可簡(jiǎn)化設計并提高可靠性。LTM9100隔離式開(kāi)關(guān)控制器是一款一體化解決方案，適用于控制、保護和監控高達1000VDC的高壓電源。5kVRMS電氣隔離柵將數字接口與開(kāi)關(guān)控制器分開(kāi)，驅動(dòng)外部N溝道MOSFET或IGBT開(kāi)關(guān)。對負載電流、總線(xiàn)電壓和溫度的隔離式數字測量結果通過(guò)I2C/SMBus接口訪(fǎng)問(wèn)，實(shí)現對高壓總線(xiàn)的功率和電能監控。

器件選擇

本文大部分內容都是討論簡(jiǎn)化高可靠性電源設計的新功能，或是保護器件免受故障或不當處理影響的產(chǎn)品特性。然而，同樣關(guān)鍵的是不能忽視器件質(zhì)量以及針對預期環(huán)境條件選擇正確等級器件的重要性。例如，ADI公司軍用塑料級100%經(jīng)過(guò)測試，在-55°C至+125°C的溫度范圍內保證性能；對于預期環(huán)境非常惡劣的應用電路，無(wú)需付出高昂成本對器件進(jìn)行重新篩選或特性測試。

結論

用戶(hù)可編程特性、更復雜的片內保護機制和更高的集成度，使高可靠性電源設計得以簡(jiǎn)化，整體解決方案尺寸得以縮小。數字電源系統管理提供了遠程監測和控制電源系統，以及進(jìn)一步提高效率和可靠性的手段。最后，從信譽(yù)良好的供應商選擇正確等級的器件將會(huì )降低出現質(zhì)量和可靠性問(wèn)題的幾率。