降低從中間總線(xiàn)電壓直接為低電壓處理器和 FPGA 供電的風(fēng)險

工業(yè)、航天和國防系統通常采用額定 24V~28V 的中間總線(xiàn)電壓，在這些系統中，串聯(lián)電池作為備用電源，但是，由于分配損耗，并不適合采用 12V 總線(xiàn)體系結構。系統總線(xiàn)和數字處理器電源輸入之間較大的電壓差在電源分配、安全和解決方案規模上帶來(lái)了設計難題。如果使用單級非隔離降壓DC/DC 轉換器，那么，必須工作在非常精確的 PFM/PWM 定時(shí)上。輸入浪涌事件對 DC/DC 轉換器提出了更嚴格的要求，對負載存在另一個(gè)過(guò)壓風(fēng)險。由于制造中導致的錯誤或假冒電容，這會(huì )使得輸出電壓偏離超出負載額定范圍，有可能導致 FPGA、ASIC 或者微處理器被燒壞。取決于受損程度，很難確定故障根本原因所在，最終高昂的維修成本、停機時(shí)間以及對聲譽(yù)的損害都會(huì )令人非常沮喪。

因此，應該非常仔細的考慮怎樣減小過(guò)壓風(fēng)險，從而降低成本，減少給客戶(hù)帶來(lái)的不便。采用了熔絲的傳統過(guò)壓保護方法并不適用于保護現代 FPGA、ASIC 和微處理器，特別是上游額定電壓是 24V 或者 28V 的情況。開(kāi)發(fā)了新解決方案，結合額定 38V 的 10A DC/DC 開(kāi)關(guān)穩壓器和電路以解決很多故障問(wèn)題，包括輸出過(guò)壓等。當今最先進(jìn)的數字邏輯器件的供電和保護功能可以在一個(gè)緊湊封裝器件中實(shí)現。

隨著(zhù)輸入電壓和浪涌的增大，精確的開(kāi)關(guān)定時(shí)越來(lái)越重要

當輸入電壓和所需要的輸出電壓之間存在較大的電壓差時(shí)，一般會(huì )采用效率很高的開(kāi)關(guān)DC/DC 穩壓器。為實(shí)現簡(jiǎn)便的解決方案，最好選擇非隔離降壓開(kāi)關(guān)轉換器，其工作頻率足夠高，以減小電源磁體和濾波器電容的尺寸。但是，這種 DC/DC 開(kāi)關(guān)轉換器必須工作在低至3% 的較窄的占空比條件下，這就需要精確的 PWM/PFM 定時(shí)。而且，數字處理器需要嚴格的電壓穩壓，要求快速轉換響應以確保電壓在安全限制范圍內。在較高的輸入電壓時(shí)，會(huì )降低 DC/DC 穩壓器頂部開(kāi)關(guān)接通誤差余量。

總線(xiàn)電壓浪涌一般出現在航天和國防應用中，不僅僅對 DC/DC 轉換器造成損害，而且也會(huì )損害負載。必須對 DC/DC 轉換器進(jìn)行額定以采用高速控制環(huán)對過(guò)壓浪涌穩壓，從而獲得足夠的電壓抑制。如果 DC/DC 轉換器無(wú)法穩壓，或者不能承受總線(xiàn)浪涌，那么負載上就會(huì )出現過(guò)壓。負載的旁路電容由于老化或者溫度原因致使性能下降也會(huì )引起過(guò)壓故障，導致在產(chǎn)品壽命末期出現寬松的瞬態(tài)負載響應。如果電容劣化超出了控制環(huán)的設計限制，那么，兩種機制導致負載出現過(guò)壓。首先，即使控制環(huán)保持穩定，嚴重的瞬態(tài)負載突變事件也會(huì )導致電壓偏離遠遠高于設計初衷。其次，如果控制環(huán)是條件穩定的 (或者，更差一些，不穩定)，輸出電壓峰值會(huì )不斷震蕩，超出了可接受的范圍。如果采用了不正確的絕緣材料，或者假冒元器件進(jìn)入了制造環(huán)節，那么，電容也會(huì )意外劣化，過(guò)早失效。

便宜的假冒元器件會(huì )導致代價(jià)高昂的問(wèn)題

在灰色市場(chǎng)或者黑市上，低成本假冒元器件不會(huì )真正滿(mǎn)足標準要求 (例如，這些元器件是經(jīng)過(guò)回收的，從電子垃圾中重新加工制造，或者采用劣質(zhì)材料制造)，即使這樣，有的人抵擋不住假冒元器件的成本誘惑。當假冒產(chǎn)品失效時(shí)，暫時(shí)的低成本就會(huì )成為昂貴的開(kāi)支。例如，假冒的電容會(huì )以多種方式失效。假冒鉭電容內部自發(fā)熱非常嚴重，其正反饋機制導致散熱出現失控。假冒陶瓷電容含有粗糙劣質(zhì)的絕緣材料，隨著(zhù)元器件的老化或者工作在較高溫度時(shí)，電容量都會(huì )加速下降。當電容容量大幅度下降引起控制環(huán)不穩定時(shí)，電壓波形振幅要比最初設計值大很多，對負載造成損害。

在業(yè)界不幸的是，假冒元器件越來(lái)越多的進(jìn)入了供應鏈和電子制造流程，即使是最敏感和最安全的應用。美國參議院武裝部隊委員會(huì ) (Senate Armed Services Committee - SASC) 在 2012 年 5 月公布的報告中指出，軍用飛機和武器系統中出現了越來(lái)越多的假冒電子元器件，極有可能影響系統的性能和可靠性。這些系統都是由國防工業(yè)頂級承包商制造的。這類(lèi)系統中的電子元器件日益增多，例如，新的聯(lián)合攻擊戰斗機有 3500 多個(gè)集成電路，假冒元器件帶來(lái)了系統性能和可靠性風(fēng)險，決不能忽視這一問(wèn)題。

怎樣降低風(fēng)險

任何降低風(fēng)險計劃都應考慮系統將怎樣對過(guò)壓狀況做出響應并從過(guò)壓狀態(tài)實(shí)現恢復。倘若過(guò)壓故障有可能導致煙霧或火情，這可以接受嗎? 查明根源及實(shí)施整改措施的工作會(huì )由于過(guò)壓故障造成的損壞而受阻嗎? 如果本地操作員對受損系統重新供電 (重新啟動(dòng))，嘗試恢復系統，這會(huì )對系統造成更大的損害嗎? 確定故障原因并恢復正常系統工作需要哪些過(guò)程，要花費多長(cháng)時(shí)間?

傳統保護電路的不足

傳統的過(guò)壓保護方法包括熔絲、可控硅整流器 (SCR) 和齊納二極管。這一電路 (圖1) 通過(guò)以下方式來(lái)保護負載。如果輸入供電電壓超過(guò)了齊納擊穿電壓， SCR 觸發(fā)，吸收足夠的電流，熔斷上游熔絲。這一方法相對簡(jiǎn)單，而且成本低，但是，其缺點(diǎn)包括齊納二極管擊穿電壓的精度、SCR 柵極觸發(fā)門(mén)限變化、SCR 和熔斷響應時(shí)間的變化、以及從故障中恢復所需要付出的努力等 (例如，實(shí)際處理熔絲，并重新啟動(dòng)系統)。如果待考慮的電壓源對數字內核供電，由于大電流時(shí)的正向電壓降與最新數字處理器的內核電壓相當，甚至高于內核電壓，那么，SCR 的保護功能非常有限?？紤]到這些缺點(diǎn)，傳統的過(guò)壓保護方法并不適用于高壓至低壓 DC/DC 轉換供電負載，例如，價(jià)格比較昂貴 (不上千都可能要幾百美元) 的 ASIC 或者 FPGA。

圖1: 傳統的過(guò)壓保護電路包括熔絲、SCR和齊納二極管。雖然成本低，但是這一電路響應時(shí)間不足以實(shí)現對最新數字電路的可靠保護，特別是上游供電電源是中間電壓總線(xiàn)的情況。而且，即使從過(guò)壓故障中進(jìn)行最簡(jiǎn)單的恢復也很麻煩并非常耗時(shí)。

結合了電源和保護電路的最新創(chuàng )新

更好的解決方案是準確地探測到即將出現的過(guò)壓情況，迅速