基于IBA的電源解決方案需要系統級保護

在計算和通信的許多應用中，帶有非隔離式負載點(diǎn)(niPOL)轉換器的中間總線(xiàn)架構(IBA)正不斷取代傳統的分布式和集中式電源解決方案。這個(gè)趨勢的關(guān)鍵推動(dòng)因素包括：不斷增加的系統電壓數量、更高的輸出電流、更嚴格的規范要求以及更低的系統總成本。在滿(mǎn)足這些要求的同時(shí)，許多IBA/niPOL解決方案摒除了某些保護機制，而這些機制是以前傳統方案的標準配置。

例如，輸出過(guò)壓保護(OVP)和過(guò)熱保護(OTP)在電力系統設計中非常必要。但許多niPOL轉換器，不管是買(mǎi)來(lái)的組裝件還是分立設計，均不包括完整的OVP和OTP電路。雖然把這種保護機制加入每個(gè)niPOL轉換器是可行的，但在系統層面上解決這個(gè)問(wèn)題將更勝一籌。

為從系統層面上理解電源保護，讓我們看看IBA/POL解決方案的一個(gè)典型電源系統方框圖(圖1)。在這里，12V的中間總線(xiàn)電壓由AC/DC電源提供。除了主輸出外，還有一個(gè)用于電源管理電路的小功率常開(kāi)(always-on)輔助電源。這個(gè)電路利用設定開(kāi)/關(guān)狀態(tài)的使能信號來(lái)控制中間總線(xiàn)和各個(gè)niPOL轉換器，并利用V-OK信號監視電壓。這個(gè)電源管理電路的其它功能還包括電壓排序、復位信號、狀態(tài)指示LED和其它與宿主系統的接口。

由于該中間總線(xiàn)為所有下游轉換器(以及風(fēng)扇、硬盤(pán)驅動(dòng)器或其它負荷)供電，所以它通常具有大功率輸出。該總線(xiàn)可以提供200W到1KW之間的功率，具體值取決于系統。如果某個(gè)故障導致這個(gè)電源集中在單個(gè)器件上，比如集中在一個(gè)損壞的半導體上，那么局部過(guò)熱很可能導致燃燒和其它不良效應。

有待利用的關(guān)鍵特性是電源管理電路關(guān)斷中間總線(xiàn)的能力。在過(guò)熱或過(guò)壓的危急情況下，最合理的處理方法就是關(guān)斷電源。因此，該設計方案旨在向電源管理電路提供信號，該信號可使電源管理電路在出現上述某種故障狀態(tài)時(shí)閉鎖中間總線(xiàn)。

圖1：典型的IBA/POL架構包括電源管理電路，以使總線(xiàn)和下游轉換器有效，并監視電壓。

過(guò)熱保護

集中式電源系統(例如多輸出AC/DC電源)具備內部溫度傳感器和風(fēng)扇速度監視器，可防止出現內部或外部過(guò)熱故障狀態(tài)。傳統隔離式DC/DC“磚塊”轉換器也可提供過(guò)熱保護。

相比之下，大多數niPOL轉換器并無(wú)過(guò)熱保護這個(gè)標準特性，某些控制器IC在其裸片溫度過(guò)高時(shí)會(huì )被關(guān)斷。但這可能無(wú)法檢測和防止MOSFET等功率元件出現過(guò)熱現象。對于電源系統與控制器具有熱隔離的分立niPOL設計而言，尤其如此。

為提供系統級過(guò)熱保護，不妨思考一下電源系統出現過(guò)熱情況的原因。假定轉換器被設計用來(lái)避免出現過(guò)電流狀態(tài)，那么剩下的兩個(gè)關(guān)鍵原因就是環(huán)境溫度過(guò)高和空氣流通不暢。大多數系統設計都包括環(huán)境溫度傳感器和風(fēng)扇速度監視器。電源管理電路可以監視這些信號。如果溫度和風(fēng)扇速度超過(guò)閾值，電源管理控制器就會(huì )鎖閉總線(xiàn)轉換器，并給出故障狀態(tài)指示。

此外，系統可能還有處理器、硬盤(pán)驅動(dòng)器和ASIC等元件，這些元件對熱故障的敏感度高于功率轉換器。系統設計中可能已經(jīng)包含了針對這些器件的熱監視器，它們可以向電源管理電路提供其它熱故障信息。全面的系統合格性測試通常包括驗證這一環(huán)節。

如果電源系統需要更多的熱監視功能，可用一個(gè)低成本的簡(jiǎn)單方案來(lái)實(shí)現這點(diǎn)。將一個(gè)正溫度系數(PTC) 熱敏電阻放置在板上某個(gè)關(guān)鍵位置，當被連接到圖2橋接配置中的比較器時(shí)，該電路可由輔助電源供電，且無(wú)需任何參考電壓(圖2a)。另一個(gè)簡(jiǎn)單方案采用硅溫度傳感器，它在溫度超過(guò)閾值時(shí)產(chǎn)生一個(gè)數字信號(圖2b)。這些信號可被送到電源管理電路，以指示熱故障狀態(tài)。應仔細選擇溫度閾值，以在避免不在正常工作狀態(tài)下動(dòng)作的同時(shí)保護系統各個(gè)元件。

圖2：易于使用的PTC熱敏電阻(a)和硅溫度開(kāi)關(guān)(b)可以在過(guò)熱狀態(tài)下產(chǎn)生一個(gè)數字信號。

最有效的解決方案可能是結合使用現有的系統熱傳感器與放在電源系統關(guān)鍵位置的額外熱傳感器。熱閾值檢測器很容易使用，并且其輸出可以是二極管或門(mén)形式，以將電源管理電路的復雜程度降到最低。

確定功耗較高的元件和位置是電源系統設計的一部分。盡管大部分功耗都可能源于開(kāi)關(guān)型MOSFET，但FET驅動(dòng)器、控制器和其它器件也應在考慮范圍之內。

找出每個(gè)位置之后，需確定系統中的哪個(gè)熱傳感器能夠對它進(jìn)行監視。如果需要，可考慮在無(wú)法通過(guò)現有器件有效監視的位置加入更多的熱傳感器。如果后來(lái)發(fā)現沒(méi)有必要，可以在生產(chǎn)階段不裝配它們。為了驗證熱監視器的有效性，并且確保它們決不會(huì )引起誤關(guān)斷，可以進(jìn)行系統驗證測試。通常的做法是在系統中的傳感器和大功耗元件上放置熱電偶。在“最差”狀態(tài)下(最高環(huán)境溫度以及消耗最大功率)運行系統有助于監視這些溫度。

假定元件溫度不超過(guò)該狀態(tài)下的最高溫度，那么所有熱傳感器的溫度都應低于使其動(dòng)作的最小值?？梢栽黾釉O計裕量，以確保熱傳感器不會(huì )在所支持的工作狀態(tài)下誤動(dòng)作，這一點(diǎn)至關(guān)重要。

一旦完成系統熱驗證，最好進(jìn)行熱故障測試。此時(shí)產(chǎn)品在高于所支持的額定環(huán)境溫度下工作，并且由于通風(fēng)孔阻塞，空氣流動(dòng)不順暢。在上述各種故障狀態(tài)下，對溫度進(jìn)行監視，直到發(fā)生熱關(guān)斷。在所有情況下，熱傳感器都應該在出現永久性損壞之前以關(guān)斷系統電源。

圖3：非隔離式同步降壓轉換器盡管非?？煽?，但是可能由于幾個(gè)單點(diǎn)故障狀態(tài)而出現持續過(guò)壓狀態(tài)。例如，R1處的焊結點(diǎn)開(kāi)焊會(huì )使反饋信號無(wú)法到達誤差放大器。

輸出過(guò)壓保護

市面上的AD/AD電源和隔離式DC/DC轉換器都具有防止持續過(guò)壓的特性。首先，電源系統的隔離特性可以防止任何短路的MOSFET導致輸出過(guò)壓。其次，有一個(gè)單獨的參考電壓被用來(lái)監視該器件輸出端的電壓。如果輸出電壓太高，單獨的信號將穿過(guò)隔離邊界，鎖閉脈寬調制(PWM)控制器。簡(jiǎn)而言之，這些產(chǎn)品已經(jīng)過(guò)設計和測試，因此任何單點(diǎn)故障都不會(huì )導致持續的輸出過(guò)壓狀態(tài)。

非隔離式同步降壓轉換器(最普通的niPOL)盡管相當可靠，但是可能在幾個(gè)單點(diǎn)故障狀態(tài)時(shí)出現持續過(guò)壓狀態(tài)(圖3)。首先，設想一下如果R1的焊點(diǎn)開(kāi)焊會(huì )導致什么后果。這會(huì )使反饋信號無(wú)法達到誤差放大器，從而使控制器誤認為輸出電壓太低。作為響應，它將工作于最大占空比，使幾乎整個(gè)輸入電壓都出現在輸出上。

其次，考慮MOSFET Q1由于短路而發(fā)生故障的情況。這會(huì )使得開(kāi)關(guān)節點(diǎn)電壓過(guò)高，并且試圖把輸入電壓加到輸出端上。大部分控制器會(huì )通過(guò)導通Q2、減少占空比或者通過(guò)其內部的過(guò)壓檢測功能來(lái)對這種情況進(jìn)行處理。大電源電流隨后會(huì )流經(jīng)這兩個(gè)MOSFET，希望以此使輸入過(guò)載。但如果總線(xiàn)的功率很高，結果可能不確定。最后，如果控制器內部的參考電壓失效，也可能使輸出超過(guò)預期的設定值。

對于過(guò)熱保護，我們可將更多電路加到每個(gè)niPOL轉換器，以防止這些失效模式引起輸出過(guò)電壓。當反饋斷開(kāi)或參考失效時(shí)，可利用另外的參考和比較器來(lái)監視輸出信號，并且在必要時(shí)關(guān)斷控制器。當MOSFET短路時(shí)，可利用輸入斷開(kāi)開(kāi)關(guān)或帶有可控硅的在線(xiàn)保險管來(lái)阻止輸入功率傳輸到轉換器。但是，從成本、空間和功率損耗的角度看，這些電路會(huì )給電源系統設計帶來(lái)負面影響，而采用系統級方法再一次提供了更好的解決方案。

圖1電路中的每個(gè)輸出都已具備一個(gè)電壓監視電路。在大多數情況下，設計工程師會(huì )選擇市場(chǎng)上現售的一種普通電壓監視IC，如圖4a所示。在該圖中，被監視的電壓與內部參考電壓進(jìn)行比較。單個(gè)數字輸出確定被監視電壓是否低于或高于該參考電壓。例如，一旦輸出達到1.71V，即其標稱(chēng)值的95%，被監視的1.8V電源就會(huì )激活這個(gè)信號。因為這個(gè)電路只給出了一部分信息(高于或低于閾值)，所以它只能被用于監視輸出欠壓(UV#)。一個(gè)典型的設計可使系統保持在復位狀態(tài)，除非在所有電源電壓都高于UV閾值。

但是如果增加比較器和電阻器，該電路就會(huì )變成圖4b所示的窗口比較器。該窗口比較器不僅提供現有的UV#信號，而且還提供過(guò)壓(OV#)信號以檢測輸出電壓是否太高。有多家供應商提供這個(gè)元件，且其封裝尺寸與單個(gè)比較器相同，因此只需一個(gè)額外電阻即可。還可以利用一個(gè)獨立的參考和比較器來(lái)實(shí)現OV#檢測。

對于熱故障狀態(tài)，處理輸出過(guò)壓的唯一適當操作就是關(guān)斷系統電源。因此，如果OV#信號有效，那么電源管理電路就會(huì )立即鎖閉中間總線(xiàn)轉換器，并指示故障狀態(tài)。這會(huì )關(guān)斷所有可能引起極大損壞的故障電源，而且還能避免損壞半導體和其它負載，使電路板可被維修好。

OV#動(dòng)作電壓的設置應該足夠高，以確保在啟動(dòng)、負載步進(jìn)或其它瞬態(tài)狀況下不出現誤報現象。但是它應該在它所供電的半導體達到最大電壓絕對值之前指示故障狀態(tài)?？蓪⒁粋€(gè)小電容與RC并聯(lián)，以過(guò)濾任何噪音或者加入小延遲。這個(gè)監視電路獨立于niPOL轉換器，有它自己的參考電壓，并被放置在系統電路板上一個(gè)方便的位置，通?？拷髫撦d。由于輸出是數字的，所以該輸出可以被路由回電源管理電路，而無(wú)需過(guò)多關(guān)注噪音耦合。

圖4：典型的電壓監視器僅檢測欠壓狀態(tài)(a)。窗口比較器可被用來(lái)同時(shí)檢測欠壓和過(guò)壓狀態(tài)(b)。

此外，如果OV信號是開(kāi)路集電極，則所有OV監視器都可以通過(guò)二極管或門(mén)電路連接在一起，以產(chǎn)生一個(gè)發(fā)送給電源管理控制器的主OV信號，從而把設計復雜度降到最低。電源系統設計工程師必須確保整個(gè)電力系統裝配好之后能夠按預期的方式工作。這包括對各種故障狀態(tài)的處理。盡管許多故障狀態(tài)是良性的，比如說(shuō)產(chǎn)品停止工作，但某些故障會(huì )導致嚴重事故。在任何情況下都應盡量避免故障狀態(tài)下的集中發(fā)熱和功率損耗。

通過(guò)采用“常開(kāi)”輔助電源和現有的電源管理電路，可在系統級上實(shí)現過(guò)壓和過(guò)熱保護，并且成本相對低廉、元件相對少且對設計影響較小。使高功率中間總線(xiàn)無(wú)效可消除可能給系統造成嚴重危害的能量。

作者：Bob Thomas，電源系統設計師，Email：bobtho@cisco.com，思科系統公司