在理想的世界裡，高可靠性系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)計(jì)為能夠避免單點(diǎn)失效，有辦法在保持運(yùn)行 (但也許是在降低的性能水準(zhǔn)上) 的情況下隔離故障。高可靠性系統(tǒng)還應(yīng)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(nèi)建冗餘是一種解決方案，這可以採用並聯(lián)電路以主動分擔(dān)負(fù)載，或者在故障發(fā)生之前以備用模式等待。在每一種內(nèi)建冗餘方式中，實(shí)現(xiàn)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(tǒng)還建立了不同的並聯(lián)電路，以增加多樣性，避免產(chǎn)生相同故障機(jī)制這種風(fēng)險(xiǎn)，某些飛行控制系統(tǒng)就是這麼操作的。
提高系統(tǒng)複雜性為電源性能造成了更大的負(fù)擔(dān)，因此高轉(zhuǎn)換效率和良好的熱量管理變得至關(guān)重要了，因?yàn)榻用鏈囟让可仙?10°C，則IC 壽命大約會減少一半。正如我們將看到的，現(xiàn)在新功能豐富的電源 IC 和專用電源管理功能已經(jīng)增強(qiáng)了對 IC 本身及其周圍系統(tǒng)的保護(hù)。
電源穩(wěn)壓器的安全功能
電壓穩(wěn)壓器的電流限制已越來越準(zhǔn)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(nèi)部保護(hù)電路也相當(dāng)常見，包括電池反向保護(hù)、電流限制、熱量限制和電流反向保護(hù)。
LTC7801 DC/DC 開關(guān)控制器就是一個(gè)改善了製程和安全功能的產(chǎn)品實(shí)例。該元件可安全的承受高達(dá) 150V 的輸入電壓，並提供一種保護(hù)功能，以在輸入電壓上升至高於可程式設(shè)計(jì)工作範(fàn)圍時(shí)，禁止切換。這種功能簡化了輸入電源暫態(tài)保護(hù)電路，減少了元件數(shù)，並且也縮減了解決方案尺寸。運(yùn)用針對電壓過沖提供保護(hù)的過壓比較器，也可以達(dá)到很好的保護(hù)輸出，同時(shí)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 |
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寬廣針腳間隔可避免相鄰高壓和低壓引腳之間產(chǎn)生危險(xiǎn)的電弧，透過提供此封裝選擇，也增強(qiáng)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(jī)應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)之pinout配置的產(chǎn)品，例如容錯(cuò)型 LT3007 線性穩(wěn)壓器，在此類pinout配置中，如果相鄰的接腳短接在一起或某個(gè)接腳被浮置，則輸出將會維持在、或低於調(diào)節(jié)電壓。
控制多個(gè)輸入電源
含有一個(gè)主電源和一個(gè)冗餘備份電源，同時(shí)也許還有一個(gè)外部輔助電源的電源系統(tǒng)需要一種仲裁系統(tǒng)，以確定哪個(gè)電源有優(yōu)先權(quán)並監(jiān)視這些電源的狀態(tài)。此外，還必須保護(hù)系統(tǒng)，防止在電源切換時(shí)發(fā)生交叉?zhèn)鲗?dǎo)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(gè)輸入驗(yàn)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(gè)同時(shí)運(yùn)行的輸入電源分擔(dān)負(fù)載，從而透過減輕每個(gè)電源的負(fù)擔(dān)提高可靠性，如果每個(gè)電源都經(jīng)過適當(dāng)調(diào)整，能夠支援滿負(fù)載需求，那麼這種方法同時(shí)還能在一個(gè)電源發(fā)生故障時(shí)提供保護(hù)。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(gè)電源都配備有源控制以平衡負(fù)載。圖 2 顯示，現(xiàn)在怎樣才能用單晶片解決方案來實(shí)現(xiàn)這種控制。LTC4370 是一款均流控制器，具備反向隔離，防止一個(gè)電源發(fā)生故障導(dǎo)致整個(gè)電源系統(tǒng)當(dāng)機(jī)。
暫態(tài)和電路保護(hù)
軍用和航空電子產(chǎn)品必須符合暫態(tài)保護(hù)規(guī)範(fàn)，例如：MIL-STD-1275 (車輛) 和 MIL-STD-704 / DO-16 (飛機(jī))。不過，人們希望任何高可靠性系統(tǒng)都針對電壓湧浪、尖峰和漣波提供保護(hù)，有些產(chǎn)品專門提供此保護(hù)功能，例如 LT4364。
此外，還有多種電路保護(hù)功能可用，包括 LTC4368 這類產(chǎn)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(fù)，以及針對正向和反向過流故障提供保護(hù)。
| 圖3 : 提供保護(hù)功能的 LTC4368 雙向電路斷路器 |
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從這些例子中，我們可以觀察到，具日益複雜的保護(hù)和安全功能的新產(chǎn)品是如何簡化應(yīng)用電路設(shè)計(jì)，並減小了解決方案的尺寸。
數(shù)位電源系統(tǒng)管理
類比電源調(diào)節(jié)具備自身的優(yōu)勢，透過基於 I2C 的PMBus 介面進(jìn)行數(shù)位控制以支援電源系統(tǒng)遠(yuǎn)端系統(tǒng)管理也具有自身的優(yōu)勢，新型產(chǎn)品正在結(jié)合這兩種優(yōu)勢。遙測和診斷資料可用來監(jiān)視負(fù)載情況、讀取晶片溫度，並以非常高的準(zhǔn)確度進(jìn)行微調(diào)和裕度控制，從而最大限度提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、效率和可靠性。
數(shù)位電源管理的一個(gè)引人關(guān)切問題，是軟體的複雜性，然而，LTC3815 執(zhí)行一種簡化的 PMBus “Lite” 命令集，沒有晶片內(nèi)非揮發(fā)性記憶體或微控制器，它在簡化設(shè)計(jì)的同時(shí)，並且也提供了數(shù)位控制和監(jiān)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(yīng)。當(dāng)內(nèi)部晶片溫度超過150°C時(shí)，過熱狀態(tài)被標(biāo)記到 PMBus上，ALERT接腳拉低以向PMBus主元件發(fā)出警報(bào)。如果溫度繼續(xù)上升並超過170°C，那麼 LTC3815 就會關(guān)斷所有電路，包括輸出調(diào)節(jié)電路，直到過熱狀態(tài)清除為止。
這類能夠報(bào)告其狀態(tài)的系統(tǒng)為改變維護(hù)方式提供了機(jī)會，即從基於時(shí)間的維護(hù)安排轉(zhuǎn)變到基於狀態(tài)的維護(hù)，並有可能在系統(tǒng)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(tǒng)通常包括一個(gè)隔離勢壘，以保護(hù)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(zhí)行器數(shù)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(yīng)問題。現(xiàn)在已經(jīng)有了完整的電流隔離型 BGA 模組解決方案，以簡化設(shè)計(jì)和提高可靠性。LTM9100 隔離型開關(guān)控制器為一款一體化解決方案，以用於控制、保護(hù)和監(jiān)視高達(dá)1000VDC的高電壓電源。一個(gè) 5kVRMS電氣隔離勢壘隔離了數(shù)位介面和開關(guān)控制器，從而可驅(qū)動一個(gè)外部N通道 MOSFET或IGBT開關(guān)。透過I2C/SMBus介面可對負(fù)載電流、匯流排電壓及溫度進(jìn)行隔離式數(shù)位測量，從而實(shí)現(xiàn)高電壓匯流排的功率和能耗監(jiān)視。
| 圖4 : 具遙測功能的 LTM9100 隔離式開關(guān)控制器 |
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零組件選擇
本文大部分內(nèi)容特別用來探討簡化高可靠性電源設(shè)計(jì)的新功能，或者針對故障或粗暴使用情況保護(hù)元件的產(chǎn)品功能。然而，至關(guān)重要的是，請不要忽視零組件品質(zhì)的重要性，以針對預(yù)期環(huán)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(jīng)過 100% 測試和有保證的性能 (在 ?55°C至 +125°C 溫度範(fàn)圍內(nèi))，從而免除了對預(yù)期存在非常嚴(yán)酷條件的應(yīng)用電路中的元件進(jìn)行昂貴的二次篩分或特性分析之需。
結(jié)論
憑藉用戶可編程特性、更加精細(xì)複雜的晶片內(nèi)保護(hù)機(jī)理和縮減了整體解決方案接腳佔(zhàn)位的更高整合度，已使高可靠性電源的設(shè)計(jì)得以簡化。數(shù)位電源系統(tǒng)管理提供了方法以遠(yuǎn)端監(jiān)視和控制電源系統(tǒng)以及進(jìn)一步改善效率和可靠性。最後，選擇一家信譽(yù)良好供應(yīng)商的正確元件等級，也將可降低發(fā)生品質(zhì)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(jīng)理)
