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集成电路为高可靠性电源提供增强的保护和改进的安全特性

时间：2021-04-29 11:25来源：Steve Munns，ADI公司军事/航空市场营销经理

摘要：高可靠性系统的设计包括使用容错设计技术，选择合适的器件以满足预期环境条件，以及符合标准。本文主要讨论用于实现高可靠性电源的半导体解决方案，包括冗余、电路保护和远程系统管理。本文将重点说明半导体技术的改善和新的安全特性如何简化设计并增强器件可靠性。

高可靠性电源系统的要求
 
在理想世界中，高可靠性系统应该设计成避免单点故障，并提供一种隔离故障的手段，使得操作可以继续（性能水平或许降低）。它还应该能够遏制故障，避免其传播到下游或上游电子设备。
 
一种解决方案是内置冗余——可以是主动分担负载的并联电路，或者是在待机状态下等待，直到发生故障才起作用的电路。每种情况下，故障检测和管理都需要额外的电路开销，致使整体复杂性和成本增加。有些系统还会创建不同的并联电路以增加多样性，避免故障机制相同带来的风险；一些飞机的飞行控制系统就是如此。
 
增加系统复杂性会给电源性能带来更大负担，因此高转换效率和良好的热管理至关重要，要知道结温每上升10°C，IC使用寿命大约减半。我们将看到，新的功能丰富的电源IC和专用电源管理功能现在可为IC本身及周围系统提供更好的保护。
 
电源调节器安全特性
 
电压调节器的限流方式越来越精确和复杂，可避免过多输出电流损坏器件本身或下游器件。内部保护电路也很常见，包括电池反接保护、限流、热限制和反向电流保护。
 
在工艺技术和安全特性两方面均有改进的一个实例是LTC7801 DC/DC开关控制器，它能安全地承受高达150V的输入电压，并实现了一种保护特性——当输入电压升至可编程工作范围以上时，它会禁止开关动作。此功能简化了输入电源瞬态保护电路，缩减了元件数量和解决方案尺寸。输出也受到过压比较器的良好保护，该比较器可防止电压过冲，同时还有一个折返式限流器，它能在过流和短路故障期间控制功耗。
 
通过提供引脚间距很宽的封装选项，避免相邻高压和低压引脚之间产生电弧的危险，安全的物理封装方面也得到解决。击穿电压随着气压的降低而降低，因此未增压的飞机应用可以选择LTC3895，其功能和性能与LTC7801相同，但提供0.68mm双引脚间距封装选项。
 
某些产品（如容错型线性稳压器LT3007）还提供所谓FMEA（故障模式和影响分析）兼容引脚排列，如果相邻引脚短接或引脚悬空，则输出保持在或低于稳压值。

 
图1：LTC7801高压降压型DC/DC控制器
 
控制多个输入源
 
包含主电源和冗余备用电源，甚至可能还有外部辅助电源的电源系统，需要一个系统来决定哪个电源优先并监控其状态。此外，在电源切换期间，它必须防止系统交叉导通和反馈。LTC4417等单芯片IC提供了一种解决方案，它可以验证用户为每路输入定义的电源阈值，从而自动选择电源。
 
另一种办法是在两个同时工作的输入源之间分担负载，通过减少每个电源的负担来提高可靠性，同时提供保护，其中一个电源发生故障也不会受影响——如果每个电源的大小合适，足以支持满负载需求。过去可能采用简单但低效率的二极管“或”装置，但它要求每个电源都能主动控制以平衡负载。图2显示了现在如何利用单芯片解决方案来达成目标。LTC4370是一款具有反向阻断功能的均流控制器，可防止单电源故障拖垮整个电源系统。

 
图2：LTC4370双冗余电源均流
 
瞬态和电路保护
 
军用和航空电子必须符合瞬态保护规范，例如MIL-STD-1275（车辆）和MIL-STD-704/DO-160（航空器）。但是，任何高可靠性系统都需要防范电压浪涌、尖峰和纹波，而有些产品就专门提供该功能，比如LT4364。

 
图3：具有保护功能的双向断路器LTC4368
 
还有各种各样的电路保护功能可供选择，包括LTC4368之类的产品。LTC4368是一款100V双向断路器，可在电源电压过高、过低甚至为负电压时，以及正向和反向发生过流故障时提供保护。


通过这些实例，我们可以了解到具有越来越复杂的保护和安全特性的新产品如何简化应用电路设计并减小解决方案尺寸。
 
数字电源系统管理
 
新产品既有模拟功率调节的优势，又有通过基于I2C的PMBus接口进行数字控制的优势，支持远程管理电源系统。遥测和诊断数据可用来监控负载状况，读取芯片温度，并以非常高的精度执行微调和裕量调节，从而最大限度地提高系统稳定性、效率和可靠性。关于数字电源管理，有一个担忧是软件太复杂，但LTC3815实现了简化的PMBus“Lite”命令集，没有片内非易失性存储器或微控制器，因而在简化设计的同时提供数字控制和监测的优势。

 
图4：具有遥测功能的隔离式开关控制器LTM9100
 
如前所述，良好的热控制对于可靠性至关重要，LTC3815具有两级热阈值和两级响应。当内部芯片温度超过150°C时，PMBus就会收到过热状态标志，ALERT引脚拉低以提醒PMBus主机。如果温度继续升高并超过170°C，LTC3815将关闭所有电路，包括输出调节，直到温度过高状态消失。
 
这种能够报告状态的系统为从基于时间的维护计划转向基于状态的维护提供了机会，并且能够在系统故障状态既遂之前突出显示性能降级。
 
隔离系统
 
高可靠性电源系统常常包括隔离屏障，用以保护电源总线免受下游线路可更换单元中的故障的影响。越来越多的传感器和执行器也推动了对更小局部隔离电源和数据接口的增加需求，以减少接地回路和共模干扰引起的噪声相关问题。现在有完整的电气隔离BGA模块解决方案可简化设计并提高可靠性。LTM9100隔离式开关控制器是一款一体化解决方案，适用于控制、保护和监控高达1000VDC的高压电源。5kVRMS电气隔离栅将数字接口与开关控制器分开，驱动外部N沟道MOSFET或IGBT开关。对负载电流、总线电压和温度的隔离式数字测量结果通过I2C/SMBus接口访问，实现对高压总线的功率和电能监控。
 
器件选择
 
本文大部分内容都是讨论简化高可靠性电源设计的新功能，或是保护器件免受故障或不当处理影响的产品特性。然而，同样关键的是不能忽视器件质量以及针对预期环境条件选择正确等级器件的重要性。例如，ADI公司军用塑料级100%经过测试，在-55°C至+125°C的温度范围内保证性能；对于预期环境非常恶劣的应用电路，无需付出高昂成本对器件进行重新筛选或特性测试。
 
结论
 
用户可编程特性、更复杂的片内保护机制和更高的集成度，使高可靠性电源设计得以简化，整体解决方案尺寸得以缩小。数字电源系统管理提供了远程监测和控制电源系统，以及进一步提高效率和可靠性的手段。最后，从信誉良好的供应商选择正确等级的器件将会降低出现质量和可靠性问题的几率。

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