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集成電路為高可靠性電源提供增強的保護和改進的安全特性

2021年04月29日 11:42 ? 次閱讀

高可靠性系統的設計包括使用容錯設計技術,選擇合適的器件以滿足預期環境條件,以及符合標準。本文主要討論用于實現高可靠性電源的半導體解決方案,包括冗余、電路保護和遠程系統管理。本文將重點說明半導體技術的改善和新的安全特性如何簡化設計并增強器件可靠性。

作者:Steve Munns,ADI公司軍事/航空市場營銷經理

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——可以是主動分擔負載的并聯電路,或者是在待機狀態下等待,直到發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銷,致使整體復雜性和成本增加。有些系統還會創建不同的并聯電路以增加多樣性,避免故障機制相同帶來的風險;一些飛機的飛行控制系統就是如此。

增加系統復雜性會給電源性能帶來更大負擔,因此高轉換效率和良好的熱管理至關重要,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和專用電源管理功能現在可為IC本身及周圍系統提供更好的保護。

電源調節器安全特性

電壓調節器的限流方式越來越精確和復雜,可避免過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,包括電池反接保護、限流、熱限制和反向電流保護。

通過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。

某些產品(如容錯型線性穩壓器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,需要一個系統來決定哪個電源優先并監控其狀態。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,它可以驗證用戶為每路輸入定義的電源閾值,從而自動選擇電源。

另一種辦法是在兩個同時工作的輸入源之間分擔負載,通過減少每個電源的負擔來提高可靠性,同時提供保護,其中一個電源發生故障也不會受影響——如果每個電源的大小合適,足以支持滿負載需求。過去可能采用簡單但低效率的二極管“或”裝置,但它要求每個電源都能主動控制以平衡負載。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電源系統。

圖2:LTC4370雙冗余電源均流

瞬態和電路保護

軍用和航空電子必須符合瞬態保護規范,例如MIL-STD-1275(車輛)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,而有些產品就專門提供該功能,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之類的產品。LTC4368是一款100V雙向斷路器,可在電源電壓過高、過低甚至為負電壓時,以及正向和反向發生過流故障時提供保護。

通過這些實例,我們可以了解到具有越來越復雜的保護和安全特性的新產品如何簡化應用電路設計并減小解決方案尺寸。

數字電源系統管理

新產品既有模擬功率調節的優勢,又有通過基于I2C的PMBus接口進行數字控制的優勢,支持遠程管理電源系統。遙測和診斷數據可用來監控負載狀況,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。關于數字電源管理,有一個擔憂是軟件太復雜,但LTC3815實現了簡化的PMBus“Lite”命令集,沒有片內非易失性存儲器或微控制器,因而在簡化設計的同時提供數字控制和監測的優勢。

圖4:具有遙測功能的隔離式開關控制器LTM9100

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

這種能夠報告狀態的系統為從基于時間的維護計劃轉向基于狀態的維護提供了機會,并且能夠在系統故障狀態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,用以保護電源總線免受下游線路可更換單元中的故障的影響。越來越多的傳感器和執行器也推動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問題?,F在有完整的電氣隔離BGA模塊解決方案可簡化設計并提高可靠性。LTM9100隔離式開關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關控制器分開,驅動外部N溝道MOSFETIGBT開關。對負載電流、總線電壓和溫度的隔離式數字測量結果通過I2C/SMBus接口訪問,實現對高壓總線的功率和電能監控。

器件選擇

本文大部分內容都是討論簡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品特性。然而,同樣關鍵的是不能忽視器件質量以及針對預期環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%經過測試,在-55°C至+125°C的溫度范圍內保證性能;對于預期環境非常惡劣的應用電路,無需付出高昂成本對器件進行重新篩選或特性測試。

結論

用戶可編程特性、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,以及進一步提高效率和可靠性的手段。最后,從信譽良好的供應商選擇正確等級的器件將會降低出現質量和可靠性問題的幾率。

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