DC/DC降壓型μModule穩(wěn)壓器可抵御負載過壓風險

標稱值為24V~28V的中間總線電壓在工業(yè)、航空航天和國防系統(tǒng)中很常見，其中串聯(lián)電池可能是備用電源，而12V總線架構由于配電損耗而往往不切實際。系統(tǒng)總線和數(shù)字處理器電源輸入之間的電壓差距不斷擴大，這帶來了與供電、安全性和解決方案尺寸相關的設計挑戰(zhàn)。

如果在負載點使用單級非隔離降壓型 DC/DC 轉換器，則必須以極其精確的 PFM/PWM 時序運行。輸入浪涌事件會給 DC/DC 轉換器帶來壓力，從而給負載帶來過壓風險。制造過程中引入的錯誤或假冒電容器可能會導致輸出電壓偏移超過負載額定值，從而導致FPGA、ASIC或微處理器點燃。根據(jù)損壞的程度，可能很難找到根本原因。

過壓風險緩解計劃對于防止客戶不滿是絕對必要的。涉及保險絲的傳統(tǒng)過壓保護方案不一定足夠快，也不夠可靠，無法保護現(xiàn)代FPGA、ASIC和微處理器，特別是當上游電壓軌標稱值為24V或28V時。在 POL DC/DC 進行主動保護是必要的。LTM4641 是一款 38V 額定值、10A DC/DC 降壓型 μModule 穩(wěn)壓器，可抵御許多故障（包括輸出過壓）并從中恢復。

精確開關穩(wěn)壓器時序的重要性隨著輸入電壓和浪涌的增加而增加

當輸入和輸出電壓之間存在寬差時，開關DC/DC穩(wěn)壓器的效率遠高于線性穩(wěn)壓器。為了實現(xiàn)小尺寸的解決方案，非隔離式降壓轉換器是首選，其工作頻率足夠高，以縮小其功率磁性元件和濾波電容器的尺寸要求。

然而，在高降壓比應用中，DC/DC開關轉換器必須在低至3%的占空比下工作，這需要精確的PWM/PFM時序。此外，數(shù)字處理器需要嚴格的電壓調節(jié)，并且需要快速瞬態(tài)響應以將電壓保持在安全范圍內。在相對較高的輸入電壓下，DC/DC 穩(wěn)壓器頂部開關的導通時間誤差幅度減小。

航空航天和國防應用中經常出現(xiàn)的總線電壓浪涌不僅對DC/DC轉換器構成危險，而且對負載構成危險。DC/DC轉換器的額定值必須通過快速控制環(huán)路通過過壓浪涌進行調節(jié)，以實現(xiàn)足夠的線路抑制。

如果 DC/DC 轉換器無法調節(jié)或承受總線浪涌，則會向負載提供過壓。由于負載的旁路電容會隨著使用年限和溫度而退化，因此也可能引入過壓故障，這會導致最終產品使用壽命期間瞬態(tài)負載響應松散。如果電容器的退化超出了控制環(huán)路設計的限制，則負載可以通過兩種可能的機制承受過壓：

首先，即使控制環(huán)路保持穩(wěn)定，重瞬態(tài)負載階躍事件也會顯示出比設計開始時預期的更高的電壓偏移。

其次，如果控制環(huán)路變得有條件地穩(wěn)定（或者更糟糕的是，不穩(wěn)定），輸出電壓可能會振蕩，峰值超過可接受的限值。當使用不正確的介電材料或假冒組件進入制造流程時，電容器也會意外或過早退化。

廉價的假冒組件帶來昂貴的頭痛

灰色市場或黑市假冒組件可能很誘人，但它們不符合正品的標準（例如，它們可能被回收、從電子廢物中回收或用劣質材料制成）。當假冒產品出現(xiàn)故障時，短期節(jié)省成為巨大的長期開支。

例如，假冒電容器可能會以多種方式失效。假冒的鉭電容器被認為具有正反饋機制的內部自發(fā)熱，達到熱失控的程度。假冒陶瓷電容器可能包含受損或劣質的介電材料，導致電容隨著年齡的增長或工作溫度升高而加速損失。當電容器發(fā)生災難性故障或值下降以引起控制環(huán)路不穩(wěn)定時，電壓波形的幅度可能比最初設計的要大得多，從而危及負載。

不幸的是，對于該行業(yè)來說，假冒組件越來越多地進入供應鏈和電子制造流程，即使在最敏感和安全的應用中也是如此。2012 年 3 月公開發(fā)布的美國參議院軍事委員會 （SASC） 報告發(fā)現(xiàn)，軍用飛機和武器系統(tǒng)中普遍存在假冒電子元件，這些電子元件可能危及其性能和可靠性，這些系統(tǒng)由國防工業(yè)的頂級承包商建造。再加上此類系統(tǒng)中電子元件數(shù)量的增加（新型聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機中的500，<>多個集成電路），假冒元件帶來了不容忽視的系統(tǒng)性能和可靠性風險。

風險緩解規(guī)劃

任何風險緩解計劃都應考慮系統(tǒng)如何響應過壓情況并從中恢復。過壓故障引起的冒煙或火災的可能性是否可以接受？確定根本原因和實施糾正措施的努力是否會因過壓故障造成的損壞而受到阻礙？如果本地運營商要重啟（重新啟動）受感染的系統(tǒng)，是否會對系統(tǒng)造成更大的損害，從而進一步阻礙恢復工作？確定故障原因并恢復系統(tǒng)正常運行所需的過程和時間是什么？

傳統(tǒng)保護電路的不足

傳統(tǒng)的過壓保護方案由保險絲、可控硅整流器 （SCR） 和齊納二極管組成（圖 1）。如果輸入電源電壓超過齊納擊穿電壓，SCR 將激活，吸收足夠的電流來熔斷上游保險絲。

圖1.傳統(tǒng)的過壓保護電路由保險絲、可控硅和齊納二極管組成。雖然價格低廉，但該電路的響應時間不足以可靠地保護最新的數(shù)字電路，特別是當上游電源軌是中間電壓總線時。此外，從過壓故障中恢復是侵入性的，而且非常耗時。

這種簡單的電路相對簡單且便宜，但這種方法存在缺點：

齊納二極管擊穿電壓、SCR 柵極觸發(fā)閾值和熔斷保險絲所需電流的變化會導致響應時間不一致。保護可能接合得太晚，無法防止危險電壓到達負載。

從故障中恢復所需的工作量很大，涉及物理維修保險絲和重新啟動系統(tǒng)。

如果考慮的電壓軌為數(shù)字內核供電，則SCR的保護能力有限，因為高電流下的正向壓降與最新數(shù)字處理器的內核電壓相當或更高。

由于這些缺點，傳統(tǒng)的過壓保護方案不適用于高壓到低壓DC/DC轉換，為ASIC或FPGA等負載供電，這些負載的價值可能高達數(shù)百甚至數(shù)千美元。

結合電源和故障保護，實現(xiàn)快速可靠的反應和恢復

更好的解決方案是準確檢測即將發(fā)生的過壓情況，并通過快速斷開輸入電源，同時以低阻抗路徑在負載上釋放過電壓來做出響應。這可通過 LTM4641 中的保護功能實現(xiàn)。

該器件的核心是一個額定電壓為 38V 的 10A 降壓型穩(wěn)壓器，其電感器、控制 IC、電源開關和補償全部集成在一個表面貼裝封裝中。它還包括廣泛的監(jiān)控和保護電路，以保護高價值負載，如ASIC、FPGA和微處理器。LTM4641 針對輸入欠壓、輸入過壓、過熱以及輸出過壓和過流情況保持恒定的監(jiān)視，并采取適當?shù)拇胧﹣肀Ｗo負載。

為避免錯誤或過早執(zhí)行保護功能，這些監(jiān)控參數(shù)中的每一個都具有內置的毛刺抗擾度和用戶可調的觸發(fā)閾值，但過流保護除外，過流保護通過電流模式控制逐周期可靠地實現(xiàn)。在輸出過壓情況下，LTM4641 在故障檢測后的 500ns 內做出反應（圖 2）。

圖2.LTM4641 可在 500ns 內響應一個過壓情況，從而保護負載免受電壓應力的影響。

LTM4641 響應靈活、可靠，以保護下游器件，而且與基于保險絲的解決方案不同，它可以在故障條件消退后自動復位和重新布防。LTM4641 采用一個內部差分檢測放大器來調節(jié)負載電源端子處的電壓，從而最大限度地減小了 LTM4641 和負載之間的共模噪聲和 PCB 走線壓降引起的誤差。負載上的直流電壓在整個線路、負載和溫度范圍內調節(jié)精度優(yōu)于 ±1.5%。這種準確的輸出電壓測量結果還饋送到快速輸出過壓比較器，從而觸發(fā) LTM4641 的保護功能。

當檢測到過壓情況時，μModule穩(wěn)壓器會快速啟動多個同時動作過程。一個外部MOSFET（圖3中的MSP）斷開輸入電源，從而消除了穩(wěn)壓器和高值負載的高壓路徑。另一個外部MOSFET（圖3中的MCB）實現(xiàn)了低阻抗撬棍功能，可快速放電負載的旁路電容（C外在圖 3 中）。LTM4641 的內置 DC/DC 降壓型穩(wěn)壓器進入閉鎖停機狀態(tài)，并發(fā)出一個由 HYST 引腳指示的故障信號，系統(tǒng)可使用該信號來啟動一個管理良好的停機序列和/或系統(tǒng)復位。獨立于控制環(huán)路基準電壓的專用基準電壓用于檢測故障條件。這提供了針對單點故障的彈性，以防控制環(huán)路的基準發(fā)生故障。

圖3.LTM4641 輸出過壓保護計劃。探頭圖標對應于圖2中的波形。

LTM4641 的保護功能得到了其故障恢復選項的支持。在傳統(tǒng)的過壓保險絲/SCR保護方案中，依靠保險絲將電源與高值負載分開。從熔斷故障中恢復需要人為干預 - 有人可以物理訪問保險絲以卸下和更換保險絲 - 對于正常運行時間長或遠程系統(tǒng)，在故障恢復中引入了不可接受的延遲。相反，LTM4641 可在故障條件清除后恢復正常工作，方法是撥動一個邏輯電平控制引腳或將 LTM4641 配置為在指定的超時周期之后自主重啟。如果在 LTM4641 恢復操作后故障情況再次出現(xiàn)，則上述保護將立即重新接合以保護負載。

輸入浪涌保護

在某些情況下，僅靠輸出過壓保護是不夠的，需要輸入過壓保護。LTM4641 的保護電路能夠監(jiān)視輸入電壓，并在超過用戶配置的電壓門限時激活其保護功能。如果預期的最大輸入電壓超過模塊的 38V 額定值，則輸入浪涌保護可擴展至 80V，而 LTM4641 仍可完全運行，方法是增加一個外部高壓 LDO 以保持控制和保護電路正常工作（圖 4）。

圖4.高達 80V 的輸入浪涌保護 （采用 LTM4641） 和一個外部 LDO。

結論

任務關鍵型電子產品越來越多地將 12V–28V 范圍內的分布式電源總線與低壓高性能數(shù)字 IC 混合在一起。降低風險變得比以往任何時候都更加重要，特別是當電源總線容易受到電壓浪涌的影響時。最新、昂貴的FPGA、ASIC和微處理器要求的電源電壓絕對最大限值低至標稱電壓的3%–10%，這使得它們極易受到損壞，甚至因過壓故障而著火。開關穩(wěn)壓器中的時序錯誤、輸入電壓浪涌或制造過程中引入的組件不當可能導致故障。

任務關鍵型系統(tǒng)中的過壓保護必須快速、準確和一致，其水平超出了傳統(tǒng)的基于SCR/保險絲的方案的能力。LTM4641 在一個表面貼裝型封裝中集成了一個高效的 10A DC/DC 降壓型穩(wěn)壓器和一個快速、準確的輸出過壓保護電路，以滿足苛刻的系統(tǒng)要求。

審核編輯：郭婷