實(shí)現(xiàn)高可靠性電源的半導(dǎo)體解決方案

高可靠性系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括使用容錯(cuò)設(shè)計(jì)方法和選擇適合的組件，以滿足預(yù)期環(huán)境條件并符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

本文專(zhuān)門(mén)探討實(shí)現(xiàn)高可靠性電源的半導(dǎo)體解決方案，這類(lèi)電源提供冗余、電路保護(hù)和遠(yuǎn)程系統(tǒng)管理。本文將突出顯示，半導(dǎo)體技術(shù)的改進(jìn)和新的安全功能怎樣簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，并提高了組件的可靠性。

高可靠性電源系統(tǒng)的要求

在理想的世界里，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平上) 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電子組件。

內(nèi)置冗余是一種解決方案，這可以采用并聯(lián)電路以主動(dòng)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)置冗余方式中，實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)和管理都需要額外的電路開(kāi)銷(xiāo)，這提高了總的復(fù)雜性和成本。有些系統(tǒng)還建立了不同的并聯(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)就是這么做的。

提高系統(tǒng)復(fù)雜性給電源性能造成了更大負(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Y(jié)溫每上升 10°C，IC 壽命大約減少一半。正如我們將看到的那樣，現(xiàn)在新功能豐富的電源 IC 和專(zhuān)用電源管理功能增強(qiáng)了對(duì) IC 本身及其周?chē)到y(tǒng)的保護(hù)。

電源穩(wěn)壓器的安全功能

電壓穩(wěn)壓器的電流限制越來(lái)越準(zhǔn)確，形式也越來(lái)越復(fù)雜，以避免過(guò)大的輸出電流損壞器件本身或下游組件。內(nèi)部保護(hù)電路也相當(dāng)常見(jiàn)，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(kāi)關(guān)控制器就是一個(gè)改進(jìn)了工藝技術(shù)和安全功能的產(chǎn)品實(shí)例。該器件可安全地承受高達(dá) 150V 的輸入電壓，并提供一種保護(hù)功能，以在輸入電壓上升至高于可編程工作范圍時(shí)，禁止切換。這種功能簡(jiǎn)化了輸入電源瞬態(tài)保護(hù)電路，減少了組件數(shù)并縮減解決方案尺寸。運(yùn)用針對(duì)電壓過(guò)沖提供保護(hù)的過(guò)壓比較器，也可以很好地保護(hù)輸出，同時(shí)折返電流限制器在過(guò)流和短路故障情況下可控制功耗。

圖 1：LTC7801 高壓降壓型 DC/DC 控制器

寬引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，通過(guò)提供這樣的封裝選擇，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，該器件提供與 LTC7801 相同的功能和性能，但是提供具 0.68mm 雙倍引腳間隔的封裝選擇。另外，還可采用一些具有符合所謂 FMEA (失效模式和影響分析) 標(biāo)準(zhǔn)之引出腳配置的產(chǎn)品，比如容錯(cuò)型 LT3007 線性穩(wěn)壓器，在此類(lèi)引出腳配置中，如果相鄰的引腳短接在一起或某個(gè)引腳被浮置，則輸出維持在或低于調(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)冗余備份電源同時(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)并監(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 等單芯片 IC 提供一種解決方案，即針對(duì)每個(gè)輸入驗(yàn)證用戶定義的電源門(mén)限，依此自動(dòng)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，從而通過(guò)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(guò)適當(dāng)調(diào)整，能夠支持滿負(fù)載需求，那么這種方法同時(shí)還能在一個(gè)電源發(fā)生故障時(shí)提供保護(hù)。過(guò)去，可能一直采用簡(jiǎn)單但效率低的二極管“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)在怎樣才能用單個(gè)芯片解決方案來(lái)實(shí)現(xiàn)這種控制。LTC4370 是一款均流控制器，具反向隔離，防止一個(gè)電源發(fā)生故障導(dǎo)致整個(gè)電源系統(tǒng)宕機(jī)。

圖 2：LTC4370 雙冗余電源均分

瞬態(tài)和電路保護(hù)

軍用和航空電子產(chǎn)品必須符合瞬態(tài)保護(hù)規(guī)范，例如MIL-STD-1275 (車(chē)輛) 和 MIL-STD-704/DO-16 (飛機(jī))。不過(guò)，人們希望任何高可靠性系統(tǒng)都針對(duì)電壓浪涌、尖峰和紋波提供保護(hù)，有些產(chǎn)品專(zhuān)門(mén)提供這種保護(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(lèi)產(chǎn)品。LTC4368 是一款 100V 雙向電路斷路器，針對(duì)電源電壓過(guò)高、過(guò)低甚至為負(fù)、以及針對(duì)正向和反向過(guò)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

在這些例子中我們可以觀察到，具日益復(fù)雜的保護(hù)和安全功能的新產(chǎn)品怎樣簡(jiǎn)化了應(yīng)用電路設(shè)計(jì)，并減小了解決方案尺寸。

數(shù)字電源系統(tǒng)管理

模擬電源調(diào)節(jié)有自己的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)基于 I²C 的 PMBus 接口進(jìn)行數(shù)字控制以支持電源系統(tǒng)遠(yuǎn)程管理也有自己的優(yōu)勢(shì)，新型產(chǎn)品正在結(jié)合這兩種優(yōu)勢(shì)。遙測(cè)和診斷數(shù)據(jù)可用來(lái)監(jiān)視負(fù)載情況、讀取芯片溫度并以非常高的準(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)字電源管理的一個(gè)引人關(guān)切問(wèn)題是軟件的復(fù)雜性，然而，LTC3815 執(zhí)行一種簡(jiǎn)化的 PMBus “Lite” 命令集，沒(méi)有片內(nèi)非易失性存儲(chǔ)器或微控制器，它在簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的同時(shí)提供了數(shù)字控制和監(jiān)視的好處。

正如之前提到的那樣，良好的熱量控制對(duì)于可靠性是非常重要的，LTC3815 提供兩級(jí)過(guò)熱門(mén)限和兩級(jí)響應(yīng)。當(dāng)內(nèi)部芯片溫度超過(guò) 150°C 時(shí)，過(guò)熱狀態(tài)被標(biāo)記到 PMBus 上，ALERT 引腳拉低以向 PMBus 主器件發(fā)出警報(bào)。如果溫度繼續(xù)上升并超過(guò) 170°C，那么 LTC3815 就關(guān)斷所有電路，包括輸出調(diào)節(jié)電路，直到過(guò)熱狀態(tài)清除為止。

這類(lèi)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(huì)，即從基于時(shí)間的維護(hù)安排轉(zhuǎn)變到基于狀態(tài)的維護(hù)，并有可能在系統(tǒng)故障形成之前，凸顯性能下降問(wèn)題。

隔離式系統(tǒng)

高可靠性電源系統(tǒng)通常包括一個(gè)隔離勢(shì)壘，以保護(hù)電源總線免遭下游線路可更換單元故障的損壞。另外，不斷增加的傳感器和執(zhí)行器數(shù)目也在推動(dòng)著對(duì)于較小、局部隔離式電源和數(shù)據(jù)接口的需求，旨在減少源自接地環(huán)路和共模干擾的噪聲感應(yīng)問(wèn)題?，F(xiàn)在已經(jīng)有了完整的電流隔離型 BGA 模塊解決方案，以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和提高可靠性。LTM9100 隔離型開(kāi)關(guān)控制器是一款一體化解決方案，用于控制、保護(hù)和監(jiān)視高達(dá) 1000V_DC 的高電壓電源。一個(gè) 5kV_RMS 電氣隔離勢(shì)壘隔離了數(shù)字接口和開(kāi)關(guān)控制器，從而可驅(qū)動(dòng)一個(gè)外部 N 溝道 MOSFET 或 IGBT 開(kāi)關(guān)。通過(guò) I²C/SMBus 接口可對(duì)負(fù)載電流、總線電壓及溫度進(jìn)行隔離式數(shù)字測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)高電壓總線的功率和能耗監(jiān)視。

圖 4：具遙測(cè)功能的 LTM9100 隔離式開(kāi)關(guān)控制器

組件選擇

本文大部分內(nèi)容都專(zhuān)門(mén)用來(lái)探討簡(jiǎn)化高可靠性電源設(shè)計(jì)的新功能，或者針對(duì)故障或粗暴使用情況保護(hù)器件的產(chǎn)品功能。然而，至關(guān)重要的是，不要忽視組件質(zhì)量的重要性以針對(duì)預(yù)期環(huán)境條件選擇正確組件級(jí)別的重要性。例如 ADI 的軍用塑料封裝等級(jí)器件提供了經(jīng)過(guò) 100% 測(cè)試和有保證的性能 (在 -55°C 至 +125°C 溫度范圍內(nèi))，從而免除了對(duì)預(yù)期存在非常嚴(yán)酷條件的應(yīng)用電路中的組件進(jìn)行昂貴二次篩分或特性分析之需。

結(jié)論

憑借用戶可編程特性、更加精細(xì)復(fù)雜的片內(nèi)保護(hù)機(jī)理和縮減了整體解決方案占板面積的更高集成度，已使高可靠性電源的設(shè)計(jì)得以簡(jiǎn)化。數(shù)字電源系統(tǒng)管理提供了方法以遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制電源系統(tǒng)以及進(jìn)一步改善效率和可靠性。最后，選擇一家信譽(yù)良好供應(yīng)商的正確組件等級(jí)將降低發(fā)生質(zhì)量和可靠性問(wèn)題的可能性。