高可靠性系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括使用容錯(cuò)設(shè)計(jì)技術(shù)，選擇合適的器件以滿足預(yù)期環(huán)境條件，以及符合標(biāo)準(zhǔn)。本文主要討論用于實(shí)現(xiàn)高可靠性電源的半導(dǎo)體解決方案，包括冗余、電路保護(hù)和遠(yuǎn)程系統(tǒng)管理。本文將重點(diǎn)說明半導(dǎo)體技術(shù)的改善和新的安全特性如何簡化設(shè)計(jì)并增強(qiáng)器件可靠性。
作者：Steve Munns，ADI公司軍事/航空市場(chǎng)營銷經(jīng)理
高可靠性電源系統(tǒng)的要求
在理想世界中，高可靠性系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)計(jì)成避免單點(diǎn)故障，并提供一種隔離故障的手段，使得操作可以繼續(xù)(性能水平或許降低)。它還應(yīng)該能夠遏制故障，避免其傳播到下游或上游電子設(shè)備。
一種解決方案是內(nèi)置冗余——可以是主動(dòng)分擔(dān)負(fù)載的并聯(lián)電路，或者是在待機(jī)狀態(tài)下等待，直到發(fā)生故障才起作用的電路。每種情況下，故障檢測(cè)和管理都需要額外的電路開銷，致使整體復(fù)雜性和成本增加。有些系統(tǒng)還會(huì)創(chuàng)建不同的并聯(lián)電路以增加多樣性，避免故障機(jī)制相同帶來的風(fēng)險(xiǎn);一些飛機(jī)的飛行控制系統(tǒng)就是如此。
增加系統(tǒng)復(fù)雜性會(huì)給電源性能帶來更大負(fù)擔(dān)，因此高轉(zhuǎn)換效率和良好的熱管理至關(guān)重要，要知道結(jié)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(xiàn)在可為IC本身及周圍系統(tǒng)提供更好的保護(hù)。
電源調(diào)節(jié)器安全特性
電壓調(diào)節(jié)器的限流方式越來越精確和復(fù)雜，可避免過多輸出電流損壞器件本身或下游器件。內(nèi)部保護(hù)電路也很常見，包括電池反接保護(hù)、限流、熱限制和反向電流保護(hù)。
在工藝技術(shù)和安全特性兩方面均有改進(jìn)的一個(gè)實(shí)例是LTC7801 DC/DC開關(guān)控制器，它能安全地承受高達(dá)150V的輸入電壓，并實(shí)現(xiàn)了一種保護(hù)特性——當(dāng)輸入電壓升至可編程工作范圍以上時(shí)，它會(huì)禁止開關(guān)動(dòng)作。此功能簡化了輸入電源瞬態(tài)保護(hù)電路，縮減了元件數(shù)量和解決方案尺寸。輸出也受到過壓比較器的良好保護(hù)，該比較器可防止電壓過沖，同時(shí)還有一個(gè)折返式限流器，它能在過流和短路故障期間控制功耗。
通過提供引腳間距很寬的封裝選項(xiàng)，避免相鄰高壓和低壓引腳之間產(chǎn)生電弧的危險(xiǎn)，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(jī)應(yīng)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(xiàng)。
某些產(chǎn)品(如容錯(cuò)型線性穩(wěn)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(wěn)壓值。
圖1：LTC7801高壓降壓型DC/DC控制器
控制多個(gè)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(tǒng)，需要一個(gè)系統(tǒng)來決定哪個(gè)電源優(yōu)先并監(jiān)控其狀態(tài)。此外，在電源切換期間，它必須防止系統(tǒng)交叉導(dǎo)通和反饋。LTC4417等單芯片IC提供了一種解決方案，它可以驗(yàn)證用戶為每路輸入定義的電源閾值，從而自動(dòng)選擇電源。
另一種辦法是在兩個(gè)同時(shí)工作的輸入源之間分擔(dān)負(fù)載，通過減少每個(gè)電源的負(fù)擔(dān)來提高可靠性，同時(shí)提供保護(hù)，其中一個(gè)電源發(fā)生故障也不會(huì)受影響——如果每個(gè)電源的大小合適，足以支持滿負(fù)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(gè)電源都能主動(dòng)控制以平衡負(fù)載。圖2顯示了現(xiàn)在如何利用單芯片解決方案來達(dá)成目標(biāo)。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(gè)電源系統(tǒng)。
圖2：LTC4370雙冗余電源均流
瞬態(tài)和電路保護(hù)
軍用和航空電子必須符合瞬態(tài)保護(hù)規(guī)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(tǒng)都需要防范電壓浪涌、尖峰和紋波，而有些產(chǎn)品就專門提供該功能，比如LT4364。
圖3：具有保護(hù)功能的雙向斷路器LTC4368
還有各種各樣的電路保護(hù)功能可供選擇，包括LTC4368之類的產(chǎn)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(fù)電壓時(shí)，以及正向和反向發(fā)生過流故障時(shí)提供保護(hù)。
通過這些實(shí)例，我們可以了解到具有越來越復(fù)雜的保護(hù)和安全特性的新產(chǎn)品如何簡化應(yīng)用電路設(shè)計(jì)并減小解決方案尺寸。
數(shù)字電源系統(tǒng)管理
新產(chǎn)品既有模擬功率調(diào)節(jié)的優(yōu)勢(shì)，又有通過基于I2C的PMBus接口進(jìn)行數(shù)字控制的優(yōu)勢(shì)，支持遠(yuǎn)程管理電源系統(tǒng)。遙測(cè)和診斷數(shù)據(jù)可用來監(jiān)控負(fù)載狀況，讀取芯片溫度，并以非常高的精度執(zhí)行微調(diào)和裕量調(diào)節(jié)，從而最大限度地提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、效率和可靠性。關(guān)于數(shù)字電源管理，有一個(gè)擔(dān)憂是軟件太復(fù)雜，但LTC3815實(shí)現(xiàn)了簡化的PMBus“Lite”命令集，沒有片內(nèi)非易失性存儲(chǔ)器或微控制器，因而在簡化設(shè)計(jì)的同時(shí)提供數(shù)字控制和監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)。
圖4：具有遙測(cè)功能的隔離式開關(guān)控制器LTM9100
如前所述，良好的熱控制對(duì)于可靠性至關(guān)重要，LTC3815具有兩級(jí)熱閾值和兩級(jí)響應(yīng)。當(dāng)內(nèi)部芯片溫度超過150°C時(shí)，PMBus就會(huì)收到過熱狀態(tài)標(biāo)志，alert引腳拉低以提醒PMBus主機(jī)。如果溫度繼續(xù)升高并超過170°C，LTC3815將關(guān)閉所有電路，包括輸出調(diào)節(jié)，直到溫度過高狀態(tài)消失。
這種能夠報(bào)告狀態(tài)的系統(tǒng)為從基于時(shí)間的維護(hù)計(jì)劃轉(zhuǎn)向基于狀態(tài)的維護(hù)提供了機(jī)會(huì)，并且能夠在系統(tǒng)故障狀態(tài)既遂之前突出顯示性能降級(jí)。
隔離系統(tǒng)
高可靠性電源系統(tǒng)常常包括隔離屏障，用以保護(hù)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(zhí)行器也推動(dòng)了對(duì)更小局部隔離電源和數(shù)據(jù)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(guān)問題。現(xiàn)在有完整的電氣隔離BGA模塊解決方案可簡化設(shè)計(jì)并提高可靠性。LTM9100隔離式開關(guān)控制器是一款一體化解決方案，適用于控制、保護(hù)和監(jiān)控高達(dá)1000VDC的高壓電源。5kVRMS電氣隔離柵將數(shù)字接口與開關(guān)控制器分開，驅(qū)動(dòng)外部N溝道MOSFET或IGBT開關(guān)。對(duì)負(fù)載電流、總線電壓和溫度的隔離式數(shù)字測(cè)量結(jié)果通過I2C/SMBus接口訪問，實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓總線的功率和電能監(jiān)控。
器件選擇
本文大部分內(nèi)容都是討論簡化高可靠性電源設(shè)計(jì)的新功能，或是保護(hù)器件免受故障或不當(dāng)處理影響的產(chǎn)品特性。然而，同樣關(guān)鍵的是不能忽視器件質(zhì)量以及針對(duì)預(yù)期環(huán)境條件選擇正確等級(jí)器件的重要性。例如，ADI公司軍用塑料級(jí)100%經(jīng)過測(cè)試，在-55°C至+125°C的溫度范圍內(nèi)保證性能;對(duì)于預(yù)期環(huán)境非常惡劣的應(yīng)用電路，無需付出高昂成本對(duì)器件進(jìn)行重新篩選或特性測(cè)試。
結(jié)論
用戶可編程特性、更復(fù)雜的片內(nèi)保護(hù)機(jī)制和更高的集成度，使高可靠性電源設(shè)計(jì)得以簡化，整體解決方案尺寸得以縮小。數(shù)字電源系統(tǒng)管理提供了遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制電源系統(tǒng)，以及進(jìn)一步提高效率和可靠性的手段。最后，從信譽(yù)良好的供應(yīng)商選擇正確等級(jí)的器件將會(huì)降低出現(xiàn)質(zhì)量和可靠性問題的幾率。
