如果我們?cè)谝粋�(gè)完美的世界上，那么高可靠性系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)計(jì)成能夠避免單點(diǎn)故障，提供隔離故障的方法，以使系統(tǒng)在發(fā)生故障時(shí)能夠繼續(xù)運(yùn)行，當(dāng)然也許性能所有下降。這種系統(tǒng)還應(yīng)該能夠防止故障蔓延，避免故障傳遞到下游或上游電子組件，并向管理系統(tǒng)報(bào)告診斷信息。

部署冗余系統(tǒng)

一種常見的方法是提供內(nèi)置冗余，采用主動(dòng)共享負(fù)載的并聯(lián)電路形式或以備用方式應(yīng)對(duì)故障發(fā)生。故障檢測(cè)和管理需要額外的電路開銷，以判斷優(yōu)先使用哪個(gè)電源，并監(jiān)視每個(gè)電源的狀態(tài)。此外，內(nèi)置必須在電源切換時(shí)，保護(hù)系統(tǒng)免受交叉?zhèn)鲗?dǎo)和反饋影響。LTC4417 等產(chǎn)品提供了一種具備這些功能的單芯片解決方案，可驗(yàn)證用戶針對(duì)每個(gè)輸入定義的電源門限，并基于驗(yàn)證結(jié)果自動(dòng)選擇電源。

另一種方法是在兩個(gè)同時(shí)運(yùn)行的輸入電源之間共享負(fù)載，這減輕了每個(gè)電源的負(fù)擔(dān)，同時(shí)如果每個(gè)電源的規(guī)格設(shè)定得當(dāng)以滿足滿負(fù)載要求，那么還可在一個(gè)電源發(fā)生故障時(shí)提供保護(hù)，這些都提高了可靠性。過去也許會(huì)采用一種簡(jiǎn)單但低效率的二極管 “合路”，但是這種電路要求每個(gè)電源提供有源控制以平衡負(fù)載。圖 1 顯示了現(xiàn)在怎樣用單芯片解決方案來實(shí)現(xiàn)。LTC4370 是一款均流控制器，具備反向隔離，可防止一個(gè)電源發(fā)生故障導(dǎo)致整個(gè)電源系統(tǒng)崩潰。

圖 1：LTC4370 冗余電源共享電路

備份電源電路

高可靠性應(yīng)用的電源常常規(guī)定電源軌的最短保持時(shí)間，以便系統(tǒng)能夠 “穿越” 供電中斷，保持正常工作。隨著 LTC3355 等新產(chǎn)品的出現(xiàn)，備份系統(tǒng)的設(shè)計(jì)得到了極大簡(jiǎn)化，該器件在單芯片中提供了一個(gè)完整的 1A DC/DC 開關(guān)穩(wěn)壓器和備份系統(tǒng)。

LTC3355 集成了 4 種主要功能：

·異步 1A DC/DC 降壓型轉(zhuǎn)換器，適用于在 3V 至 20V 輸入范圍內(nèi)工作的主電源。

·可編程 1A 恒定電流 / 恒定電壓線性充電器由 VOUT 供電，為單個(gè)超級(jí)電容器、電介質(zhì)電容器或鎳氫金屬電池充電。熱調(diào)節(jié)環(huán)路最大限度提高充電電流，同時(shí)將芯片溫度限制到 110 °C。

·當(dāng) VIN 電源降至低于可編程輸入門限時(shí)，恒定頻率異步電流模式 5A 升壓型開關(guān)穩(wěn)壓器從超級(jí)電容器向 VOUT 供電。該穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)為電容器電壓低至 0.5V 時(shí)依然正常工作，以盡可能延長(zhǎng)備份電源工作時(shí)間。

·在電源發(fā)生故障時(shí)，無損耗 “合路” 功能實(shí)現(xiàn)從降壓模式到升壓模式的無縫切換。

圖 2：LTC3355 DC/DC 穩(wěn)壓器和備份系統(tǒng) IC

熱量管理和安全功能

隨著系統(tǒng)密度和功率不斷上升，熱量管理變得越來越富有挑戰(zhàn)性，這對(duì) IC 的可靠性產(chǎn)生了直接影響，因?yàn)榻Y(jié)溫每升高 10°C，IC 的壽命就縮短一半左右�，F(xiàn)在，功能豐富的最新電源 IC 和專用電源管理功能對(duì) IC 本身及其周圍系統(tǒng)提供了更強(qiáng)的保護(hù)。

大部分采用內(nèi)部功率晶體管的電源穩(wěn)壓器 IC 都采用了過熱保護(hù)措施。典型的過熱停機(jī)大約在 155°C 至 165°C 時(shí)觸發(fā)，觸發(fā)后器件被禁止工作，直到溫度下降大約 10°C 為止。有些新產(chǎn)品提供芯片溫度輸出，用戶能夠設(shè)定 3 種芯片溫度門限之一。

其他常見安全功能包括提供電池反向保護(hù)、限流和電流反向保護(hù)的內(nèi)部保護(hù)電路。故障保護(hù)開關(guān)及線性穩(wěn)壓器LT3667 等新產(chǎn)品包括這些功能，并為每路輸出增加了準(zhǔn)確的用戶可編程電流限制，以進(jìn)一步簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。

瞬態(tài)保護(hù)

軍用和航天電子產(chǎn)品必須符合 MIL-STD-1275 (車輛) 和 MIL-STD-704 / DO-160 (飛機(jī)) 瞬態(tài)保護(hù)規(guī)范要求。不過，任何高可靠性系統(tǒng)都希望提供防止電壓浪涌、尖峰及紋波影響的保護(hù)功能，而且已有專門提供這類功能的產(chǎn)品。盡管現(xiàn)在由于芯片工藝技術(shù)的進(jìn)步，穩(wěn)壓器 IC 能夠以 100V 或更高的輸入電壓工作，但是專用瞬態(tài)保護(hù) IC 提供更多功能和更強(qiáng)的控制能力。在圖 3 中，LTC4364 提供 27V 箝位輸出 (用戶可編程)，以保護(hù)下游穩(wěn)壓器免受瞬態(tài)影響，并在輸入短路或斷接 / 復(fù)位時(shí)保持輸出不變。

圖 3：瞬態(tài)保護(hù)和輸出保持

數(shù)字電源系統(tǒng)管理

一些新產(chǎn)品正在通過基于兩線 PMBus I2C 的數(shù)字接口協(xié)議整合模擬電源調(diào)節(jié)與數(shù)字控制的優(yōu)勢(shì)，以實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)的遠(yuǎn)端管理。遙測(cè)和診斷數(shù)據(jù)可用來監(jiān)視負(fù)載狀態(tài)，還可以讀取故障日志信息并存取數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確度為 ±0.25% 的微調(diào)和裕度控制，這可最大限度提高系統(tǒng)效率和可靠性。這類系統(tǒng)為從基于時(shí)間的維護(hù)計(jì)劃轉(zhuǎn)變到基于狀態(tài)的維護(hù)計(jì)劃提供了機(jī)會(huì)，有可能在系統(tǒng)故障不可逆轉(zhuǎn)之前，凸顯性能下降問題。

圖 4：數(shù)字電源系統(tǒng)管理

結(jié)論

用戶可編程功能、更加精密的內(nèi)置保護(hù)機(jī)制以及系統(tǒng)級(jí) IC 簡(jiǎn)化了高可靠性電源設(shè)計(jì)，這類 IC 在單個(gè)封裝中集成了所需功能。數(shù)字電源系統(tǒng)管理為遠(yuǎn)端監(jiān)視和控制電源系統(tǒng)提供了方便，進(jìn)一步提高了效率和可靠性。