降低從中間總線電壓直接為低電壓處理器和 FPGA 供電的風(fēng)險(xiǎn)

工業(yè)、航天和國防系統(tǒng)通常采用額定 24V~28V 的中間總線電壓，在這些系統(tǒng)中，串聯(lián)電池作為備用電源，但是，由于分配損耗，并不適合采用 12V 總線體系結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)總線和數(shù)字處理器電源輸入之間較大的電壓差在電源分配、安全和解決方案規(guī)模上帶來了設(shè)計(jì)難題。如果使用單級非隔離降壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，那么，必須工作在非常精確的 PFM/PWM 定時(shí)上。輸入浪涌事件對 DC/DC 轉(zhuǎn)換器提出了更嚴(yán)格的要求，對負(fù)載存在另一個(gè)過壓風(fēng)險(xiǎn)。由于制造中導(dǎo)致的錯(cuò)誤或假冒電容，這會使得輸出電壓偏離超出負(fù)載額定范圍，有可能導(dǎo)致 FPGA、ASIC 或者微處理器被燒壞。取決于受損程度，很難確定故障根本原因所在，最終高昂的維修成本、停機(jī)時(shí)間以及對聲譽(yù)的損害都會令人非常沮喪。

因此，應(yīng)該非常仔細(xì)的考慮怎樣減小過壓風(fēng)險(xiǎn)，從而降低成本，減少給客戶帶來的不便。采用了熔絲的傳統(tǒng)過壓保護(hù)方法并不適用于保護(hù)現(xiàn)代 FPGA、ASIC 和微處理器，特別是上游額定電壓是 24V 或者 28V 的情況。開發(fā)了新解決方案，結(jié)合額定 38V 的 10A DC/DC 開關(guān)穩(wěn)壓器和電路以解決很多故障問題，包括輸出過壓等。當(dāng)今最先進(jìn)的數(shù)字邏輯器件的供電和保護(hù)功能可以在一個(gè)緊湊封裝器件中實(shí)現(xiàn)。

隨著輸入電壓和浪涌的增大，精確的開關(guān)定時(shí)越來越重要

當(dāng)輸入電壓和所需要的輸出電壓之間存在較大的電壓差時(shí)，一般會采用效率很高的開關(guān)DC/DC 穩(wěn)壓器。為實(shí)現(xiàn)簡便的解決方案，最好選擇非隔離降壓開關(guān)轉(zhuǎn)換器，其工作頻率足夠高，以減小電源磁體和濾波器電容的尺寸。但是，這種 DC/DC 開關(guān)轉(zhuǎn)換器必須工作在低至3% 的較窄的占空比條件下，這就需要精確的 PWM/PFM 定時(shí)。而且，數(shù)字處理器需要嚴(yán)格的電壓穩(wěn)壓，要求快速轉(zhuǎn)換響應(yīng)以確保電壓在安全限制范圍內(nèi)。在較高的輸入電壓時(shí)，會降低 DC/DC 穩(wěn)壓器頂部開關(guān)接通誤差余量。

總線電壓浪涌一般出現(xiàn)在航天和國防應(yīng)用中，不僅僅對 DC/DC 轉(zhuǎn)換器造成損害，而且也會損害負(fù)載。必須對 DC/DC 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行額定以采用高速控制環(huán)對過壓浪涌穩(wěn)壓，從而獲得足夠的電壓抑制。如果 DC/DC 轉(zhuǎn)換器無法穩(wěn)壓，或者不能承受總線浪涌，那么負(fù)載上就會出現(xiàn)過壓。負(fù)載的旁路電容由于老化或者溫度原因致使性能下降也會引起過壓故障，導(dǎo)致在產(chǎn)品壽命末期出現(xiàn)寬松的瞬態(tài)負(fù)載響應(yīng)。如果電容劣化超出了控制環(huán)的設(shè)計(jì)限制，那么，兩種機(jī)制導(dǎo)致負(fù)載出現(xiàn)過壓。首先，即使控制環(huán)保持穩(wěn)定，嚴(yán)重的瞬態(tài)負(fù)載突變事件也會導(dǎo)致電壓偏離遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)初衷。其次，如果控制環(huán)是條件穩(wěn)定的 (或者，更差一些，不穩(wěn)定)，輸出電壓峰值會不斷震蕩，超出了可接受的范圍。如果采用了不正確的絕緣材料，或者假冒元器件進(jìn)入了制造環(huán)節(jié)，那么，電容也會意外劣化，過早失效。

便宜的假冒元器件會導(dǎo)致代價(jià)高昂的問題

在灰色市場或者黑市上，低成本假冒元器件不會真正滿足標(biāo)準(zhǔn)要求 (例如，這些元器件是經(jīng)過回收的，從電子垃圾中重新加工制造，或者采用劣質(zhì)材料制造)，即使這樣，有的人抵擋不住假冒元器件的成本誘惑。當(dāng)假冒產(chǎn)品失效時(shí)，暫時(shí)的低成本就會成為昂貴的開支。例如，假冒的電容會以多種方式失效。假冒鉭電容內(nèi)部自發(fā)熱非常嚴(yán)重，其正反饋機(jī)制導(dǎo)致散熱出現(xiàn)失控。假冒陶瓷電容含有粗糙劣質(zhì)的絕緣材料，隨著元器件的老化或者工作在較高溫度時(shí)，電容量都會加速下降。當(dāng)電容容量大幅度下降引起控制環(huán)不穩(wěn)定時(shí)，電壓波形振幅要比最初設(shè)計(jì)值大很多，對負(fù)載造成損害。

在業(yè)界不幸的是，假冒元器件越來越多的進(jìn)入了供應(yīng)鏈和電子制造流程，即使是最敏感和最安全的應(yīng)用。美國參議院武裝部隊(duì)委員會 (Senate Armed Services Committee - SASC) 在 2012 年 5 月公布的報(bào)告中指出，軍用飛機(jī)和武器系統(tǒng)中出現(xiàn)了越來越多的假冒電子元器件，極有可能影響系統(tǒng)的性能和可靠性。這些系統(tǒng)都是由國防工業(yè)頂級承包商制造的。這類系統(tǒng)中的電子元器件日益增多，例如，新的聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)有 3500 多個(gè)集成電路，假冒元器件帶來了系統(tǒng)性能和可靠性風(fēng)險(xiǎn)，決不能忽視這一問題。

怎樣降低風(fēng)險(xiǎn)

任何降低風(fēng)險(xiǎn)計(jì)劃都應(yīng)考慮系統(tǒng)將怎樣對過壓狀況做出響應(yīng)并從過壓狀態(tài)實(shí)現(xiàn)恢復(fù)。倘若過壓故障有可能導(dǎo)致煙霧或火情，這可以接受嗎? 查明根源及實(shí)施整改措施的工作會由于過壓故障造成的損壞而受阻嗎? 如果本地操作員對受損系統(tǒng)重新供電 (重新啟動(dòng))，嘗試恢復(fù)系統(tǒng)，這會對系統(tǒng)造成更大的損害嗎? 確定故障原因并恢復(fù)正常系統(tǒng)工作需要哪些過程，要花費(fèi)多長時(shí)間?

傳統(tǒng)保護(hù)電路的不足

傳統(tǒng)的過壓保護(hù)方法包括熔絲、可控硅整流器 (SCR) 和齊納二極管。這一電路 (圖1) 通過以下方式來保護(hù)負(fù)載。如果輸入供電電壓超過了齊納擊穿電壓， SCR 觸發(fā)，吸收足夠的電流，熔斷上游熔絲。這一方法相對簡單，而且成本低，但是，其缺點(diǎn)包括齊納二極管擊穿電壓的精度、SCR 柵極觸發(fā)門限變化、SCR 和熔斷響應(yīng)時(shí)間的變化、以及從故障中恢復(fù)所需要付出的努力等 (例如，實(shí)際處理熔絲，并重新啟動(dòng)系統(tǒng))。如果待考慮的電壓源對數(shù)字內(nèi)核供電，由于大電流時(shí)的正向電壓降與最新數(shù)字處理器的內(nèi)核電壓相當(dāng)，甚至高于內(nèi)核電壓，那么，SCR 的保護(hù)功能非常有限?？紤]到這些缺點(diǎn)，傳統(tǒng)的過壓保護(hù)方法并不適用于高壓至低壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換供電負(fù)載，例如，價(jià)格比較昂貴 (不上千都可能要幾百美元) 的 ASIC 或者 FPGA。[!--empirenews.page--]

圖1: 傳統(tǒng)的過壓保護(hù)電路包括熔絲、SCR和齊納二極管。雖然成本低，但是這一電路響應(yīng)時(shí)間不足以實(shí)現(xiàn)對最新數(shù)字電路的可靠保護(hù)，特別是上游供電電源是中間電壓總線的情況。而且，即使從過壓故障中進(jìn)行最簡單的恢復(fù)也很麻煩并非常耗時(shí)。

結(jié)合了電源和保護(hù)電路的最新創(chuàng)新

更好的解決方案是準(zhǔn)確地探測到即將出現(xiàn)的過壓情況，迅速響應(yīng)，斷開輸入供電，通過低阻抗通路釋放掉負(fù)載上的過量電壓?，F(xiàn)在，采用 LTM4641 降壓 µModule® 穩(wěn)壓器強(qiáng)大的保護(hù)功能可以實(shí)現(xiàn)這一解決方案。器件的核心是額定 38V 的 10A 降壓穩(wěn)壓器，含有電感、控制 IC、電源開關(guān)和補(bǔ)償電路，這些都在一個(gè)表面安裝封裝中。但是，為 ASIC、FPGA 和微處理器等昂貴的負(fù)載增加保護(hù)需要功能更強(qiáng)的監(jiān)視和保護(hù)電路。LTM4641 一直監(jiān)視輸入欠壓、輸入過壓、溫度過高、以及輸出過壓和過流狀態(tài)，并正確的做出響應(yīng)以保護(hù)負(fù)載。為避免錯(cuò)誤或者過早的執(zhí)行保護(hù)功能，除了過流保護(hù)，每個(gè)受監(jiān)視參數(shù)都內(nèi)置了抗干擾和用戶可調(diào)觸發(fā)門限，通過電流模式控制，在每一個(gè)周期中可靠的實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。出現(xiàn)輸出過壓狀態(tài)時(shí)，LTM4641 在 500ns 的故障探測時(shí)間內(nèi)做出響應(yīng) (圖 2)。

觀看 LTM4641 的實(shí)時(shí)保護(hù)：http://video.linear.com./143

圖2: LTM4641 在 500ns 內(nèi)響應(yīng)過壓狀態(tài)，保護(hù)負(fù)載不受電壓應(yīng)力的影響。(VIN = 38V，VOUT = 1.0V，可調(diào)過壓觸發(fā)門限設(shè)置在 +11%)

LTM4641 內(nèi)部體系結(jié)構(gòu)不但使其能夠迅速可靠的響應(yīng)，而且，在故障狀態(tài)減弱后，甚至能夠自動(dòng)復(fù)位，恢復(fù)工作。采用了差分感測放大器對負(fù)載的電源終端電壓進(jìn)行穩(wěn)壓，減小了共模噪聲，以及 LTM4641 和負(fù)載之間 PCB 走線壓降導(dǎo)致的誤差。在電路、負(fù)載和溫度變化時(shí)，負(fù)載的 DC 電壓穩(wěn)壓精度優(yōu)于 ±1.5%。這一精確的輸出電壓測量結(jié)果被送入高速輸出過壓比較器，觸發(fā) LTM4641 的保護(hù)功能。

探測到過壓狀態(tài)后，µModule 穩(wěn)壓器同時(shí)迅速采取多種措施。外部 MOSFET (圖3中的 MSP) 斷開輸入供電，從穩(wěn)壓器和昂貴的負(fù)載上去除高電壓通路。另一個(gè)外部 MOSFET (圖3中的 MCB) 負(fù)責(zé)執(zhí)行一種低阻抗放電功能，可對負(fù)載的旁路電容器實(shí)施快速放電 (圖 3 中的 C)。LTM4641 中的 DC/DC 降壓穩(wěn)壓器進(jìn)入閉鎖關(guān)斷狀態(tài)，在 HYST 引腳上發(fā)出故障信號，系統(tǒng)可以使用該信號來啟動(dòng)很好管理的關(guān)斷過程和 / 或進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位。采用了獨(dú)立于控制環(huán)參考電壓的專用電壓參考來探測故障狀態(tài)。如果控制環(huán)的參考出現(xiàn)故障，這就實(shí)現(xiàn)了抗單點(diǎn)失效的功能。

圖3: LTM4641 輸出過壓保護(hù)圖。兩個(gè)探針圖標(biāo)對應(yīng)于圖2 中的波形

系統(tǒng)怎樣從故障中恢復(fù)進(jìn)一步顯示了 LTM4641 保護(hù)功能相對于傳統(tǒng)熔絲 / SCR 保護(hù)方法的優(yōu)勢。在傳統(tǒng)過壓保護(hù)方法中，熔絲方法取決于電源與昂貴的負(fù)載相分離。因此，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，必須采取實(shí)際措施來去掉并替換熔絲，以便系統(tǒng)恢復(fù)正常的工作。作為對比，通過觸發(fā)邏輯電平控制引腳，或者配置 LTM4641 為用戶設(shè)定的超時(shí)時(shí)間過期后自治重啟，清除故障狀態(tài)，LTM4641 能夠迅速恢復(fù)正常工作。不需要實(shí)際替換元器件，對于要求長時(shí)間運(yùn)行和 / 或在遠(yuǎn)端工作的系統(tǒng)，這一點(diǎn)非常關(guān)鍵。如果 LTM4641 恢復(fù)工作后，又出現(xiàn)了故障，那么，立即會采取后續(xù)保護(hù)措施來保護(hù)負(fù)載。

輸入浪涌保護(hù)

在某些情況下，僅有輸出過壓保護(hù)功能是不夠的，還需要輸入過壓保護(hù)功能。 LTM4641 的保護(hù)電路能夠監(jiān)視輸入電壓，一旦超過了用戶配置的電壓門限，激活其保護(hù)功能。如果預(yù)計(jì)的最大輸入電壓超過了模塊的額定 38V，通過增加一個(gè)外部高電壓 LDO，輸入浪涌保護(hù)可以增大到 80V， LTM4641 仍然能夠正常工作，保持控制和保護(hù)電路存在運(yùn)作 (圖4)。

觀看 LTM4641 的80V 浪涌性能：http://video.linear.com/148[!--empirenews.page--]

圖4: 使用 LTM4641 和外部 LDO 可使輸入浪涌保護(hù)高達(dá) 80V

結(jié)論

市場對系統(tǒng)性能和運(yùn)行時(shí)間的要求越來越高，并且大量使用了最新的數(shù)字處理器，工程師必須考慮降低風(fēng)險(xiǎn)的策略，特別是采用了 12V~28V 的分布式電源總線或者有浪涌的系統(tǒng)。最新一代而且通常非常昂貴的 FPGA、ASIC 和微處理器供電電壓的最大限制低至中間電源軌的 3%~10%，因此，它們對損害非常敏感，在過壓故障時(shí)有可能被燒壞。這類故障可能是由開關(guān)穩(wěn)壓器的定時(shí)錯(cuò)誤、輸入電壓浪涌或制造過程中混入的劣質(zhì)元器件所造成。所選擇的過壓保護(hù)方法的反應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間必須非?？?，要比傳統(tǒng)電路中采用熔絲和 SCR 的方法更精確和更一致。 LTM4641 結(jié)合高效的 10A DC/DC 降壓穩(wěn)壓器，在一個(gè)表面安裝封裝中含有精確的高速輸出過壓保護(hù)電路，構(gòu)成了完整的低風(fēng)險(xiǎn)策略，可滿足最新任務(wù)關(guān)鍵系統(tǒng)這些嚴(yán)格的要求。

致謝：

Afshin Odabaee，產(chǎn)品市場經(jīng)理， µModule 電源產(chǎn)品，凌力爾特公司

Yan Liang，應(yīng)用工程師，凌力爾特公司