高可靠性系統(tǒng)的設(shè)計包括使用容錯設(shè)計技術(shù)，選擇合適的器件以滿足預期環(huán)境條件，以及符合標準。本文主要討論用于實現(xiàn)高可靠性電源的半導體解決方案，包括冗余、電路保護和遠程系統(tǒng)管理。本文將重點說明半導體技術(shù)的改善和新的安全特性如何簡化設(shè)計并增強器件可靠性。
作者：Steve Munns，ADI公司軍事/航空市場營銷經(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)計成避免單點故障，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——可以是主動分擔負載的并聯(lián)電路，或者是在待機狀態(tài)下等待，直到發(fā)生故障才起作用的電路。每種情況下，故障檢測和管理都需要額外的電路開銷，致使整體復雜性和成本增加。有些系統(tǒng)還會創(chuàng)建不同的并聯(lián)電路以增加多樣性，避免故障機制相同帶來的風險;一些飛機的飛行控制系統(tǒng)就是如此。
增加系統(tǒng)復雜性會給電源性能帶來更大負擔，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。
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)部保護電路也很常見，包括電池反接保護、限流、熱限制和反向電流保護。
在工藝技術(shù)和安全特性兩方面均有改進的一個實例是LTC7801 DC/DC開關(guān)控制器，它能安全地承受高達150V的輸入電壓，并實現(xiàn)了一種保護特性——當輸入電壓升至可編程工作范圍以上時，它會禁止開關(guān)動作。此功能簡化了輸入電源瞬態(tài)保護電路，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，該比較器可防止電壓過沖，同時還有一個折返式限流器，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，避免相鄰高壓和低壓引腳之間產(chǎn)生電弧的危險，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。
某些產(chǎn)品(如容錯型線性穩(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)，需要一個系統(tǒng)來決定哪個電源優(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)交叉導通和反饋。LTC4417等單芯片IC提供了一種解決方案，它可以驗證用戶為每路輸入定義的電源閾值，從而自動選擇電源。
另一種辦法是在兩個同時工作的輸入源之間分擔負載，通過減少每個電源的負擔來提高可靠性，同時提供保護，其中一個電源發(fā)生故障也不會受影響——如果每個電源的大小合適，足以支持滿負載需求。過去可能采用簡單但低效率的二極管“或”裝置，但它要求每個電源都能主動控制以平衡負載。圖2顯示了現(xiàn)在如何利用單芯片解決方案來達成目標。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電源系統(tǒng)。
圖2：LTC4370雙冗余電源均流
瞬態(tài)和電路保護
軍用和航空電子必須符合瞬態(tài)保護規(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：具有保護功能的雙向斷路器LTC4368
還有各種各樣的電路保護功能可供選擇，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、過低甚至為負電壓時，以及正向和反向發(fā)生過流故障時提供保護。
通過這些實例，我們可以了解到具有越來越復雜的保護和安全特性的新產(chǎn)品如何簡化應(yīng)用電路設(shè)計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，又有通過基于I2C的PMBus接口進行數(shù)字控制的優(yōu)勢，支持遠程管理電源系統(tǒng)。遙測和診斷數(shù)據(jù)可用來監(jiān)控負載狀況，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，有一個擔憂是軟件太復雜，但LTC3815實現(xiàn)了簡化的PMBus“Lite”命令集，沒有片內(nèi)非易失性存儲器或微控制器，因而在簡化設(shè)計的同時提供數(shù)字控制和監(jiān)測的優(yōu)勢。
圖4：具有遙測功能的隔離式開關(guān)控制器LTM9100
如前所述，良好的熱控制對于可靠性至關(guān)重要，LTC3815具有兩級熱閾值和兩級響應(yīng)。當內(nèi)部芯片溫度超過150°C時，PMBus就會收到過熱狀態(tài)標志，alert引腳拉低以提醒PMBus主機。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。
這種能夠報告狀態(tài)的系統(tǒng)為從基于時間的維護計劃轉(zhuǎn)向基于狀態(tài)的維護提供了機會，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。
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)行器也推動了對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、保護和監(jiān)控高達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)動外部N溝道MOSFET或IGBT開關(guān)。對負載電流、總線電壓和溫度的隔離式數(shù)字測量結(jié)果通過I2C/SMBus接口訪問，實現(xiàn)對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)計的新功能，或是保護器件免受故障或不當處理影響的產(chǎn)品特性。然而，同樣關(guān)鍵的是不能忽視器件質(zhì)量以及針對預期環(huán)境條件選擇正確等級器件的重要性。例如，ADI公司軍用塑料級100%經(jīng)過測試，在-55°C至+125°C的溫度范圍內(nèi)保證性能;對于預期環(huán)境非常惡劣的應(yīng)用電路，無需付出高昂成本對器件進行重新篩選或特性測試。
結(jié)論
用戶可編程特性、更復雜的片內(nèi)保護機制和更高的集成度，使高可靠性電源設(shè)計得以簡化，整體解決方案尺寸得以縮小。數(shù)字電源系統(tǒng)管理提供了遠程監(jiān)測和控制電源系統(tǒng)，以及進一步提高效率和可靠性的手段。最后，從信譽良好的供應(yīng)商選擇正確等級的器件將會降低出現(xiàn)質(zhì)量和可靠性問題的幾率。
