高可靠性電源系統(tǒng)的設(shè)計
高可靠性系統(tǒng)設(shè)計包括：采用容錯設(shè)計方法、選擇合適的組件以滿足預期環(huán)境條件要求和符合技術(shù)標準要求。
本文專注于討論實現(xiàn)高可靠性電源的半導體解決方案，這類電源包括冗余電路、電路保護和遠端系統(tǒng)管理。文中還將重點討論簡化設(shè)計、提高組件可靠性的最新產(chǎn)品功能。
高可靠性電源系統(tǒng)要求
在理想情況下，高可靠性系統(tǒng)應該設(shè)計成能夠避免單點故障，提供故障隔離手段，以在發(fā)生故障時使系統(tǒng)可以繼續(xù)運行，但性能也許有一定程度的下降。高可靠性系統(tǒng)還應該能夠控制故障，避免故障傳播到下游或上游電子組件中。
內(nèi)置冗余電路是一種解決方案，這種解決方案或者采取主動分擔負載的并聯(lián)電路形式，或者在故障未發(fā)生時處于備用等待狀態(tài)。在每種情況下，故障檢測和管理都需要額外的電路系統(tǒng)開銷，因此增加了總體復雜性和成本。有些系統(tǒng)還采用了不同的并聯(lián)電路，以增強多樣性，降低共有故障機制風險，有些飛機的飛行控制系統(tǒng)中會采用這樣的電路。
高復雜性系統(tǒng)提高了電源性能要求，高轉(zhuǎn)換效率和良好的溫度管理至關(guān)重要，因為結(jié)溫每升高 10°C，IC 的壽命就大約減少一半。正如我們看到的那樣，功能豐富的最新電源 IC 和專門的電源管理功能現(xiàn)在增強了對 IC 本身及其周圍系統(tǒng)的保護。
電源穩(wěn)壓器安全功能
輸出電流限制
這不是一種新功能，但是其實現(xiàn)已經(jīng)變得越來越準確和先進，隨著用戶可編程功能的增加，靈活性也提高了。例如，圖 1 所示的 LT3667 是一款 40V、400mA 降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器，具有兩個故障保護的低壓差線性穩(wěn)壓器。內(nèi)部保護電路功能包括電池反向保護、電流限制、熱限制和電流反向保護。該 IC 的開關(guān)穩(wěn)壓器部分提供開關(guān)電流限制和箝位二極管電流限制，這樣在輸出短路等故障情況下，就可以控制輸出電流。兩個線性穩(wěn)壓器還具備單獨的用戶可編程電流限制，在圖 1 所示的應用例子中，由 R7 和 R8 設(shè)定為 100mA。
如果出現(xiàn)故障，這些措施不僅保護器件本身，還能保護下游電子組件。
圖 1：LT3667 故障保護、開關(guān)和線性穩(wěn)壓器
輸入電流限制
這種功能在用光伏電池收集能量之類的電路中常見，在這類電路中，高阻抗源要求必須仔細控制電流，以防止電源電壓崩潰。除了保護上游電子組件免受過載影響，輸入電流限制還可作為備份電源的安全功能使用，如圖 2 所示，在備份電源中，必須保護大型電容器，并對其安全充電。LTC3128 提供準確度為 ±2% 的可編程平均輸入電流限制。在圖中所示應用中，輸入電流限制設(shè)定為 3A，超級電容器備份電路僅吸取主負載通過降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器未消耗的“剩余”電流。
圖 2：基于 LTC3128 的超級電容器備份電路
過熱保護
過熱保護大部分用于具備內(nèi)部功率晶體管的電源穩(wěn)壓器 IC。在上述采用 LTC3128 的情況下，大約在 165°C 時觸發(fā)過熱停機，在溫度降至大約 155°C 之前，該器件一直被禁止。不過，該產(chǎn)品還包含一個熱穩(wěn)壓器，以在用大電流給非常大的電容器充電時，防止器件進入過熱停機狀態(tài)。當芯片溫度超過 135°C 時，該穩(wěn)壓器通過逐步降低平均電流限制發(fā)揮作用。諸如 8 輸出降壓型穩(wěn)壓器 LT3375 等產(chǎn)品可提供一個芯片溫度輸出，用戶能夠選擇設(shè)定為 3 種芯片溫度門限之一。
控制多個輸入源
包含一個主電源和一個冗余備份電源、也許還有一個外部輔助電源的電源系統(tǒng)需要一個判斷系統(tǒng)，以決定哪個電源擁有優(yōu)先權(quán)，并監(jiān)視這些電源的狀態(tài)。此外，判斷系統(tǒng)必須在電源切換時防止電源系統(tǒng)出現(xiàn)交叉?zhèn)鲗Ш头聪蝠佀�。LTC4417 等單芯片 IC 提供了一種解決方案，可根據(jù)用戶為每個輸入定義的電源門限進行驗證，然后自動選擇電源。
另一種方法是由兩個同時運行的輸入源分擔負載，這樣可以降低每個輸入源的負擔，提高可靠性，同時如果兩個輸入源每個的大小都適合支持整個負載的需求，那么分擔負載這種方法還可以在一個輸入源出故障時提供保護，這也可以提高可靠性。過去有可能采用一種簡單但效率較低的二極管“或”解決方案，但是這種解決方案要求每個電源都提供有源控制，以平衡負載。圖 3 顯示，現(xiàn)在可以用單芯片解決方案完成這個任務(wù)。LTC4370 是一款均流控制器，提供反向隔離，防止一個電源的故障導致整個電源系統(tǒng)崩潰。
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LTM8002 是一款 40VIN、2.5A 降壓型μModule® 穩(wěn)壓器。它內(nèi)置了開關(guān)控制器、電源開關(guān)、電感器和所有的支持性組件。該器件支持 3.4V 至 40V 的輸入電壓范圍，和 0.97V 至 18V 的輸出電壓。
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LTM4686 是一款雙通道 10A 或單通道 20A 超薄型降壓 μModule 穩(wěn)壓器。該器件1.82mm 的高度使之可放置到非�？拷撦d (FPGA 或 ASIC) 的地方，從而共用一個散熱器。其 PMBus 接口使用戶能改變主要的電源參數(shù)。
