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 總線體系結構。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)模上帶來了設計難題。如果使用單級非隔離降壓 DC/DC 轉換器，那么，必須工作在非常精確的 PFM/PWM 定時上。輸入浪涌事件對 DC/DC 轉換器提出了更嚴格的要求，對負載存在另一個過壓風險。由于制造中導致的錯誤或假冒電容，這會使得輸出電壓偏離超出負載額定范圍，有可能導致 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、停機時間以及對聲譽的損害都會令人非常沮喪。

因此，應該非常仔細的考慮怎樣減小過壓風險，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)過壓保護方法并不適用于保護現(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，結合額定 38V 的 10A DC/DC 開關穩(wěn)壓器和電路以解決很多故障問題，包括輸出過壓等。當今最先進的數(shù)字邏輯器件的供電和保護功能可以在一個緊湊封裝器件中實現(xiàn)。

隨著輸入電壓和浪涌的增大，精確的開關定時越來越重要

當輸入電壓和所需要的輸出電壓之間存在較大的電壓差時，一般會采用效率很高的開關DC/DC 穩(wěn)壓器。為實現(xiàn)簡便的解決方案，最好選擇非隔離降壓開關轉換器，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 開關轉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。而且，數(shù)字處理器需要嚴格的電壓穩(wěn)壓，要求快速轉換響應以確保電壓在安全限制范圍內。在較高的輸入電壓時，會降低 DC/DC 穩(wěn)壓器頂部開關接通誤差余量。

總線電壓浪涌一般出現(xiàn)在航天和國防應用中，不僅僅對 DC/DC 轉換器造成損害，而且也會損害負載。必須對 DC/DC 轉換器進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 轉換器無法穩(wěn)壓，或者不能承受總線浪涌，那么負載上就會出現(xiàn)過壓。負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，導致在產(chǎn)品壽命末期出現(xiàn)寬松的瞬態(tài)負載響應。如果電容劣化超出了控制環(huán)的設計限制，那么，兩種機制導致負載出現(xiàn)過壓。首先，即使控制環(huán)保持穩(wěn)定，嚴重的瞬態(tài)負載突變事件也會導致電壓偏離遠遠高于設計初衷。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致代價高昂的問題

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準要求 (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。當假冒產(chǎn)品失效時，暫時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。假冒鉭電容內部自發(fā)熱非常嚴重，其正反饋機制導致散熱出現(xiàn)失控。假冒陶瓷電容含有粗糙劣質的絕緣材料，隨著元器件的老化或者工作在較高溫度時，電容量都會加速下降。當電容容量大幅度下降引起控制環(huán)不穩(wěn)定時，電壓波形振幅要比最初設計值大很多，對負載造成損害。

在業(yè)界不幸的是，假冒元器件越來越多的進入了供應鏈和電子制造流程，即使是最敏感和最安全的應用。美國參議院武裝部隊委員會 (Senate Armed Services Committee - SASC) 在 2012 年 5 月公布的報告中指出，軍用飛機和武器系統(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)斗機有 3500 多個集成電路，假冒元器件帶來了系統(tǒng)性能和可靠性風險，決不能忽視這一問題。

怎樣降低風險

任何降低風險計劃都應考慮系統(tǒng)將怎樣對過壓狀況做出響應并從過壓狀態(tài)實現(xiàn)恢復。倘若過壓故障有可能導致煙霧或火情，這可以接受嗎? 查明根源及實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)，嘗試恢復系統(tǒng)，這會對系統(tǒng)造成更大的損害嗎? 確定故障原因并恢復正常系統(tǒng)工作需要哪些過程，要花費多長時間?

傳統(tǒng)保護電路的不足

傳統(tǒng)的過壓保護方法包括熔絲、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負載。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 和熔斷響應時間的變化、以及從故障中恢復所需要付出的努力等 (例如，實際處理熔絲，并重新啟動系統(tǒng))。如果待考慮的電壓源對數(shù)字內核供電，由于大電流時的正向電壓降與最新數(shù)字處理器的內核電壓相當，甚至高于內核電壓，那么，SCR 的保護功能非常有限。考慮到這些缺點，傳統(tǒng)的過壓保護方法并不適用于高壓至低壓 DC/DC 轉換供電負載，例如，價格比較昂貴 (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，但是這一電路響應時間不足以實現(xiàn)對最新數(shù)字電路的可靠保護，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行最簡單的恢復也很麻煩并非常耗時。

結合了電源和保護電路的最新創(chuàng)新

更好的解決方案是準確地探測到即將出現(xiàn)的過壓情況，迅速響應，斷開輸入供電，通過低阻抗通路釋放掉負載上的過量電壓?，F(xiàn)在，采用 LTM4641 降壓 µModule® 穩(wěn)壓器強大的保護功能可以實現(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、電源開關和補償電路，這些都在一個表面安裝封裝中。但是，為 ASIC、FPGA 和微處理器等昂貴的負載增加保護需要功能更強的監(jiān)視和保護電路。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)，并正確的做出響應以保護負載。為避免錯誤或者過早的執(zhí)行保護功能，除了過流保護，每個受監(jiān)視參數(shù)都內置了抗干擾和用戶可調觸發(fā)門限，通過電流模式控制，在每一個周期中可靠的實現(xiàn)過流保護。出現(xiàn)輸出過壓狀態(tài)時，LTM4641 在 500ns 的故障探測時間內做出響應 (圖 2)。

觀看 LTM4641 的實時保護：http://video.linear.com./143

圖2: LTM4641 在 500ns 內響應過壓狀態(tài)，保護負載不受電壓應力的影響。(VIN = 38V，VOUT = 1.0V，可調過壓觸發(fā)門限設置在 +11%)

LTM4641 內部體系結構不但使其能夠迅速可靠的響應，而且，在故障狀態(tài)減弱后，甚至能夠自動復位，恢復工作。采用了差分感測放大器對負載的電源終端電壓進行穩(wěn)壓，減小了共模噪聲，以及 LTM4641 和負載之間 PCB 走線壓降導致的誤差。在電路、負載和溫度變化時，負載的 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果被送入高速輸出過壓比較器，觸發(fā) LTM4641 的保護功能。

探測到過壓狀態(tài)后，µModule 穩(wěn)壓器同時迅速采取多種措施。外部 MOSFET (圖3中的 MSP) 斷開輸入供電，從穩(wěn)壓器和昂貴的負載上去除高電壓通路。另一個外部 MOSFET (圖3中的 MCB) 負責執(zhí)行一種低阻抗放電功能，可對負載的旁路電容器實施快速放電 (圖 3 中的 C)。LTM4641 中的 DC/DC 降壓穩(wěn)壓器進入閉鎖關斷狀態(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很好管理的關斷過程和 / 或進行系統(tǒng)復位。采用了獨立于控制環(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，這就實現(xiàn)了抗單點失效的功能。

圖3: LTM4641 輸出過壓保護圖。兩個探針圖標對應于圖2 中的波形

系統(tǒng)怎樣從故障中恢復進一步顯示了 LTM4641 保護功能相對于傳統(tǒng)熔絲 / SCR 保護方法的優(yōu)勢。在傳統(tǒng)過壓保護方法中，熔絲方法取決于電源與昂貴的負載相分離。因此，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，必須采取實際措施來去掉并替換熔絲，以便系統(tǒng)恢復正常的工作。作為對比，通過觸發(fā)邏輯電平控制引腳，或者配置 LTM4641 為用戶設定的超時時間過期后自治重啟，清除故障狀態(tài)，LTM4641 能夠迅速恢復正常工作。不需要實際替換元器件，對于要求長時間運行和 / 或在遠端工作的系統(tǒng)，這一點非常關鍵。如果 LTM4641 恢復工作后，又出現(xiàn)了故障，那么，立即會采取后續(xù)保護措施來保護負載。

輸入浪涌保護

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

結論

市場對系統(tǒng)性能和運行時間的要求越來越高，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險的策略，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，在過壓故障時有可能被燒壞。這類故障可能是由開關穩(wěn)壓器的定時錯誤、輸入電壓浪涌或制造過程中混入的劣質元器件所造成。所選擇的過壓保護方法的反應和恢復時間必須非?？欤葌鹘y(tǒng)電路中采用熔絲和 SCR 的方法更精確和更一致。 LTM4641 結合高效的 10A DC/DC 降壓穩(wěn)壓器，在一個表面安裝封裝中含有精確的高速輸出過壓保護電路，構成了完整的低風險策略，可滿足最新任務關鍵系統(tǒng)這些嚴格的要求。

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，應用工程師，凌力爾特公司