【導讀】正常運行時(shí)間是工業(yè)自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化、運動(dòng)控制和過(guò)程控制等應用中保障生產(chǎn)力和盈利能力的關(guān)鍵指標。執行維護、人為失誤和設備故障都會(huì )導致停機。與停機相關(guān)的維修成本和生產(chǎn)力損失可能非常高，具體取決于行業(yè)和事件的性質(zhì)。與維護和人為失誤相關(guān)的停機無(wú)法避免，但大多數與設備相關(guān)的故障是可以預防的。本文重點(diǎn)介紹由電源故障引起的停機，以及如何在設備的電源系統中使用現代保護IC來(lái)防止發(fā)生電源故障。
問(wèn)題:
有沒(méi)有一種簡(jiǎn)單的方法可以保護電源設計免受故障影響？
答案:
有的，可以使用 MAX17613 和 MAX17526 等集成電路。
簡(jiǎn)介
正常運行時(shí)間是工業(yè)自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化、運動(dòng)控制和過(guò)程控制等應用中保障生產(chǎn)力和盈利能力的關(guān)鍵指標。執行維護、人為失誤和設備故障都會(huì )導致停機。與停機相關(guān)的維修成本和生產(chǎn)力損失可能非常高，具體取決于行業(yè)和事件的性質(zhì)。與維護和人為失誤相關(guān)的停機無(wú)法避免，但大多數與設備相關(guān)的故障是可以預防的。本文重點(diǎn)介紹由電源故障引起的停機，以及如何在設備的電源系統中使用現代保護IC來(lái)防止發(fā)生電源故障。
系統電源保護概述
電源系統會(huì )受到許多電應力因素和故障的影響。沿著(zhù)電氣路徑，雷擊或電感性負載切換導致的電壓浪涌和瞬變、存儲電容的初始充電導致的沖擊電流、接線(xiàn)錯誤或線(xiàn)束意外短路導致的反向電壓、過(guò)流和過(guò)熱，都可能造成性能退化或不可逆轉的損害。有必要在負載周?chē)⒁粋€(gè)保護范圍，以處理這些潛在的災難性事件。本文將討論一些常見(jiàn)術(shù)語(yǔ)、電源故障類(lèi)型、可用的傳統解決方案及其挑戰，以及現代保護IC及其優(yōu)勢。
常用術(shù)語(yǔ)
除了分立解決方案，還有許多提供單一功能保護的集成解決方案。例如，浪涌保護器（或過(guò)壓保護器）提供防浪涌電壓保護；熱插拔控制器（或沖擊限制器）可以防范沖擊電流影響；ORing控制器（或理想二極管控制器）可以防止反向電壓并提供電源分配；電子熔斷器（或限流器）可以防止短路或過(guò)載；功率限制器/負載開(kāi)關(guān)/USB開(kāi)關(guān)/電源選擇器為具有多個(gè)輸入電源和/或多個(gè)負載的系統提供管理和控制功能。圖1展示了這些產(chǎn)品，均可用于提供系統電源保護。然而，它們僅提供部分解決方案來(lái)保護系統免受電壓、電流或溫度故障的影響。因此需要一個(gè)整體解決方案來(lái)提供完整、全面的系統電源保護。
圖1.各種單功能保護解決方案
需要提供系統電源保護的應用
圖2展示了一個(gè)通用系統板電源分配。該板從三個(gè)獨立的輸入電源接收電力，為一個(gè)大保持電容充電，產(chǎn)生自用電路板電源，并將電力傳送給兩個(gè)后續外圍設備。此系統板的輸入端和輸出端均需要多種電源保護和配電功能。
圖2.通用系統板電源分配
在輸入電源保護方面，它需要過(guò)壓/欠壓、電子熔斷器、沖擊限制和反向電壓保護。如果此板由一個(gè)功率有限的電源供電，則它還需要功率限制功能。
由于該板從三個(gè)不同電源接收電力，因此需要電源ORing或電源多路復用器。電源ORing自動(dòng)選擇電壓最高的電源為電路板供電，而電源復用允許系統選擇使用哪個(gè)電源，無(wú)論其電壓如何，只要它在工作范圍內即可。該板還需要反向電壓保護，這樣較高電壓的電源就不會(huì )反向驅動(dòng)較低電壓的電源。
現在，對于輸出電源保護，該板需要限流保護以防止輸出過(guò)載或連接器短路，需要反向電壓保護以防止意外短接到較高電壓軌。為了管理輸出電源分配，該板需要負載開(kāi)關(guān)、ORing和功率限制功能。
系統電源故障的三種主要類(lèi)型
系統電源故障主要分為三類(lèi)（見(jiàn)圖3）：電壓故障、電流故障和溫度故障。下面詳細討論每一種故障類(lèi)型。
圖3.系統故障的三種主要類(lèi)型
電壓故障：由于雷擊、保險絲熔斷、短路、熱插拔事件、電纜感應振鈴等多種不同事件，輸入電壓可能高于和/或低于正常直流電壓范圍。
雷擊可能導致高能浪涌電壓，這通常由前端瞬變電壓抑制器(TVS)和輸入濾波器處理。圖4總結了IEC 61000-4-4電快速瞬變規范。經(jīng)過(guò)TVS和輸入濾波器處理之后，系統板級的殘余浪涌電壓可能仍然很大，有時(shí)達到標稱(chēng)直流輸入電壓的兩到三倍。
圖4.IEC 61000-4-4電快速瞬變規范
圖5演示了一個(gè)短路事件，10英尺電纜末端的短暫短路導致其電壓振鈴并達到50.4 V峰值，是其正常電壓24 VDC的兩倍。電壓還振鈴下降到約11 V。一個(gè)魯棒的系統在整個(gè)振鈴過(guò)程中會(huì )繼續運行而不會(huì )中斷，至少會(huì )不受損害地幸存下來(lái)。類(lèi)似的電壓振鈴可能發(fā)生在感性負載切換事件期間，發(fā)生在熱插拔事件期間（例如將一個(gè)帶有放電電容的卡插入帶電背板），或發(fā)生在系統中其他地方出現保險絲熔斷的時(shí)候。
圖5.短暫短路后的電纜振鈴
系統接線(xiàn)錯誤很罕見(jiàn)，但仍可能發(fā)生。例如，在機架安裝系統中，人們可能會(huì )反向插入卡或電源線(xiàn)極性連接錯誤。當輸入電壓突然下降（輸入短路或低電平振鈴）時(shí)，輸出電容現在處于較高電位，會(huì )導致反向電壓狀況。當輸出突然短接到較高電壓軌（例如在集束電纜中）時(shí)，也會(huì )發(fā)生反向電壓狀況。雖然輸入反向電壓故障很少見(jiàn)，但一旦發(fā)生，就可能造成代價(jià)高昂的系統損壞。
電流故障：輸出過(guò)載和短路是兩種明顯的電流故障。當系統超容量運行時(shí)，就會(huì )觸發(fā)過(guò)流加載。至于短路，這可能是由電路板上的故障元件引起。如果有人不小心將扳手掉到電源連接器上或落入電纜束中，可能會(huì )發(fā)生嚴重短路事件。未受保護的電路板可能會(huì )遭受永久性損壞，更糟糕的是可能著(zhù)火。
將帶有放電電容的電路板插入帶電背板時(shí)，會(huì )涌入一股電流為電容充電。不加控制時(shí)，此沖擊電流遵循以下方程：
I = CdV/dt
其中：
I = 沖擊電流
C = 電容
dV/dt = 電容電壓隨時(shí)間的變化率
如果將放電電容(0 V)插入24 V帶電背板，這種情況下的dV/dt是瞬時(shí)的（無(wú)限大），轉換為I = 無(wú)限大。如果沒(méi)有沖擊控制，這種非常高的電流尖峰會(huì )損壞連接器，熔斷保險絲，并導致背板電壓振鈴。
當發(fā)生反向電壓事件時(shí)，反向流動(dòng)的電流可能造成系統嚴重損壞。圖6展示了沖擊/短路電流和反向電流。
圖6.沖擊/短路電流和反向電流
溫度故障：如果設計得當，系統應能正常運行而不會(huì )出現溫度故障。但是，某種初始故障狀況（例如長(cháng)時(shí)間過(guò)載情況、系統風(fēng)扇失效或失靈、系統進(jìn)氣口/排氣口意外阻塞或房間空調失效）可能會(huì )觸發(fā)溫度故障。
為防止系統受損和潛在的火災相關(guān)問(wèn)題，當系統或其元器件之一的溫度達到危險水平時(shí)，過(guò)溫保護會(huì )關(guān)斷系統。與過(guò)溫關(guān)斷相比，熱保護更智能。在運行期間，當某種初始故障導致溫度升高到正常值以上時(shí)，熱保護會(huì )向系統提供警告和處理方案。例如，系統可以選擇去除非關(guān)鍵負載，以較低開(kāi)關(guān)速度運行，從而降低功耗。這樣，系統可以較低的性能運行，避免過(guò)熱關(guān)斷，直至初始故障得到解決。
未提供保護的系統影響和設計挑戰
所有電氣系統都會(huì )遇到電壓、電流和熱故障，因此在設計驗證測試階段，忽視保護功能可能會(huì )阻礙系統設計順利完成。事實(shí)上，更糟糕的情況是工廠(chǎng)車(chē)間的生產(chǎn)線(xiàn)關(guān)停。全面保護設備免受故障損害的保護電路很有用，可盡量延長(cháng)系統正常運行時(shí)間。
系統工程師若要全面保護其產(chǎn)品，必須解決一些設計挑戰。分立或部分IC實(shí)現方案需要許多外部元件。圖7展示了一個(gè)使用40個(gè)分立元器件的完整系統電源保護解決方案。元器件的容差疊加分析起來(lái)很繁瑣。隨著(zhù)時(shí)間推移，無(wú)論是驗證和確保其性能，還是實(shí)現系統精度以及對故障做出快速響應，都很困難。使用多個(gè)元器件的結果是解決方案尺寸很大。由于系統平均無(wú)故障時(shí)間(MTBF)很低，擁有成本很高。
圖7.一個(gè)系統電源保護電路使用了40個(gè)分立元器件
簡(jiǎn)化系統保護
使用分立電路或部分IC實(shí)現保護的傳統方法在過(guò)去可能效果不錯，但它不適應現代系統?，F代系統的電路板空間更小，開(kāi)發(fā)時(shí)間更短，開(kāi)發(fā)預算緊張。鑒于這種轉變，更適合現代系統的保護解決方案是什么？它應是高集成度保護IC（見(jiàn)圖8），需要集成場(chǎng)效應晶體管(FET)、電流檢測/限流、功率限制、熱保護和欠壓/過(guò)壓保護。此外，滿(mǎn)足Underwriters Laboratories Inc./國際電工委員會(huì )(UL/IEC)安全要求的全集成式保護IC更勝一籌。更高的集成度與安全認證相結合，可為現代系統提供可靠保護。
圖8.單芯片高集成度解決方案
保護IC示例和關(guān)鍵工作概念
ADI公司的MAX17613和MAX17526是符合現代系統要求的保護IC范例。
MAX17613（圖9）是一款60 V/3 A保護IC，具備所有關(guān)鍵元器件和特性，例如正向和反向FET、可編程電流檢測、熱保護、可編程欠壓閉鎖(UVLO)和過(guò)壓閉鎖(OVLO)，這些全都集成在單個(gè)IC中。它還有一個(gè)CLMODE引腳，用于選擇IC對電流故障的響應模式——連續、閉鎖還是自動(dòng)重試模式。
圖9.高集成度60 V/3 A保護IC
MAX17526（圖10）是一款60 V/6 A保護IC，同時(shí)也是一款全集成式IC。此外，它還具有先進(jìn)的保護特性，例如功率限制和熱控電流折返。
圖10.具有功率限制的高集成度60 V/6 A保護IC
現在，讓我們以MAX17526為例詳細考察幾個(gè)關(guān)鍵特性。
如圖11所示，MAX17526測量系統消耗的電流，并使用SETI引腳將其報告給系統控制器。電阻RSETI可以調整，以根據系統要求對限流水平進(jìn)行編程。
圖11.MAX17526的限流設置和監控功能
圖12展示了MAX17526的限流功能以及它如何控制系統上電期間的沖擊電流。一個(gè)1000 μF大電容以受控方式充電，左側充電電流為電流限值的1.0倍，右側充電電流為電流限值的2.0倍，而電壓源不會(huì )崩潰。
圖12.沖擊電流保護
圖13顯示了MAX17526特有的功率限制特性，它可用于限制輸入或輸出功率，具體取決于節點(diǎn)VEXT連接到輸入電壓(VIN)還是輸出電壓(VOUT)。IC動(dòng)態(tài)調整電流限值以實(shí)現對輸入或輸出功率的限制。
圖13.功率限制保護
圖14展示了當該IC配置為限制輸出功率時(shí)，功率限制特性如何將輸出功率限制在10 W。
圖14.輸出功率限制響應
UL/IEC安全認證
如前所述，現代系統也可以利用保護IC的所有安全合規性方面。通過(guò)UL 2367、IEC 60950或IEC 62368認證的保護IC可以簡(jiǎn)化系統級安全要求，從而降低認證相關(guān)成本并縮短認證時(shí)間，有助于加快產(chǎn)品上市。例如，ADI公司的 MAX17608 和 MAX17613 是通過(guò)UL和IEC認證的保護IC。
結論
電源系統是所有系統或設備的關(guān)鍵模塊。電源故障是固有的，確實(shí)會(huì )發(fā)生，但通過(guò)實(shí)施適當的電路保護，可以防止發(fā)生系統故障和設備停機，這對于當今競爭激烈的全球商業(yè)環(huán)境中的生產(chǎn)力和盈利能力至關(guān)重要。與傳統的分立或單功能IC解決方案相比，當今的先進(jìn)保護IC提供小封裝、高性能、高可靠性、易于設計和認證的整體系統保護。此外，這些保護IC提供的一些先進(jìn)特性使系統具備監控和診斷功能，對于當今復雜的終端設備，這類(lèi)功能可以發(fā)揮重要作用。使用全集成式保護IC是能夠以低成本應對代價(jià)高昂的停機時(shí)間的有效方式。
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