在工業(yè)自動化、樓宇自動化、運動控制和過程控制等應(yīng)用領(lǐng)域，正常運行時間是保障生產(chǎn)力和盈利能力的關(guān)鍵指標。執(zhí)行維護、人為失誤和設(shè)備故障都會導(dǎo)致停機，而與停機相關(guān)的維修成本和生產(chǎn)力損失可能極為高昂，這取決于具體行業(yè)和事件的性質(zhì)。雖然與維護和人為失誤相關(guān)的停機難以避免，但大多數(shù)與設(shè)備相關(guān)的故障是可以預(yù)防的。本文聚焦于由電源故障引起的停機問題，并探討如何在設(shè)備的電源系統(tǒng)中運用現(xiàn)代保護 IC 來防止電源故障的發(fā)生。

系統(tǒng)電源保護概述

電源系統(tǒng)會受到諸多電應(yīng)力因素和故障的影響。沿著電氣路徑，雷擊或電感性負載切換引發(fā)的電壓浪涌和瞬變、存儲電容初始充電產(chǎn)生的沖擊電流、接線錯誤或線束意外短路導(dǎo)致的反向電壓、過流以及過熱等情況，都可能造成性能退化甚至不可逆轉(zhuǎn)的損害。因此，有必要在負載周圍構(gòu)建一個保護范圍，以應(yīng)對這些潛在的災(zāi)難性事件。接下來，我們將探討一些常見術(shù)語、電源故障類型、現(xiàn)有的傳統(tǒng)解決方案及其面臨的挑戰(zhàn)，以及現(xiàn)代保護 IC 及其優(yōu)勢。

常用術(shù)語

除了分立解決方案外，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（或過壓保護器）可提供防浪涌電壓保護；熱插拔控制器（或沖擊限制器）能夠防范沖擊電流的影響；ORing 控制器（或理想二極管控制器）可防止反向電壓并實現(xiàn)電源分配；電子熔斷器（或限流器）可防止短路或過載；功率限制器 / 負載開關(guān) / USB 開關(guān) / 電源選擇器則為具有多個輸入電源或多個負載的系統(tǒng)提供管理和控制功能。圖 1 展示了這些產(chǎn)品，它們均可用于提供系統(tǒng)電源保護。然而，它們僅能提供部分解決方案，以保護系統(tǒng)免受電壓、電流或溫度故障的影響。因此，需要一個整體解決方案來提供完整、全面的系統(tǒng)電源保護。

需要提供系統(tǒng)電源保護的應(yīng)用

圖 2 展示了一個通用系統(tǒng)板電源分配情況。該板從三個獨立的輸入電源接收電力，為一個大保持電容充電，產(chǎn)生自用電路板電源，并將電力傳送給兩個后續(xù)外圍設(shè)備。此系統(tǒng)板的輸入端和輸出端均需要多種電源保護和配電功能。在輸入電源保護方面，它需要過壓 / 欠壓、電子熔斷器、沖擊限制和反向電壓保護。如果此板由一個功率有限的電源供電，則還需要功率限制功能。由于該板從三個不同電源接收電力，因此需要電源 ORing 或電源多路復(fù)用器。電源 ORing 會自動選擇電壓的電源為電路板供電，而電源復(fù)用則允許系統(tǒng)選擇使用哪個電源，只要其電壓在工作范圍內(nèi)即可。此外，該板還需要反向電壓保護，以防止較高電壓的電源反向驅(qū)動較低電壓的電源。對于輸出電源保護，該板需要限流保護以防止輸出過載或連接器短路，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，該板需要負載開關(guān)、ORing 和功率限制功能。

系統(tǒng)電源故障的三種主要類型

系統(tǒng)電源故障主要分為三類，即電壓故障、電流故障和溫度故障。下面我們將詳細討論每一種故障類型。

• 電壓故障：由于雷擊、保險絲熔斷、短路、熱插拔事件、電纜感應(yīng)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(dǎo)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(jié)了 IEC 61000 - 4 - 4 電快速瞬變規(guī)范。經(jīng)過 TVS 和輸入濾波器處理之后，系統(tǒng)板級的殘余浪涌電壓可能仍然很大，有時能達到標稱直流輸入電壓的兩到三倍。圖 5 演示了一個短路事件，10 英尺電纜末端的短暫短路導(dǎo)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。一個魯棒的系統(tǒng)在整個振鈴過程中應(yīng)能繼續(xù)運行而不中斷，至少能不受損害地幸存下來。類似的電壓振鈴可能發(fā)生在感性負載切換事件期間、熱插拔事件期間（例如將一個帶有放電電容的卡插入帶電背板），或系統(tǒng)中其他地方出現(xiàn)保險絲熔斷的時候。系統(tǒng)接線錯誤雖然罕見，但仍有可能發(fā)生。例如，在機架安裝系統(tǒng)中，人們可能會反向插入卡或電源線極性連接錯誤。當(dāng)輸入電壓突然下降（輸入短路或低電平振鈴）時，輸出電容現(xiàn)在處于較高電位，會導(dǎo)致反向電壓狀況。當(dāng)輸出突然短接到較高電壓軌（例如在集束電纜中）時，也會發(fā)生反向電壓狀況。雖然輸入反向電壓故障很少見，但一旦發(fā)生，就可能造成代價高昂的系統(tǒng)損壞。
  

  

  
  

  
  

• 電流故障：輸出過載和短路是兩種明顯的電流故障。當(dāng)系統(tǒng)超容量運行時，就會觸發(fā)過流加載。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，可能會發(fā)生嚴重短路事件。未受保護的電路板可能會遭受性損壞，更糟糕的是可能著火。將帶有放電電容的電路板插入帶電背板時，會涌入一股電流為電容充電。不加控制時，此沖擊電流遵循方程 I = CdV/dt ，其中 I 為沖擊電流，C 為電容，dV/dt 為電容電壓隨時間的變化率。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 是瞬時的（無限大），轉(zhuǎn)換為 I = 無限大。如果沒有沖擊控制，這種非常高的電流尖峰會損壞連接器，熔斷保險絲，并導(dǎo)致背板電壓振鈴。當(dāng)發(fā)生反向電壓事件時，反向流動的電流可能造成系統(tǒng)嚴重損壞。圖 6 展示了沖擊 / 短路電流和反向電流。
  

  

• 溫度故障：如果設(shè)計得當(dāng)，系統(tǒng)應(yīng)能正常運行而不會出現(xiàn)溫度故障。但是，某種初始故障狀況（例如長時間過載情況、系統(tǒng)風(fēng)扇失效或失靈、系統(tǒng)進氣口 / 排氣口意外阻塞或房間空調(diào)失效）可能會觸發(fā)溫度故障。為防止系統(tǒng)受損和潛在的火災(zāi)相關(guān)問題，當(dāng)系統(tǒng)或其元器件之一的溫度達到危險水平時，過溫保護會關(guān)斷系統(tǒng)。與過溫關(guān)斷相比，熱保護更智能。在運行期間，當(dāng)某種初始故障導(dǎo)致溫度升高到正常值以上時，熱保護會向系統(tǒng)提供警告和處理方案。例如，系統(tǒng)可以選擇去除非關(guān)鍵負載，以較低開關(guān)速度運行，從而降低功耗。這樣，系統(tǒng)可以較低的性能運行，避免過熱關(guān)斷，直至初始故障得到解決。

未提供保護的系統(tǒng)影響和設(shè)計挑戰(zhàn)

所有電氣系統(tǒng)都會遇到電壓、電流和熱故障，因此在設(shè)計驗證測試階段，忽視保護功能可能會阻礙系統(tǒng)設(shè)計的順利完成。更糟糕的情況是工廠車間的生產(chǎn)線關(guān)停。全面保護設(shè)備免受故障損害的保護電路非常有用，可盡量延長系統(tǒng)正常運行時間。系統(tǒng)工程師若要全面保護其產(chǎn)品，必須解決一些設(shè)計挑戰(zhàn)。分立或部分 IC 實現(xiàn)方案需要許多外部元件。圖 7 展示了一個使用 40 個分立元器件的完整系統(tǒng)電源保護解決方案。元器件的容差疊加分析起來十分繁瑣。隨著時間推移，無論是驗證和確保其性能，還是實現(xiàn)系統(tǒng)精度以及對故障做出快速響應(yīng)，都頗具難度。使用多個元器件的結(jié)果是解決方案尺寸很大，并且由于系統(tǒng)平均無故障時間 (MTBF) 很低，擁有成本很高。

簡化系統(tǒng)保護

使用分立電路或部分 IC 實現(xiàn)保護的傳統(tǒng)方法在過去或許效果不錯，但已無法適應(yīng)現(xiàn)代系統(tǒng)?，F(xiàn)代系統(tǒng)的電路板空間更小，開發(fā)時間更短，開發(fā)預(yù)算也較為緊張。鑒于這種轉(zhuǎn)變，更適合現(xiàn)代系統(tǒng)的保護解決方案是什么呢？它應(yīng)是高集成度保護 IC（見圖 8），需要集成場效應(yīng)晶體管 (FET)、電流檢測 / 限流、功率限制、熱保護和欠壓 / 過壓保護。此外，滿足國際電工委員會 (UL/IEC) 安全要求的全集成式保護 IC 更具優(yōu)勢。更高的集成度與安全相結(jié)合，可為現(xiàn)代系統(tǒng)提供可靠保護。

保護 IC 示例和關(guān)鍵工作概念

ADI 的 MAX17613 和 MAX17526 是符合現(xiàn)代系統(tǒng)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) 和過壓閉鎖 (OVLO)，這些全都集成在單個 IC 中。它還有一個 CLMODE 引腳，用于選擇 IC 對電流故障的響應(yīng)模式 —— 連續(xù)、閉鎖還是自動重試模式。MAX17526（圖 10）是一款 60 V/6 A 保護 IC，同時也是一款全集成式 IC。此外，它還具有先進的保護特性，例如功率限制和熱控電流折返。

現(xiàn)在，讓我們以 MAX17526 為例詳細考察幾個關(guān)鍵特性。如圖 11 所示，MAX17526 測量系統(tǒng)消耗的電流，并使用 SETI 引腳將其給系統(tǒng)控制器。電阻 R SETI 可以調(diào)整，以根據(jù)系統(tǒng)要求對限流水平進行編程。圖 12 展示了 MAX17526 的限流功能以及它如何控制系統(tǒng)上電期間的沖擊電流。一個 1000 μF 大電容以受控方式充電，左側(cè)充電電流為電流限值的 1.0 倍，右側(cè)充電電流為電流限值的 2.0 倍，而電壓源不會崩潰。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(jié)點 V EXT 連接到輸入電壓 (V IN) 還是輸出電壓 ( V OUT)。IC 動態(tài)調(diào)整電流限值以實現(xiàn)對輸入或輸出功率的限制。圖 14 展示了當(dāng)該 IC 配置為限制輸出功率時，功率限制特性如何將輸出功率限制在 10 W。

UL/IEC 安全

如前所述，現(xiàn)代系統(tǒng)也可以充分利用保護 IC 的所有安全合規(guī)性方面。通過 UL 2367、IEC 60950 或 IEC 62368 的保護 IC 可以簡化系統(tǒng)級安全要求，從而降低相關(guān)成本并縮短時間，有助于加快產(chǎn)品上市。例如，ADI 的 MAX17608 和 MAX17613 是通過 UL 和 IEC 的保護 IC。

電源系統(tǒng)是所有系統(tǒng)或設(shè)備的關(guān)鍵模塊。電源故障是固有的，確實會發(fā)生，但通過實施適當(dāng)?shù)碾娐繁Ｗo，可以防止系統(tǒng)故障和設(shè)備停機，這對于當(dāng)今競爭激烈的商業(yè)環(huán)境中的生產(chǎn)力和盈利能力至關(guān)重要。與傳統(tǒng)的分立或單功能 IC 解決方案相比，當(dāng)今的先進保護 IC 提供小封裝、高性能、高可靠性、易于設(shè)計和的整體系統(tǒng)保護。此外，這些保護 IC 提供的一些先進特性使系統(tǒng)具備監(jiān)控和診斷功能，對于當(dāng)今復(fù)雜的終端設(shè)備，這類功能可以發(fā)揮重要作用。