高可靠性系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)為避免單點(diǎn)故障，并提供隔離故障的方法，以便操作可以繼續(xù)進(jìn)行，盡管性能水平有所降低。它還應(yīng)能夠控制故障，避免傳播到下游或上游電子設(shè)備。
　　內(nèi)置冗余是一種解決方案，無論是采用主動(dòng)分擔(dān)負(fù)載的并聯(lián)電路還是等待故障發(fā)生時(shí)處于待機(jī)狀態(tài)的并聯(lián)電路。在每種情況下，故障檢測(cè)和管理都需要額外的開銷電路，這會(huì)增加整體復(fù)雜性和成本。一些系統(tǒng)還會(huì)創(chuàng)建不同的并聯(lián)電路以增加多樣性并避免出現(xiàn)常見故障機(jī)制的風(fēng)險(xiǎn)；一些飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)就是這種情況。
　　系統(tǒng)復(fù)雜性的增加給電源性能帶來了更大的負(fù)擔(dān)，因此高轉(zhuǎn)換效率和良好的熱管理至關(guān)重要，因?yàn)榻Y(jié)溫每升高 10°C，IC 壽命就會(huì)縮短約一半。正如我們將看到的，功能豐富的新型電源 IC 和專用電源管理功能現(xiàn)在可以為 IC 本身和周圍系統(tǒng)提供增強(qiáng)的保護(hù)。
　　高可靠性系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括使用容錯(cuò)設(shè)計(jì)技術(shù)、選擇合適的組件以滿足預(yù)期的環(huán)境條件以及遵守標(biāo)準(zhǔn)。本文重點(diǎn)介紹用于實(shí)現(xiàn)高可靠性電源作為電力電子的一部分的半導(dǎo)體解決方案，包括冗余、電路保護(hù)和遠(yuǎn)程系統(tǒng)管理。它將重點(diǎn)介紹半導(dǎo)體技術(shù)的改進(jìn)和新的安全功能如何簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)并提高組件可靠性。
　　高可靠性電源系統(tǒng)的要求
　　在理想情況下，高可靠性電源系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)為避免單點(diǎn)故障，并提供隔離故障的方法，以便系統(tǒng)可以繼續(xù)運(yùn)行，但性能可能會(huì)有所降低。它還應(yīng)能夠控制故障，避免傳播到下游或上游電子設(shè)備。
　　內(nèi)置冗余是一種解決方案，無論是采用主動(dòng)分擔(dān)負(fù)載的并聯(lián)電路還是等待故障發(fā)生時(shí)處于待機(jī)狀態(tài)的并聯(lián)電路。在每種情況下，故障檢測(cè)和管理都需要額外的開銷電路，這會(huì)增加整體復(fù)雜性和成本。一些系統(tǒng)還會(huì)創(chuàng)建不同的并聯(lián)電路（尤其是在電力電子中），以增加多樣性并避免出現(xiàn)常見故障機(jī)制的風(fēng)險(xiǎn)；一些飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)就是這種情況。
　　系統(tǒng)復(fù)雜性的增加給電源性能帶來了更大的負(fù)擔(dān)，因此高轉(zhuǎn)換效率和良好的熱管理至關(guān)重要，因?yàn)榻Y(jié)溫每升高 10°C，IC 壽命就會(huì)縮短約一半。正如我們將看到的，功能豐富的新型電源 IC 和專用電源管理功能現(xiàn)在可以為 IC 本身和周圍系統(tǒng)提供增強(qiáng)的保護(hù)。
　　電力調(diào)節(jié)器安全功能
　　電壓調(diào)節(jié)器已采用越來越精確和復(fù)雜的電流限制形式，以避免過大的輸出電流損壞設(shè)備本身或下游組件。內(nèi)部保護(hù)電路也很常見，包括電池反向保護(hù)、電流限制、熱限制和反向電流保護(hù)。　　LTC7801 DC/DC 開關(guān)控制器是工藝技術(shù)和安全特性改進(jìn)的典型產(chǎn)品。它可以安全地維持高達(dá) 150V 的輸入電壓，并實(shí)現(xiàn)當(dāng)輸入電壓超過可編程工作范圍時(shí)禁止開關(guān)的保護(hù)功能。此功能簡(jiǎn)化了輸入電源瞬態(tài)保護(hù)電路，減少了元件數(shù)量和解決方案尺寸。輸出也受到過壓比較器的良好保護(hù)，可防止電壓過沖，而折返電流限制器可在過流和短路故障條件下控制功率耗散。

　　LTC7801 高壓降壓型 DC/DC 控制器
　　圖 1. LTC7801 高壓降壓型 DC/DC 控制器
　　安全性的物理封裝方面也得到了解決，方法是提供引腳間距較大的封裝選項(xiàng)，以避免相鄰的高壓和低壓引腳之間產(chǎn)生電弧的危險(xiǎn)。擊穿電壓會(huì)隨著氣壓的降低而降低，因此非增壓飛機(jī)應(yīng)用可以選擇 LTC3895，它提供與 LTC7801 相同的功能和性能，但具有 0.68mm 雙引腳間距封裝選項(xiàng)。
　　某些產(chǎn)品（例如，容錯(cuò)型 LT3007 線性穩(wěn)壓器）還具有所謂的 FMEA（故障模式和影響分析）兼容引腳排列，如果相鄰引腳短路或某個(gè)引腳懸空，則輸出將保持在調(diào)節(jié)電壓或低于調(diào)節(jié)電壓。
　　控制電源系統(tǒng)中的多個(gè)輸入源
　　包含主電源或電源電路和冗余備份（可能帶有外部輔助電源）的電源系統(tǒng)需要一個(gè)系統(tǒng)來仲裁哪個(gè)電源具有優(yōu)先級(jí)并監(jiān)控其狀態(tài)。此外，它還必須保護(hù)系統(tǒng)在電源切換期間免受交叉?zhèn)鲗?dǎo)和反饋的影響。單芯片 IC（例如 LTC4417）提供了一種解決方案，可根據(jù)對(duì)每個(gè)輸入的用戶定義電源閾值的驗(yàn)證自動(dòng)選擇電源。
　　另一種方法是在兩個(gè)同時(shí)運(yùn)行的輸入源之間共享負(fù)載，通過減少每個(gè)源的負(fù)擔(dān)來提高可靠性，同時(shí)如果每個(gè)源的大小都足以支持滿負(fù)載要求，則可以提供對(duì)一個(gè)源發(fā)生故障的保護(hù)。
　　過去，人們可能采用簡(jiǎn)單但效率低下的二極管“或”布置，但這需要每個(gè)電源都有主動(dòng)控制來平衡負(fù)載。圖 2 顯示了現(xiàn)在如何使用單芯片解決方案實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。LTC4370 是一款具有反向阻斷功能的均流控制器，可防止一個(gè)電源發(fā)生故障，從而導(dǎo)致電源系統(tǒng)癱瘓?！　TC4370 雙冗余電源共享

　　圖 2. LTC4370 雙冗余電源共享
　　瞬態(tài)和電路保護(hù)
　　軍用和航空電子設(shè)備必須符合瞬態(tài)保護(hù)規(guī)范，例如 MIL-STD-1275（車輛）和 MIL-STD-704 / DO-160（飛機(jī)）。然而，任何高可靠性系統(tǒng)都需要防止電壓浪涌、尖峰和紋波，并且有專門用于此功能的產(chǎn)品和浪涌保護(hù)設(shè)備，例如 LT4364 集成電路。
　　還有各種各樣的電路保護(hù)功能可供選擇，包括 LTC4368 等產(chǎn)品，這是一款 100V 雙向斷路器，可防止電源電壓過高、過低甚至負(fù)值，以及正向和反向過流故障?！　【哂斜Ｗo(hù)功能的 LTC4368 雙向斷路器

　　圖 3. 具有保護(hù)功能的 LTC4368 雙向斷路器
　　在這些例子中，我們可以觀察到具有日益復(fù)雜的保護(hù)和安全功能集的新型集成電路產(chǎn)品如何簡(jiǎn)化應(yīng)用電路設(shè)計(jì)并減小解決方案尺寸。
　　數(shù)字電源系統(tǒng)管理
　　新產(chǎn)品將模擬功率調(diào)節(jié)與基于 I2C 的 PMBus 接口的數(shù)字控制的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)電力電子中電源系統(tǒng)的遠(yuǎn)程管理。遙測(cè)和診斷數(shù)據(jù)可用于監(jiān)控負(fù)載條件、讀取芯片溫度以及提供非常高精度的微調(diào)和裕度，從而最大限度地提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、效率和可靠性。
　　數(shù)字電源管理的一個(gè)問題是軟件的復(fù)雜性，然而，LTC3815 實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)化的 PMBus“Lite”命令集，沒有片上非易失性存儲(chǔ)器或微控制器，它簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，同時(shí)提供了數(shù)字控制和監(jiān)控的好處。
　　如前所述，良好的熱控制對(duì)于可靠性至關(guān)重要，LTC3815 具有兩級(jí)熱閾值和兩級(jí)響應(yīng)。當(dāng)內(nèi)部芯片溫度超過 150°C 時(shí)，過熱情況會(huì)標(biāo)記到 PMBus，ALERT 引腳拉低以警告 PMBus 主控。如果溫度繼續(xù)上升并超過 170°C，LTC3815 將關(guān)閉所有電路，包括輸出調(diào)節(jié)，直到過熱情況消除。
　　這種能夠報(bào)告其狀態(tài)的系統(tǒng)提供了從基于時(shí)間的維護(hù)計(jì)劃轉(zhuǎn)變?yōu)榛跅l件的維護(hù)的機(jī)會(huì)，并且可以在系統(tǒng)故障情況發(fā)生之前潛在地突出顯示性能下降的情況。
　　高可靠性電源系統(tǒng)通常包括隔離屏障，以保護(hù)電源總線免受下游線路可更換單元故障的影響。傳感器和執(zhí)行器數(shù)量的增加也推動(dòng)了對(duì)更小、本地隔離的電源和數(shù)據(jù)接口的需求，以減少接地環(huán)路和共模干擾引起的噪聲問題。
　　現(xiàn)在有完整的電流隔離 BGA 模塊解決方案，可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)并提高可靠性。LTM9100 隔離開關(guān)控制器是一款一體化解決方案，用于控制、保護(hù)和監(jiān)控高達(dá) 1000VDC 的高壓電源。5kVRMS 電流隔離屏障將數(shù)字接口與開關(guān)控制器隔開，驅(qū)動(dòng)外部 N 溝道 MOSFET 或 IGBT 開關(guān)。可通過 I2C/SMBus 接口訪問負(fù)載電流、總線電壓和溫度的隔離數(shù)字測(cè)量值，從而實(shí)現(xiàn)高壓總線的功率和能量監(jiān)控。　　具有遙測(cè)功能的 LTM9100 隔離開關(guān)控制器

　　圖 4. 具有遙測(cè)功能的 LTM9100 隔離開關(guān)控制器
　　電源元件選擇
　　本文的大部分內(nèi)容致力于介紹簡(jiǎn)化高可靠性電源設(shè)計(jì)或PSU產(chǎn)品特性的新功能，以保護(hù)設(shè)備免受故障或誤操作的影響。
　　然而，至關(guān)重要的是不要忽視元件質(zhì)量的重要性，以及根據(jù)預(yù)期的環(huán)境條件選擇正確等級(jí)的元件的重要性。例如，Analog Devices 軍用塑料級(jí)元件在 -55°C 至 +125°C 的溫度下提供 100% 經(jīng)過測(cè)試并保證的性能，從而避免在預(yù)期條件非常惡劣的應(yīng)用電路中對(duì)元件進(jìn)行昂貴的重新篩選或特性分析。