【導讀】正常運行時間是工業(yè)自動化、樓宇自動化、運動控制和過程控制等應用中保障生產力和盈利能力的關鍵指標。執(zhí)行維護、人為失誤和設備故障都會導致停機。與停機相關的維修成本和生產力損失可能非常高，具體取決于行業(yè)和事件的性質。與維護和人為失誤相關的停機無法避免，但大多數(shù)與設備相關的故障是可以預防的。本文重點介紹由電源故障引起的停機，以及如何在設備的電源系統(tǒng)中使用現(xiàn)代保護IC來防止發(fā)生電源故障。
問題:
有沒有一種簡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。
簡介
正常運行時間是工業(yè)自動化、樓宇自動化、運動控制和過程控制等應用中保障生產力和盈利能力的關鍵指標。執(zhí)行維護、人為失誤和設備故障都會導致停機。與停機相關的維修成本和生產力損失可能非常高，具體取決于行業(yè)和事件的性質。與維護和人為失誤相關的停機無法避免，但大多數(shù)與設備相關的故障是可以預防的。本文重點介紹由電源故障引起的停機，以及如何在設備的電源系統(tǒng)中使用現(xiàn)代保護IC來防止發(fā)生電源故障。
系統(tǒng)電源保護概述
電源系統(tǒng)會受到許多電應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、接線錯誤或線束意外短路導致的反向電壓、過流和過熱，都可能造成性能退化或不可逆轉的損害。有必要在負載周圍建立一個保護范圍，以處理這些潛在的災難性事件。本文將討論一些常見術語、電源故障類型、可用的傳統(tǒng)解決方案及其挑戰(zhàn)，以及現(xiàn)代保護IC及其優(yōu)勢。
常用術語
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）可以防止短路或過載；功率限制器/負載開關/USB開關/電源選擇器為具有多個輸入電源和/或多個負載的系統(tǒng)提供管理和控制功能。圖1展示了這些產品，均可用于提供系統(tǒng)電源保護。然而，它們僅提供部分解決方案來保護系統(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。
圖1.各種單功能保護解決方案
需要提供系統(tǒng)電源保護的應用
圖2展示了一個通用系統(tǒng)板電源分配。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，產生自用電路板電源，并將電力傳送給兩個后續(xù)外圍設備。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。
圖2.通用系統(tǒng)板電源分配
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，則它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或電源多路復用器。電源ORing自動選擇電壓最高的電源為電路板供電，而電源復用允許系統(tǒng)選擇使用哪個電源，無論其電壓如何，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反向驅動較低電壓的電源。
現(xiàn)在，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、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（見圖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型。
圖3.系統(tǒng)故障的三種主要類型
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(guī)范。經過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，有時達到標稱直流輸入電壓的兩到三倍。
圖4.IEC 61000-4-4電快速瞬變規(guī)范
圖5演示了一個短路事件，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。一個魯棒的系統(tǒng)在整個振鈴過程中會繼續(xù)運行而不會中斷，至少會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，發(fā)生在熱插拔事件期間（例如將一個帶有放電電容的卡插入帶電背板），或發(fā)生在系統(tǒng)中其他地方出現(xiàn)保險絲熔斷的時候。
圖5.短暫短路后的電纜振鈴
系統(tǒng)接線錯誤很罕見，但仍可能發(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，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永久性損壞，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，并導致背板電壓振鈴。
當發(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。
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(tǒng)應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)風扇失效或失靈、系統(tǒng)進氣口/排氣口意外阻塞或房間空調失效）可能會觸發(fā)溫度故障。
為防止系統(tǒng)受損和潛在的火災相關問題，當系統(tǒng)或其元器件之一的溫度達到危險水平時，過溫保護會關斷系統(tǒng)。與過溫關斷相比，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，熱保護會向系統(tǒng)提供警告和處理方案。例如，系統(tǒng)可以選擇去除非關鍵負載，以較低開關速度運行，從而降低功耗。這樣，系統(tǒng)可以較低的性能運行，避免過熱關斷，直至初始故障得到解決。
未提供保護的系統(tǒng)影響和設計挑戰(zhàn)
所有電氣系統(tǒng)都會遇到電壓、電流和熱故障，因此在設計驗證測試階段，忽視保護功能可能會阻礙系統(tǒng)設計順利完成。事實上，更糟糕的情況是工廠車間的生產線關停。全面保護設備免受故障損害的保護電路很有用，可盡量延長系統(tǒng)正常運行時間。
系統(tǒng)工程師若要全面保護其產品，必須解決一些設計挑戰(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很繁瑣。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，都很困難。使用多個元器件的結果是解決方案尺寸很大。由于系統(tǒng)平均無故障時間(MTBF)很低，擁有成本很高。
圖7.一個系統(tǒng)電源保護電路使用了40個分立元器件
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)方法在過去可能效果不錯，但它不適應現(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)預算緊張。鑒于這種轉變，更適合現(xiàn)代系統(tǒng)的保護解決方案是什么？它應是高集成度保護IC（見圖8），需要集成場效應晶體管(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Underwriters Laboratories Inc./國際電工委員會(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(xiàn)代系統(tǒng)提供可靠保護。
圖8.單芯片高集成度解決方案
保護IC示例和關鍵工作概念
ADI公司的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對電流故障的響應模式——連續(xù)、閉鎖還是自動重試模式。
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。
圖10.具有功率限制的高集成度60 V/6 A保護IC
現(xiàn)在，讓我們以MAX17526為例詳細考察幾個關鍵特性。
如圖11所示，MAX17526測量系統(tǒng)消耗的電流，并使用SETI引腳將其報告給系統(tǒng)控制器。電阻RSETI可以調整，以根據(jù)系統(tǒng)要求對限流水平進行編程。
圖11.MAX17526的限流設置和監(jiān)控功能
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(jié)點VEXT連接到輸入電壓(VIN)還是輸出電壓(VOUT)。IC動態(tài)調整電流限值以實現(xiàn)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，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(xiàn)代系統(tǒng)也可以利用保護IC的所有安全合規(guī)性方面。通過UL 2367、IEC 60950或IEC 62368認證的保護IC可以簡化系統(tǒng)級安全要求，從而降低認證相關成本并縮短認證時間，有助于加快產品上市。例如，ADI公司的 MAX17608 和 MAX17613 是通過UL和IEC認證的保護IC。
結論
電源系統(tǒng)是所有系統(tǒng)或設備的關鍵模塊。電源故障是固有的，確實會發(fā)生，但通過實施適當?shù)碾娐繁Ｗo，可以防止發(fā)生系統(tǒng)故障和設備停機，這對于當今競爭激烈的全球商業(yè)環(huán)境中的生產力和盈利能力至關重要。與傳統(tǒng)的分立或單功能IC解決方案相比，當今的先進保護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(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，對于當今復雜的終端設備，這類功能可以發(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高昂的停機時間的有效方式。
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