基于IBA的電源解決方案需要系統(tǒng)級保護(hù)

在計算和通信的許多應(yīng)用中，帶有非隔離式負(fù)載點(niPOL)轉(zhuǎn)換器的中間總線架構(gòu)(IBA)正不斷取代傳統(tǒng)的分布式和集中式電源解決方案。這個趨勢的關(guān)鍵推動因素包括：不斷增加的系統(tǒng)電壓數(shù)量、更高的輸出電流、更嚴(yán)格的規(guī)范要求以及更低的系統(tǒng)總成本。在滿足這些要求的同時，許多IBA/niPOL解決方案摒除了某些保護(hù)機制，而這些機制是以前傳統(tǒng)方案的標(biāo)準(zhǔn)配置。

例如，輸出過壓保護(hù)(OVP)和過熱保護(hù)(OTP)在電力系統(tǒng)設(shè)計中非常必要。但許多niPOL轉(zhuǎn)換器，不管是買來的組裝件還是分立設(shè)計，均不包括完整的OVP和OTP電路。雖然把這種保護(hù)機制加入每個niPOL轉(zhuǎn)換器是可行的，但在系統(tǒng)層面上解決這個問題將更勝一籌。

為從系統(tǒng)層面上理解電源保護(hù)，讓我們看看IBA/POL解決方案的一個典型電源系統(tǒng)方框圖(圖1)。在這里，12V的中間總線電壓由AC/DC電源提供。除了主輸出外，還有一個用于電源管理電路的小功率常開(always-on)輔助電源。這個電路利用設(shè)定開/關(guān)狀態(tài)的使能信號來控制中間總線和各個niPOL轉(zhuǎn)換器，并利用V-OK信號監(jiān)視電壓。這個電源管理電路的其它功能還包括電壓排序、復(fù)位信號、狀態(tài)指示LED和其它與宿主系統(tǒng)的接口。

由于該中間總線為所有下游轉(zhuǎn)換器(以及風(fēng)扇、硬盤驅(qū)動器或其它負(fù)荷)供電，所以它通常具有大功率輸出。該總線可以提供200W到1KW之間的功率，具體值取決于系統(tǒng)。如果某個故障導(dǎo)致這個電源集中在單個器件上，比如集中在一個損壞的半導(dǎo)體上，那么局部過熱很可能導(dǎo)致燃燒和其它不良效應(yīng)。

有待利用的關(guān)鍵特性是電源管理電路關(guān)斷中間總線的能力。在過熱或過壓的危急情況下，最合理的處理方法就是關(guān)斷電源。因此，該設(shè)計方案旨在向電源管理電路提供信號，該信號可使電源管理電路在出現(xiàn)上述某種故障狀態(tài)時閉鎖中間總線。

圖1：典型的IBA/POL架構(gòu)包括電源管理電路，以使總線和下游轉(zhuǎn)換器有效，并監(jiān)視電壓。

過熱保護(hù)

集中式電源系統(tǒng)(例如多輸出AC/DC電源)具備內(nèi)部溫度傳感器和風(fēng)扇速度監(jiān)視器，可防止出現(xiàn)內(nèi)部或外部過熱故障狀態(tài)。傳統(tǒng)隔離式DC/DC“磚塊”轉(zhuǎn)換器也可提供過熱保護(hù)。

相比之下，大多數(shù)niPOL轉(zhuǎn)換器并無過熱保護(hù)這個標(biāo)準(zhǔn)特性，某些控制器IC在其裸片溫度過高時會被關(guān)斷。但這可能無法檢測和防止MOSFET等功率元件出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。對于電源系統(tǒng)與控制器具有熱隔離的分立niPOL設(shè)計而言，尤其如此。

為提供系統(tǒng)級過熱保護(hù)，不妨思考一下電源系統(tǒng)出現(xiàn)過熱情況的原因。假定轉(zhuǎn)換器被設(shè)計用來避免出現(xiàn)過電流狀態(tài)，那么剩下的兩個關(guān)鍵原因就是環(huán)境溫度過高和空氣流通不暢。大多數(shù)系統(tǒng)設(shè)計都包括環(huán)境溫度傳感器和風(fēng)扇速度監(jiān)視器。電源管理電路可以監(jiān)視這些信號。如果溫度和風(fēng)扇速度超過閾值，電源管理控制器就會鎖閉總線轉(zhuǎn)換器，并給出故障狀態(tài)指示。

此外，系統(tǒng)可能還有處理器、硬盤驅(qū)動器和ASIC等元件，這些元件對熱故障的敏感度高于功率轉(zhuǎn)換器。系統(tǒng)設(shè)計中可能已經(jīng)包含了針對這些器件的熱監(jiān)視器，它們可以向電源管理電路提供其它熱故障信息。全面的系統(tǒng)合格性測試通常包括驗證這一環(huán)節(jié)。

如果電源系統(tǒng)需要更多的熱監(jiān)視功能，可用一個低成本的簡單方案來實現(xiàn)這點。將一個正溫度系數(shù)(PTC) 熱敏電阻放置在板上某個關(guān)鍵位置，當(dāng)被連接到圖2橋接配置中的比較器時，該電路可由輔助電源供電，且無需任何參考電壓(圖2a)。另一個簡單方案采用硅溫度傳感器，它在溫度超過閾值時產(chǎn)生一個數(shù)字信號(圖2b)。這些信號可被送到電源管理電路，以指示熱故障狀態(tài)。應(yīng)仔細(xì)選擇溫度閾值，以在避免不在正常工作狀態(tài)下動作的同時保護(hù)系統(tǒng)各個元件。

圖2：易于使用的PTC熱敏電阻(a)和硅溫度開關(guān)(b)可以在過熱狀態(tài)下產(chǎn)生一個數(shù)字信號。

最有效的解決方案可能是結(jié)合使用現(xiàn)有的系統(tǒng)熱傳感器與放在電源系統(tǒng)關(guān)鍵位置的額外熱傳感器。熱閾值檢測器很容易使用，并且其輸出可以是二極管或門形式，以將電源管理電路的復(fù)雜程度降到最低。

確定功耗較高的元件和位置是電源系統(tǒng)設(shè)計的一部分。盡管大部分功耗都可能源于開關(guān)型MOSFET，但FET驅(qū)動器、控制器和其它器件也應(yīng)在考慮范圍之內(nèi)。

找出每個位置之后，需確定系統(tǒng)中的哪個熱傳感器能夠?qū)λM(jìn)行監(jiān)視。如果需要，可考慮在無法通過現(xiàn)有器件有效監(jiān)視的位置加入更多的熱傳感器。如果后來發(fā)現(xiàn)沒有必要，可以在生產(chǎn)階段不裝配它們。為了驗證熱監(jiān)視器的有效性，并且確保它們決不會引起誤關(guān)斷，可以進(jìn)行系統(tǒng)驗證測試。通常的做法是在系統(tǒng)中的傳感器和大功耗元件上放置熱電偶。在“最差”狀態(tài)下(最高環(huán)境溫度以及消耗最大功率)運行系統(tǒng)有助于監(jiān)視這些溫度。

假定元件溫度不超過該狀態(tài)下的最高溫度，那么所有熱傳感器的溫度都應(yīng)低于使其動作的最小值?？梢栽黾釉O(shè)計裕量，以確保熱傳感器不會在所支持的工作狀態(tài)下誤動作，這一點至關(guān)重要。

一旦完成系統(tǒng)熱驗證，最好進(jìn)行熱故障測試。此時產(chǎn)品在高于所支持的額定環(huán)境溫度下工作，并且由于通風(fēng)孔阻塞，空氣流動不順暢。在上述各種故障狀態(tài)下，對溫度進(jìn)行監(jiān)視，直到發(fā)生熱關(guān)斷。在所有情況下，熱傳感器都應(yīng)該在出現(xiàn)永久性損壞之前以關(guān)斷系統(tǒng)電源。

圖3：非隔離式同步降壓轉(zhuǎn)換器盡管非?？煽?，但是可能由于幾個單點故障狀態(tài)而出現(xiàn)持續(xù)過壓狀態(tài)。例如，R1處的焊結(jié)點開焊會使反饋信號無法到達(dá)誤差放大器。

輸出過壓保護(hù)

市面上的AD/AD電源和隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器都具有防止持續(xù)過壓的特性。首先，電源系統(tǒng)的隔離特性可以防止任何短路的MOSFET導(dǎo)致輸出過壓。其次，有一個單獨的參考電壓被用來監(jiān)視該器件輸出端的電壓。如果輸出電壓太高，單獨的信號將穿過隔離邊界，鎖閉脈寬調(diào)制(PWM)控制器。簡而言之，這些產(chǎn)品已經(jīng)過設(shè)計和測試，因此任何單點故障都不會導(dǎo)致持續(xù)的輸出過壓狀態(tài)。

非隔離式同步降壓轉(zhuǎn)換器(最普通的niPOL)盡管相當(dāng)可靠，但是可能在幾個單點故障狀態(tài)時出現(xiàn)持續(xù)過壓狀態(tài)(圖3)。首先，設(shè)想一下如果R1的焊點開焊會導(dǎo)致什么后果。這會使反饋信號無法達(dá)到誤差放大器，從而使控制器誤認(rèn)為輸出電壓太低。作為響應(yīng)，它將工作于最大占空比，使幾乎整個輸入電壓都出現(xiàn)在輸出上。

其次，考慮MOSFET Q1由于短路而發(fā)生故障的情況。這會使得開關(guān)節(jié)點電壓過高，并且試圖把輸入電壓加到輸出端上。大部分控制器會通過導(dǎo)通Q2、減少占空比或者通過其內(nèi)部的過壓檢測功能來對這種情況進(jìn)行處理。大電源電流隨后會流經(jīng)這兩個MOSFET，希望以此使輸入過載。但如果總線的功率很高，結(jié)果可能不確定。最后，如果控制器內(nèi)部的參考電壓失效，也可能使輸出超過預(yù)期的設(shè)定值。

對于過熱保護(hù)，我們可將更多電路加到每個niPOL轉(zhuǎn)換器，以防止這些失效模式引起輸出過電壓。當(dāng)反饋斷開或參考失效時，可利用另外的參考和比較器來監(jiān)視輸出信號，并且在必要時關(guān)斷控制器。當(dāng)MOSFET短路時，可利用輸入斷開開關(guān)或帶有可控硅的在線保險管來阻止輸入功率傳輸?shù)睫D(zhuǎn)換器。但是，從成本、空間和功率損耗的角度看，這些電路會給電源系統(tǒng)設(shè)計帶來負(fù)面影響，而采用系統(tǒng)級方法再一次提供了更好的解決方案。

圖1電路中的每個輸出都已具備一個電壓監(jiān)視電路。在大多數(shù)情況下，設(shè)計工程師會選擇市場上現(xiàn)售的一種普通電壓監(jiān)視IC，如圖4a所示。在該圖中，被監(jiān)視的電壓與內(nèi)部參考電壓進(jìn)行比較。單個數(shù)字輸出確定被監(jiān)視電壓是否低于或高于該參考電壓。例如，一旦輸出達(dá)到1.71V，即其標(biāo)稱值的95%，被監(jiān)視的1.8V電源就會激活這個信號。因為這個電路只給出了一部分信息(高于或低于閾值)，所以它只能被用于監(jiān)視輸出欠壓(UV#)。一個典型的設(shè)計可使系統(tǒng)保持在復(fù)位狀態(tài)，除非在所有電源電壓都高于UV閾值。

但是如果增加比較器和電阻器，該電路就會變成圖4b所示的窗口比較器。該窗口比較器不僅提供現(xiàn)有的UV#信號，而且還提供過壓(OV#)信號以檢測輸出電壓是否太高。有多家供應(yīng)商提供這個元件，且其封裝尺寸與單個比較器相同，因此只需一個額外電阻即可。還可以利用一個獨立的參考和比較器來實現(xiàn)OV#檢測。

對于熱故障狀態(tài)，處理輸出過壓的唯一適當(dāng)操作就是關(guān)斷系統(tǒng)電源。因此，如果OV#信號有效，那么電源管理電路就會立即鎖閉中間總線轉(zhuǎn)換器，并指示故障狀態(tài)。這會關(guān)斷所有可能引起極大損壞的故障電源，而且還能避免損壞半導(dǎo)體和其它負(fù)載，使電路板可被維修好。

OV#動作電壓的設(shè)置應(yīng)該足夠高，以確保在啟動、負(fù)載步進(jìn)或其它瞬態(tài)狀況下不出現(xiàn)誤報現(xiàn)象。但是它應(yīng)該在它所供電的半導(dǎo)體達(dá)到最大電壓絕對值之前指示故障狀態(tài)?？蓪⒁粋€小電容與RC并聯(lián)，以過濾任何噪音或者加入小延遲。這個監(jiān)視電路獨立于niPOL轉(zhuǎn)換器，有它自己的參考電壓，并被放置在系統(tǒng)電路板上一個方便的位置，通?？拷髫?fù)載。由于輸出是數(shù)字的，所以該輸出可以被路由回電源管理電路，而無需過多關(guān)注噪音耦合。

圖4：典型的電壓監(jiān)視器僅檢測欠壓狀態(tài)(a)。窗口比較器可被用來同時檢測欠壓和過壓狀態(tài)(b)。

此外，如果OV信號是開路集電極，則所有OV監(jiān)視器都可以通過二極管或門電路連接在一起，以產(chǎn)生一個發(fā)送給電源管理控制器的主OV信號，從而把設(shè)計復(fù)雜度降到最低。電源系統(tǒng)設(shè)計工程師必須確保整個電力系統(tǒng)裝配好之后能夠按預(yù)期的方式工作。這包括對各種故障狀態(tài)的處理。盡管許多故障狀態(tài)是良性的，比如說產(chǎn)品停止工作，但某些故障會導(dǎo)致嚴(yán)重事故。在任何情況下都應(yīng)盡量避免故障狀態(tài)下的集中發(fā)熱和功率損耗。

通過采用“常開”輔助電源和現(xiàn)有的電源管理電路，可在系統(tǒng)級上實現(xiàn)過壓和過熱保護(hù)，并且成本相對低廉、元件相對少且對設(shè)計影響較小。使高功率中間總線無效可消除可能給系統(tǒng)造成嚴(yán)重危害的能量。

作者：Bob Thomas，電源系統(tǒng)設(shè)計師，Email：bobtho@cisco.com，思科系統(tǒng)公司