高可靠性系統(tǒng)設計包括使用容錯設計方法和選擇適合的組件，以滿足預期環(huán)境條件并符合標準要求。

本文專門探討實現高可靠性電源的半導體解決方法，這類電源供應冗余、電路保護和遠程系統(tǒng)管理。本文將突出顯示，半導體技術的改進和新的安全功能怎么樣簡化了設計，并提高了組件的可靠性。

高可靠性電源系統(tǒng)的要求

在理想的世界里，高可靠性系統(tǒng)應該設計為能夠防止單點失效，有辦法在保持運行(但也許是在降低的性能水平上)的情況下隔離故障。高可靠性系統(tǒng)還應該能夠抑制故障，防止故障傳播給下游或上游電子組件。

內置冗余是一種解決方法，這可以采用并聯電路以主動分擔負載或者在故障發(fā)生之前以備用模式等待。在每一種內置冗余方式中，實現故障檢測和管理都要額外的電路開銷，這提高了總的復雜性和成本。有些系統(tǒng)還建立了不同的并聯電路，以新增多樣性，防止出現相同故障機制這種風險，某些飛行控制系統(tǒng)就是這么做的。

提高系統(tǒng)復雜性給電源性能造成了更大負擔，因此高轉換效率和良好的熱量管理變得至關重要了，因為結溫每上升10°C，IC壽命大約減少一半。正如我們將看到的那樣，現在新功能豐富的電源IC和專用電源管理功能增強了對IC本身及其周圍系統(tǒng)的保護。

電源穩(wěn)壓器的安全功能

電壓穩(wěn)壓器的電流限制越來越準確，形式也越來越復雜，以防止過大的輸出電流損壞器件本身或下游組件。內部保護電路也相當常見，包括電池反向保護、電流限制、熱量限制和電流反向保護。

LTC7801DC/DC開關控制器就是一個改進了工藝技術和安全功能的產品實例。該器件可安全地承受高達150V的輸入電壓，并供應一種保護功能，以在輸入電壓上升至高于可編程工作范圍時，禁止切換。這種功能簡化了輸入電源瞬態(tài)保護電路，減少了組件數并縮減解決方法尺寸。運用針對電壓過沖供應保護的過壓比較器，也可以很好地保護輸出，同時折返電流限制器在過流和短路故障情況下可控制功耗。

圖1：LTC7801高壓降壓型DC/DC控制器

寬引腳間隔可防止相鄰高壓和低壓引腳之間出現危險的電弧，通過供應這樣的封裝選擇，也增強了物理封裝方面的安全性。擊穿電壓隨著氣壓降低而下降，因此非正常氣壓的飛機應用可以選擇LTC3895，該器件供應與LTC7801相同的功能和性能，但是供應具0.68mm雙倍引腳間隔的封裝選擇。另外，還可采用一些具有符合所謂FMEA(失效模式和影響分析)標準之引出腳配置的產品，比如容錯型LT3007線性穩(wěn)壓器，在此類引出腳配置中，假如相鄰的引腳短接在一起或某個引腳被浮置，則輸出維持在或低于調節(jié)電壓。

控制多個輸入電源

含有一個主電源和一個冗余備份電源同時也許還有一個外部輔助電源的電源系統(tǒng)要一種仲裁系統(tǒng)，以確定哪個電源有優(yōu)先權并監(jiān)視這些電源的狀態(tài)。此外，還必須保護系統(tǒng)，防止在電源切換時發(fā)生交叉?zhèn)鲗Ш头聪蝠佀?。諸如LTC4417等單芯片IC供應一種解決方法，即針對每個輸入驗證用戶含義的電源門限，依此自動選擇電源。

另一種方法是由兩個同時運行的輸入電源分擔負載，從而通過減輕每個電源的負擔提高可靠性，假如每個電源都經過適當調整，能夠支持滿負載需求，那么這種方法同時還能在一個電源發(fā)生故障時供應保護。過去，可能一直采用簡單但效率低的二極管合路電路，但這種電路要求每個電源都配備有源控制以平衡負載。圖2顯示，現在怎么樣才能用單個芯片解決方法來實現這種控制。LTC4370是一款均流控制器，具反向隔離，防止一個電源發(fā)生故障導致整個電源系統(tǒng)宕機。

圖2：LTC4370雙冗余電源均分

瞬態(tài)和電路保護

特種和特種電子產品必須符合瞬態(tài)保護規(guī)范，例如MIL-STD-1275(車輛)和MIL-STD-704/DO-16(飛機)。不過，人們希望任何高可靠性系統(tǒng)都針對電壓浪涌、尖峰和紋波供應保護，有些產品專門供應這種保護功能，例如LT4364。

此外，還有多種電路保護功能可用，包括LTC4368這類產品。LTC4368是一款100V雙向電路斷路器，針對電源電壓過高、過低甚至為負、以及針對正向和反向過流故障供應保護。

圖3：供應保護功能的LTC4368雙向電路斷路器

在這些例子中我們可以觀察到，具日益復雜的保護和安全功能的新產品怎么樣簡化了應用電路設計，并減小了解決方法尺寸。

數字電源系統(tǒng)管理

模擬電源調節(jié)有自己的優(yōu)勢，通過基于I2C的pMBus接口進行數字控制以支持電源系統(tǒng)遠程管理也有自己的優(yōu)勢，新型產品正在結合這兩種優(yōu)勢。遙測和診斷數據可用來監(jiān)視負載情況、讀取芯片溫度并以非常高的準確度進行微調和裕度控制，從而最大限度提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、效率和可靠性。

數字電源管理的一個引人關切問題是軟件的復雜性，然而，LTC3815執(zhí)行一種簡化的pMBusLite命令集，沒有片內非易失性存儲器或微控制器，它在簡化設計的同時供應了數字控制和監(jiān)視的好處。

正如之前提到的那樣，良好的熱量控制關于可靠性是非常重要的，LTC3815供應兩級過熱門限和兩級響應。當內部芯片溫度超過150°C時，過熱狀態(tài)被標記到pMBus上，ALERT引腳拉低以向pMBus主器件發(fā)出警報。假如溫度繼續(xù)上升并超過170°C，那么LTC3815就關斷所有電路，包括輸出調節(jié)電路，直到過熱狀態(tài)清除為止。

這類能夠報告其狀態(tài)的系統(tǒng)為改變維護方式供應了機會，即從基于時間的維護安排轉變到基于狀態(tài)的維護，并有可能在系統(tǒng)故障形成之前，凸顯性能下降問題。

隔離式系統(tǒng)

高可靠性電源系統(tǒng)通常包括一個隔離勢壘，以保護電源總線免遭下游線路可更換單元故障的損壞。另外，不斷新增的傳感器和執(zhí)行器數目也在推動著關于較小、局部隔離式電源和數據接口的需求，旨在減少源自接地環(huán)路和共模干擾的噪聲感應問題。現在已經有了完整的電流隔離型BGA模塊解決方法，以簡化設計和提高可靠性。LTM9100隔離型開關控制器是一款一體化解決方法，用于控制、保護和監(jiān)視高達1000VDC的高電壓電源。一個5kVRMS電氣隔離勢壘隔離了數字接口和開關控制器，從而可驅動一個外部N溝道MOSFET或IGBT開關。通過I2C/SMBus接口可對負載電流、總線電壓及溫度進行隔離式數字測量，從而實現高電壓總線的功率和能耗監(jiān)視。

圖4：具遙測功能的LTM9100隔離式開關控制器

組件選擇

本文大部分內容都專門用來探討簡化高可靠性電源設計的新功能，或者針對故障或粗暴使用情況保護器件的產品功能。然而，至關重要的是，不要忽視組件質量的重要性以針對預期環(huán)境條件選擇正確組件級別的重要性。例如ADI的特種塑料封裝等級器件供應了經過100%測試和有保證的性能(在-55°C至+125°C溫度范圍內)，從而免除了對預期存在非常嚴酷條件的應用電路中的組件進行昂貴二次篩分或特性分析之需。

結論

憑借用戶可編程特性、更加精細復雜的片內保護機理和縮減了整體解決方法占板面積的更高集成度，已使高可靠性電源的設計得以簡化。數字電源系統(tǒng)管理供應了方法以遠程監(jiān)視和控制電源系統(tǒng)以及進一步改善效率和可靠性。最后，選擇一家信譽良好供應商的正確組件等級將降低發(fā)生質量和可靠性問題的可能性。