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如何保護電源系統(tǒng)設(shè)計免受故障影響

發(fā)布時間:2023-10-21 來源:ADI 責任編輯:wenwei

【導(dǎo)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(yīng)用中保障生產(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。與停機相關(guān)的維修成本和生產(chǎn)力損失可能非常高,具體取決于行業(yè)和事件的性質(zhì)。與維護和人為失誤相關(guān)的停機無法避免,但大多數(shù)與設(shè)備相關(guān)的故障是可以預(yù)防的。本文重點介紹由電源故障引起的停機,以及如何在設(shè)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(shè)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(yīng)用中保障生產(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。與停機相關(guān)的維修成本和生產(chǎn)力損失可能非常高,具體取決于行業(yè)和事件的性質(zhì)。與維護和人為失誤相關(guān)的停機無法避免,但大多數(shù)與設(shè)備相關(guān)的故障是可以預(yù)防的。本文重點介紹由電源故障引起的停機,以及如何在設(shè)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(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導(dǎo)致的電壓浪涌和瞬變、存儲電容的初始充電導(dǎo)致的沖擊電流、接線錯誤或線束意外短路導(dǎo)致的反向電壓、過流和過熱,都可能造成性能退化或不可逆轉(zhuǎn)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(zāi)難性事件。本文將討論一些常見術(shù)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(shù)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(guān)/USB開關(guān)/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(chǎn)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。


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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(yīng)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(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。


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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(fù)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(fù)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(nèi)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(qū)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(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(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。


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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(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,有時達到標稱直流輸入電壓的兩到三倍。


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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(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。


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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(dǎo)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(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。


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圖6.沖擊/短路電流和反向電流


溫度故障:如果設(shè)計得當,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)計順利完成。事實上,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(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(yīng),都很困難。使用多個元器件的結(jié)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。


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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(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?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(jié)合,可為現(xiàn)代系統(tǒng)提供可靠保護。


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圖8.單芯片高集成度解決方案


保護IC示例和關(guān)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(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。


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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。


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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(guān)鍵特性。


如圖11所示,MAX17526測量系統(tǒng)消耗的電流,并使用SETI引腳將其報告給系統(tǒng)控制器。電阻RSETI可以調(diào)整,以根據(jù)系統(tǒng)要求對限流水平進行編程。


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圖11.MAX17526的限流設(shè)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(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。


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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(diào)整電流限值以實現(xiàn)對輸入或輸出功率的限制。


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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。


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圖14.輸出功率限制響應(yīng)


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(guān)成本并縮短認證時間,有助于加快產(chǎn)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(jié)論


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?shù)碾娐繁Wo,可以防止發(fā)生系統(tǒng)故障和設(shè)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(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(fù)雜的終端設(shè)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(yīng)對代價高昂的停機時間的有效方式。



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