航空和國(guó)防應(yīng)用的電源保護(hù)
凌力爾特向國(guó)防工業(yè)供應(yīng)高性能模擬集成電路已經(jīng)近 30 年了，一直奉獻(xiàn)各種資源來(lái)支持該市場(chǎng)的專門需求。凌力爾特提供包括工業(yè)、汽車和軍用溫度范圍在內(nèi)的多種產(chǎn)品級(jí)別以及業(yè)界領(lǐng)先的質(zhì)量和 0.1 FIT 級(jí)的“同類最佳”可靠性。
引言
LRU (現(xiàn)場(chǎng)可更換單元) 是模塊化子系統(tǒng)，采用同樣的標(biāo)準(zhǔn)物理及電氣接口。LRU 廣泛用于軍用和民用航空領(lǐng)域，在這類應(yīng)用環(huán)境中，簡(jiǎn)單的單元替換可簡(jiǎn)化偏僻位置的維護(hù)工作。每個(gè) LRU 都必須設(shè)計(jì)為符合嚴(yán)格的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)要求，以確保兼容性并在嚴(yán)酷的環(huán)境中可靠工作。
本文將討論 LRU 電源接口，尤其要討論的是，在電壓尖峰、浪涌及紋波形式電源異常情況下，與防止下游 DC/DC 轉(zhuǎn)換器和線性穩(wěn)壓器損壞有關(guān)的要求。
尖峰、浪涌和紋波
尖峰和浪涌的定義在不同的標(biāo)準(zhǔn)中略有差異。各國(guó)都制定了自己國(guó)家的政府軍用標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)飛機(jī)制造商則引用自己的規(guī)范，而 RTCA (航空無(wú)線電技術(shù)委員會(huì)) 制定了國(guó)際性的標(biāo)準(zhǔn)，以在前兩者之間建立起銜接的橋梁。表 1 羅列了其中三種主要的參考標(biāo)準(zhǔn)并匯總了其瞬態(tài)要求。
表 1：瞬態(tài)要求概要
瞬態(tài)要求的參考
* 每個(gè)尖峰的最大能量為 15mJ
因可用空間的限制，以上只是必須滿足的“籠統(tǒng)”條件；每種規(guī)范都包含有詳細(xì)的性能曲線示意圖和測(cè)試條件。MIL-STD-1275D標(biāo)準(zhǔn)的“僅發(fā)生器模式”的紋波規(guī)格給出的是最壞情況示例，正常工作模式規(guī)定為偏離穩(wěn)態(tài)條件±2V。其他的國(guó)家級(jí)規(guī)范還有很多，比如英國(guó)政府制定針對(duì)軍用車輛的 DEFSTAN 61-5 (第六部分)，該標(biāo)準(zhǔn)的要求與MIL-STD-1275D具有廣泛的相似性，不過(guò)其針對(duì)的是 12V 和 24V 系統(tǒng)。
系統(tǒng)必須設(shè)計(jì)為能承受所規(guī)定最壞情況下的條件而不被損壞，但通常情況下的目標(biāo)是，開(kāi)發(fā)一個(gè)在達(dá)到預(yù)先確定的安全停機(jī)點(diǎn)之前，能在規(guī)定的瞬態(tài)變化范圍內(nèi)持續(xù)工作的電路。在有些情況下，因?yàn)樾枰s小組件的物理尺寸，所以在所允許的 LRU 機(jī)箱內(nèi)，不可能完全滿足規(guī)范要求，這就需要在客戶和供應(yīng)商同意的情況下修訂規(guī)范。
這種多樣性導(dǎo)致很難開(kāi)發(fā)一個(gè)滿足所有需求的單一解決方案，而且項(xiàng)目不同，標(biāo)準(zhǔn)要求也有很多變化，需要調(diào)整以滿足工作環(huán)境對(duì)正在開(kāi)發(fā) LRU 的要求。結(jié)果，設(shè)計(jì)師往往采用就事論事的方法，不同情況采用不同的保護(hù)電路。
挑戰(zhàn)
我們先來(lái)說(shuō)說(shuō)電壓尖峰，此類瞬變往往表現(xiàn)為持續(xù)數(shù)十 μs 的幾百伏電壓，源自雷擊或負(fù)載階躍的感性耦合。目前的對(duì)策是在 LRU 連接器組件中使用一個(gè)瞬態(tài)電壓抑制器，并結(jié)合一個(gè) π 型濾波器與鐵氧體磁珠配置，這種解決方案有效且節(jié)省空間。
一個(gè)更具挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域是，防止由負(fù)載突降引起的、典型值低于 100V、持續(xù)數(shù)十或數(shù)百毫秒的電壓浪涌的傳播。當(dāng)一個(gè)負(fù)載電路斷接導(dǎo)致交流發(fā)電機(jī)兩端的電壓短時(shí)間內(nèi)迅速增大、從而采用相同電源的其他負(fù)載上的電壓也在短時(shí)間內(nèi)迅速增大時(shí)，就會(huì)發(fā)生浪涌電壓傳播。有一種解決方案是采用由一個(gè)串聯(lián)電感器和高值電解旁路電容器組成的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)，再配之以一個(gè)瞬態(tài)電壓抑制器和熔絲。此類解決方案往往龐大笨重，而且仍然會(huì)傳導(dǎo)某些較高的電壓，因此要求下游組件必須耐受較高的輸入電壓。
在業(yè)內(nèi)，設(shè)計(jì)人員的做法是采用一個(gè) MOSFET 傳輸元件來(lái)開(kāi)發(fā)基于分立組件的有源解決方案，但這通常需要花費(fèi)大量的測(cè)試時(shí)間用于優(yōu)化檢測(cè)、控制環(huán)路及傳輸晶體管電路。防止 MOSFET 傳輸元件發(fā)生過(guò)熱并使之處于其安全工作區(qū)之內(nèi)常常被引述為設(shè)計(jì)中最具挑戰(zhàn)性的環(huán)節(jié)。有時(shí)，依然需要使用熔絲來(lái)保護(hù) MOSFET 免遭短路故障情況的損壞。不用說(shuō)，更換燒斷的熔絲對(duì)于民用航空而言可能會(huì)帶來(lái)不希望的后勤混亂，另外還有可能導(dǎo)致重要的軍用設(shè)備在至關(guān)緊要的操作中短暫癱瘓。一種解決電壓浪涌問(wèn)題的方案是，采用 LT4356 浪涌抑制器 IC，該器件非常適用于完成抑制浪涌的任務(wù)，本文后面將更詳細(xì)地介紹其工作原理。
最后，LRU 輸入電源上的電壓紋波可能帶來(lái)進(jìn)一步的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，尤其是，針對(duì)發(fā)生器模式軍用車輛的 MIL-STD-1275D 規(guī)范相當(dāng)嚴(yán)格 (參見(jiàn)表 1)。人們采用了各種不同的方法，包括允許保護(hù)電路將紋波傳遞至穩(wěn)壓級(jí)或者電壓紋波的幅度更加適中的地方，以及在保護(hù)電路自身的內(nèi)部對(duì)其進(jìn)行濾波處理等。在后一種方法中，必須對(duì)保護(hù)電路實(shí)施優(yōu)化，以便有針對(duì)性地處理具有不同特性的大電壓瞬變與小幅度的緩變紋波。
趨勢(shì)
由于在成本、空間和重量方面承受著壓力，再加上人們?cè)絹?lái)越多地需要利用多個(gè)低電壓、大電流的電源軌來(lái)給復(fù)雜的 FPGA 及處理器供電，因而導(dǎo)致負(fù)載點(diǎn) (POL) 電源架構(gòu)成為發(fā)展趨勢(shì)。
采用具有多個(gè)輸出的完全不同、大型、模塊化、螺栓安裝式隔離型穩(wěn)壓器在電路板級(jí)上提供最終電壓軌的做法正逐步讓位于分布式和高效率的 POL 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，例如：凌力爾特公司的µModule® 系列 (見(jiàn)圖 1)。此類穩(wěn)壓器通常由 LRU 內(nèi)部的一個(gè)隔離式中間電源總線來(lái)供電，而 LRU 則依靠飛機(jī)或車輛的電源系統(tǒng)饋送 28V 或更高的 DC 電壓。
圖 1：凌力爾特微型模塊系列的一員
轉(zhuǎn)向 POL 電源架構(gòu)的一個(gè)結(jié)果是，有機(jī)會(huì)將浪涌保護(hù)從中央電源電路板重新分配到 LRU 內(nèi)的各個(gè)電路板上。較小的負(fù)載允許使用具專用過(guò)壓保護(hù) IC 的小型、高效率解決方案。
LT4356 解決方案
LT4356 浪涌抑制器保護(hù)負(fù)載免受高壓瞬態(tài)和過(guò)流故障影響。圖 2 顯示了該器件的簡(jiǎn)化內(nèi)部方框圖。在正常操作條件下，一個(gè)外部 N 溝道 MOSFET 被驅(qū)動(dòng)至完全導(dǎo)通，并充當(dāng)一個(gè)傳輸器件。如果輸入電壓升高，高于 FB 引腳電阻分壓器設(shè)定的穩(wěn)定點(diǎn)，那么該 MOSFET 就變成一個(gè)線性穩(wěn)壓器，允許負(fù)載電路經(jīng)過(guò)瞬態(tài)事件繼續(xù)工作。
圖 2：LT4356 的簡(jiǎn)化方框圖
在發(fā)生過(guò)流事件時(shí)，電流限制環(huán)路控制 MOSFET 上的柵極電壓，以將 VCC 和 SNS 引腳之間的檢測(cè)電壓限制到 50mV。
無(wú)論過(guò)壓還是過(guò)流事件都將啟動(dòng)一個(gè)電流源，以給 TMR 引腳充電。充電電流與輸入至輸出電壓之差有關(guān)，這樣故障越嚴(yán)重，定時(shí)器周期就越短，從而確保 MOSFET 保持在安全工作區(qū)內(nèi)。當(dāng) VTMR 達(dá)到 1.25V 時(shí)，故障引腳拉低，以指示檢測(cè)到一個(gè)故障。如果故障狀態(tài)持續(xù)，那么當(dāng) VTMR 達(dá)到 1.35V 時(shí)，MOSFET 斷開(kāi)。用 2µA 電流拉低 TMR 引腳，以設(shè)定冷卻周期，直到該引腳達(dá)到 0.5V 的重試門限且 MOSFET 再次接通為止。
圖 3a 顯示了一個(gè)具 12V 輸入的典型應(yīng)用電路，而在圖 3b 中，16V 箝位電平保護(hù)下游 DC-DC 轉(zhuǎn)換器免受 80V 輸入浪涌影響。
圖 3：LT4356 應(yīng)用電路
LT4356 可以在 4V 至 80V (絕對(duì)最大值為 100V) 的輸入電壓范圍內(nèi)工作，還可以拉至比地電位低多達(dá) 60V 而不會(huì)損壞。在需要的情況下，增加一個(gè)小型瞬態(tài)電壓抑制器，可以針對(duì)短的高壓尖峰提供更高的保護(hù)水平。LT4356 有三種版本可用 (參見(jiàn)表 2)，詳細(xì)的應(yīng)用電路例子在以下網(wǎng)址提供的數(shù)據(jù)表中提供：www.linear.com.cn。
表 2：LT4356 可選版本
LT4356MP (軍用級(jí)塑封) 級(jí)產(chǎn)品在 -55°C 至 +125°C 的溫度范圍經(jīng)過(guò)測(cè)試并有保證，采用 MSOP-10 或 SO-16 封裝。所有 MP 級(jí)產(chǎn)品還經(jīng)過(guò)了更嚴(yán)格的篩選、可靠性監(jiān)視和更嚴(yán)格的工藝過(guò)程內(nèi)控制。與凌力爾特的所有產(chǎn)品一樣，我們對(duì) MP 級(jí)別的器件也提供了終身?yè)?dān)保，而且這種產(chǎn)品可采用無(wú)鉛型或含錫鉛的端子涂層。
結(jié)論
就滿足軍用和飛機(jī)設(shè)備的可靠性要求而言，在 LRU 中采用堅(jiān)固的保護(hù)電路是極其必要的。多種標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范、設(shè)備發(fā)展趨勢(shì)以及轉(zhuǎn)向 POL 電源架構(gòu)，這些因素都導(dǎo)致需要小型、高效率、可分布在 LRU 內(nèi)電路板上的保護(hù)電路。這類電路傳統(tǒng)上是由分立式組件構(gòu)成的，難以優(yōu)化，而且優(yōu)化要耗費(fèi)大量時(shí)間。LT4356 浪涌抑制器可構(gòu)成有效的過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)電路的基礎(chǔ)，是凌力爾特提供的斷路器和過(guò)壓保護(hù)器件系列的成員之一。
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