高可靠性电源系统的设计

高可靠性系统设计包括：采用容错设计方法、选择合适的组件以满足预期环境条件要求和符合技术标准要求。

本文专注于讨论实现高可靠性电源的半导体解决方案，这类电源包括冗余电路、电路保护和远端系统管理。文中还将重点讨论简化设计、提高组件可靠性的最新产品功能。

高可靠性电源系统要求

在理想情况下，高可靠性系统应该设计成能够避免单点故障，提供故障隔离手段，以在发生故障时使系统可以继续运行，但性能也许有一定程度的下降。高可靠性系统还应该能够控制故障，避免故障传播到下游或上游电子组件中。

内置冗余电路是一种解决方案，这种解决方案或者采取主动分担负载的并联电路形式，或者在故障未发生时处于备用等待状态。在每种情况下，故障检测和管理都需要额外的电路系统开销，因此增加了总体复杂性和成本。有些系统还采用了不同的并联电路，以增强多样性，降低共有故障机制风险，有些飞机的飞行控制系统中会采用这样的电路。

高复杂性系统提高了电源性能要求，高转换效率和良好的温度管理至关重要，因为结温每升高 10°C，IC 的寿命就大约减少一半。正如我们看到的那样，功能丰富的最新电源 IC 和专门的电源管理功能现在增强了对 IC 本身及其周围系统的保护。

电源稳压器安全功能

输出电流限制

这不是一种新功能，但是其实现已经变得越来越准确和先进，随着用户可编程功能的增加，灵活性也提高了。例如，图 1 所示的 LT3667 是一款 40V、400mA 降压型开关稳压器，具有两个故障保护的低压差线性稳压器。内部保护电路功能包括电池反向保护、电流限制、热限制和电流反向保护。该 IC 的开关稳压器部分提供开关电流限制和箝位二极管电流限制，这样在输出短路等故障情况下，就可以控制输出电流。两个线性稳压器还具备单独的用户可编程电流限制，在图 1 所示的应用例子中，由 R7 和 R8 设定为 100mA。

如果出现故障，这些措施不仅保护器件本身，还能保护下游电子组件。

图 1：LT3667 故障保护、开关和线性稳压器

输入电流限制

这种功能在用光伏电池收集能量之类的电路中常见，在这类电路中，高阻抗源要求必须仔细控制电流，以防止电源电压崩溃。除了保护上游电子组件免受过载影响，输入电流限制还可作为备份电源的安全功能使用，如图 2 所示，在备份电源中，必须保护大型电容器，并对其安全充电。LTC3128 提供准确度为 ±2% 的可编程平均输入电流限制。在图中所示应用中，输入电流限制设定为 3A，超级电容器备份电路仅吸取主负载通过降压-升压型转换器未消耗的“剩余”电流。

图 2：基于 LTC3128 的超级电容器备份电路

过热保护

过热保护大部分用于具备内部功率晶体管的电源稳压器 IC。在上述采用 LTC3128 的情况下，大约在 165°C 时触发过热停机，在温度降至大约 155°C 之前，该器件一直被禁止。不过，该产品还包含一个热稳压器，以在用大电流给非常大的电容器充电时，防止器件进入过热停机状态。当芯片温度超过 135°C 时，该稳压器通过逐步降低平均电流限制发挥作用。诸如 8 输出降压型稳压器 LT3375 等产品可提供一个芯片温度输出，用户能够选择设定为 3 种芯片温度门限之一。

控制多个输入源

包含一个主电源和一个冗余备份电源、也许还有一个外部辅助电源的电源系统需要一个判断系统，以决定哪个电源拥有优先权，并监视这些电源的状态。此外，判断系统必须在电源切换时防止电源系统出现交叉传导和反向馈送。LTC4417 等单芯片 IC 提供了一种解决方案，可根据用户为每个输入定义的电源门限进行验证，然后自动选择电源。

另一种方法是由两个同时运行的输入源分担负载，这样可以降低每个输入源的负担，提高可靠性，同时如果两个输入源每个的大小都适合支持整个负载的需求，那么分担负载这种方法还可以在一个输入源出故障时提供保护，这也可以提高可靠性。过去有可能采用一种简单但效率较低的二极管“或”解决方案，但是这种解决方案要求每个电源都提供有源控制，以平衡负载。图 3 显示，现在可以用单芯片解决方案完成这个任务。LTC4370 是一款均流控制器，提供反向隔离，防止一个电源的故障导致整个电源系统崩溃。

图 3：LTC4370 双冗余电源分担负载

瞬态保护

军用和航空电子产品必须符合瞬态保护规格要求，例如 MIL-STD-1275 (车辆) 和 MIL-STD-704 / DO-160 (飞机)。不过，任何高可靠性系统都需要抵御电压浪涌、尖峰和纹波，而且已有专门提供这种功能的产品。尽管半导体工艺技术进步现在允许稳压器 IC 以 100V 甚至更高的输入电压工作，但是专门的瞬态保护 IC 提