IBA基电源系统的保护电路

在很多计算和通信应用中,非隔离负载点(niPOL)中间总线结构(IBA)转换器正在继续替代通常的分布和中央电源系统方案。这种趋势的关键驱动力包括：系统电压数的增加,较高的输出电流,较严格的稳压要求和较低总系统成本。很多IBA/niPOL方案能满足这些要求。但是,这种方案没有从前一般方案中的保护机构。

在电源系统设计中,过压保护(OVP)和过温保护(OTP)是非常希望的。没有这些保护,在元件失效时会导致系统失效,并严重地损坏产品。很多niPOL转换器,不管是购买的散件还是分立设计都不包含综合的OVP和OTP电路。在每个niPOL转换器中增加这种保护是可能的,但是,还可用更好的方法在系统级解决保护问题。

　　IBA/POL系统

为了了解系统级的电源保护,用IBA/POL方案的典型电源系统框图(图1)来加以说明。图中由AC-DC电源产生12V中间总线。除主输出之外,还有1个用于电源管理电路的总处于开通状态的辅助电源。此电路控制中间总线和各个niPOL转换器,用使能信号置开/关状态、V-OK信号监控电压。电源管理电路中的其他功能包括电压定序、复位信号、状态LED和到主机系统的其他接口。

 

　　图1 典型的IBA/POL结构包括使能总线和下游转换器的电源管理电路以及监控电压的器件

 

　　图2 可以响应过温条件的PTC热敏电阻

(a)和硅温度开关(b)

因为中间总线为所有下游转换器以及风扇、磁盘驱动或其他负载提供电源,所以,它一般是大功率输出。根据系统不同,此总线可提供200W~1KW。如失效条件使此功率都集中在单一器件上,则局部的热量会烧坏器件和导致其他不利的影响。

在使用中,关键是电源管理电路关闭中间总线的能力。若某些失效导致系统某处温度或电压过高,则这种失效能力能在电源去除之后使损坏消除。对危险过温或过压事件的唯一合理响应是关断电源。因此,设计方案为电源管理电路提供信号,使得能闭锁中间总线来响应这些失效条件。

　　过温保护

集中电源系统,如多输出AC-DC电源,具有内部温度传感器、风扇速度监控器来保护内部或外部热失效。传统的隔离DC-DC砖式转换器也具有OTP,它是用放置在危险位置上的一个或多个热传感器来实现OTP。充分地测试这些产品来保证转换器遭受永久损坏前输出关闭。

相反,大多数niPOL转换器不包括OTP性能。某些控制器IC在其管芯温度太高时将关闭。然而,这不能检测和保护功率元件(如MOSFET)的过温。特别是在分立niPOL设计中,其电源轨与控制器可以是热隔离的。

为了在系统级提供OTP,考虑电源系统过温事件的原因。假设所设计的转换器是从过流条件来保护自己,另外两个剩下的关键条件是过高的环境温度和不够的气流。大多数系统设计包括环境温度传感监控器。电源管理电路可以监控这些信号。若超过温度和风扇阈值,则电源管理控制器闭锁总线转换器并认定失效条件。

系统也可能有处理器、磁盘驱动和ASIC这样的元件,它们对热失效比电源转换器更敏感。系统设计已有用于这些器件的热监控器,这可为功率管理电路提供另外的热失效信息。

若需要电源系统更多热监控,则可用小的低成本方案来实现。可以把正温度系数(PTC)热敏电阻放置在板上关键处。在连接到桥配置的比较器(见图2a)时,电路可由辅助电源(不需要基准电压)供电。另外一种简单方案是用硅温度传感器(图2b),这种传感器在温度阈值超过时,它会提供一个数字信号。这些信号可以馈入电源管理电路来指示热失效条件。应该仔细地选择温度阈值来保护器件,使其在所支持的工作条件下防止任何有害事件的发生。

最有效的方案可以把已有的系统传感器结合起来。热阈值检测器容易使用,它们的输出可以二极管“或”以使电源管理电路的复杂性最小。

　　输出过压保护

由于尺寸的减小,使得新式低电压IC对过压条件特别敏感。电源过压可能导致半导体结击穿。这可能经器件产生低电阻通路,而变成局部热源。

若电阻对于断开转换器的过载保护电路不是足够低,则失效器件可能变得热失控。其结果是冒烟,起火烧坏板和元件,有严重的气味。

因此,在损耗可能发生前,检测和适当地响应任何的输出过压条件是极其重要的。

购买的AC-DC电源和隔离DC-DC单元具有防止持续过压条件的性能。首先,电源轨的隔离特性防止输出过压引起的任何短路MOSFET。其次,用分离基准来监控器件输出电压。若输出电压变得太高,一个分离信号穿过隔离边界来闭锁脉宽调制(PWM)控制器。

然而,相当可靠的非隔离同步降压转换器(最普通的niPOL)给出持续的过压条件来响应几个单点失效条件(图3)。首先考虑R1的焊点断开将会发生什么事情。这会断开到误差放大器的反馈信号,导致控制器误认为输出电压太