降低从中间总线电压直接为低电压处理器和FPGA供电的风险

图1: 传统的过压保护电路包括熔丝、SCR和齐纳二极管。虽然成本低，但是这一电路响应时间不足以实现对最新数字电路的可靠保护，特别是上游供电电源是中间电压总线的情况。而且，即使从过压故障中进行最简单的恢复也很麻烦并非常耗时。

结合了电源和保护电路的最新创新
更好的解决方案是准确地探测到即将出现的过压情况，迅速响应，断开输入供电，通过低阻抗通路释放掉负载上的过量电压。现在，采用 LTM4641 降压 µModule® 稳压器强大的保护功能可以实现这一解决方案。器件的核心是额定 38V 的 10A 降压稳压器，含有电感、控制 IC、电源开关和补偿电路，这些都在一个表面安装封装中。但是，为 ASIC、FPGA 和微处理器等昂贵的负载增加保护需要功能更强的监视和保护电路。LTM4641 一直监视输入欠压、输入过压、温度过高、以及输出过压和过流状态，并正确的做出响应以保护负载。为避免错误或者过早的执行保护功能，除了过流保护，每个受监视参数都内置了抗干扰和用户可调触发门限，通过电流模式控制，在每一个周期中可靠的实现过流保护。出现输出过压状态时，LTM4641 在 500ns 的故障探测时间内做出响应 (图 2)。

图2: LTM4641 在 500ns 内响应过压状态，保护负载不受电压应力的影响。(VIN = 38V，VOUT = 1.0V，可调过压触发门限设置在 +11%)

LTM4641 内部体系结构不但使其能够迅速可靠的响应，而且，在故障状态减弱后，甚至能够自动复位，恢复工作。采用了差分感测放大器对负载的电源终端电压进行稳压，减小了共模噪声，以及 LTM4641 和负载之间 PCB 走线压降导致的误差。在电路、负载和温度变化时，负载的 DC 电压稳压精度优于 ±1.5%。这一精确的输出电压测量结果被送入高速输出过压比较器，触发 LTM4641 的保护功能。

探测到过压状态后，µModule 稳压器同时迅速采取多种措施。外部 MOSFET  (图3中的 MSP) 断开输入供电，从稳压器和昂贵的负载上去除高电压通路。另一个外部 MOSFET (图3中的 MCB) 负责执行一种低阻抗放电功能，可对负载的旁路电容器实施快速放电 (图 3 中的 C)。LTM4641 中的 DC/DC 降压稳压器进入闭锁关断状态，在 HYST 引脚上发出故障信号，系统可以使用该信号来启动很好管理的关断过程和 / 或进行系统复位。采用了独立于控制环参考电压的专用电压参考来探测故障状态。如果控制环的参考出现故障，这就实现了抗单点失效的功能。

                        图3: LTM4641 输出过压保护图。两个探针图标对应于图2 中的波形

系统怎样从故障中恢复进一步显示了 LTM4641 保护功能相对于传统熔丝 / SCR 保护方法的优势。在传统过压保护方法中，熔丝方法取决于电源与昂贵的负载相分离。因此，在系统出现故障后，必须采取实际措施来去掉并替换熔丝，以便系统恢复正常的工作。作为对比，通过触发逻辑电平控制引脚，或者配置 LTM4641 为用户设定的超时时间过期后自治重启，清除故障状态，LTM4641 能够迅速恢复正常工作。不需要实际替换元器件，对于要求长时间运行和 / 或在远端工作的系统，这一点非常关键。如果 LTM4641 恢复工作后，又出现了故障，那么，立即会采取后续保护措施来保护负载。

输入浪涌保护
在某些情况下，仅有输出过压保护功能是不够的，还需要输入过压保护功能。 LTM4641 的保护电路能够监视输入电压，一旦超过了用户配置的电压门限，激活其保护功能。如果预计的最大输入电压超过了模块的额定 38V，通过增加一个外部高电压 LDO，输入浪涌保护可以增大到 80V， LTM4641 仍然能够正常工作，保持控制和保护电路存在运作 (图4)。

                               图4: 使用 LTM4641 和外部 LDO 可使输入浪涌保护高达 80V


结论
市场对系统性能和运行时间的要求越来越高，并且大量使用了最新的数字处理器，工程师必须考虑降低风险的策略，特别是采用了 12V~28V 的分布式电源总线或者有浪涌的系统。最新一代而且通常非常昂贵的 FPGA、ASIC 和微处理器供电电压的最大限制低至中间电源轨的 3%~10%，因此，它们对损害非常敏感，在过压故障时有可能被烧坏。这类故障可能是由开关稳压器的定时错误、输入电压浪涌或制造过程中混入的劣质元器件所造成。所选择的过压保护方法的反应和恢复时间必须非常快，要比传统电路中采用熔丝和 SCR 的方法更精确和更一致。 LTM4641 结合高效的 10A DC/DC 降压稳压器，在一个表面安装封装中含有精确的高速输出过压保护电路，构成了完整的低风险策略，可满足最新任务关键系统这些严格的要求。