高可靠性系統(tǒng)應設計為避免單點故障，并提供隔離故障的方法，以便操作可以繼續(xù)進行，盡管性能水平有所降低。它還應能夠控制故障，避免傳播到下游或上游電子設備。
　　內(nèi)置冗余是一種解決方案，無論是采用主動分擔負載的并聯(lián)電路還是等待故障發(fā)生時處于待機狀態(tài)的并聯(lián)電路。在每種情況下，故障檢測和管理都需要額外的開銷電路，這會增加整體復雜性和成本。一些系統(tǒng)還會創(chuàng)建不同的并聯(lián)電路以增加多樣性并避免出現(xiàn)常見故障機制的風險；一些飛機飛行控制系統(tǒng)就是這種情況。
　　系統(tǒng)復雜性的增加給電源性能帶來了更大的負擔，因此高轉(zhuǎn)換效率和良好的熱管理至關(guān)重要，因為結(jié)溫每升高 10°C，IC 壽命就會縮短約一半。正如我們將看到的，功能豐富的新型電源 IC 和專用電源管理功能現(xiàn)在可以為 IC 本身和周圍系統(tǒng)提供增強的保護。
　　高可靠性系統(tǒng)的設計包括使用容錯設計技術(shù)、選擇合適的組件以滿足預期的環(huán)境條件以及遵守標準。本文重點介紹用于實現(xiàn)高可靠性電源作為電力電子的一部分的半導體解決方案，包括冗余、電路保護和遠程系統(tǒng)管理。它將重點介紹半導體技術(shù)的改進和新的安全功能如何簡化設計并提高組件可靠性。
　　高可靠性電源系統(tǒng)的要求
　　在理想情況下，高可靠性電源系統(tǒng)應設計為避免單點故障，并提供隔離故障的方法，以便系統(tǒng)可以繼續(xù)運行，但性能可能會有所降低。它還應能夠控制故障，避免傳播到下游或上游電子設備。
　　內(nèi)置冗余是一種解決方案，無論是采用主動分擔負載的并聯(lián)電路還是等待故障發(fā)生時處于待機狀態(tài)的并聯(lián)電路。在每種情況下，故障檢測和管理都需要額外的開銷電路，這會增加整體復雜性和成本。一些系統(tǒng)還會創(chuàng)建不同的并聯(lián)電路（尤其是在電力電子中），以增加多樣性并避免出現(xiàn)常見故障機制的風險；一些飛機飛行控制系統(tǒng)就是這種情況。
　　系統(tǒng)復雜性的增加給電源性能帶來了更大的負擔，因此高轉(zhuǎn)換效率和良好的熱管理至關(guān)重要，因為結(jié)溫每升高 10°C，IC 壽命就會縮短約一半。正如我們將看到的，功能豐富的新型電源 IC 和專用電源管理功能現(xiàn)在可以為 IC 本身和周圍系統(tǒng)提供增強的保護。
　　電力調(diào)節(jié)器安全功能
　　電壓調(diào)節(jié)器已采用越來越精確和復雜的電流限制形式，以避免過大的輸出電流損壞設備本身或下游組件。內(nèi)部保護電路也很常見，包括電池反向保護、電流限制、熱限制和反向電流保護?！　TC7801 DC/DC 開關(guān)控制器是工藝技術(shù)和安全特性改進的典型產(chǎn)品。它可以安全地維持高達 150V 的輸入電壓，并實現(xiàn)當輸入電壓超過可編程工作范圍時禁止開關(guān)的保護功能。此功能簡化了輸入電源瞬態(tài)保護電路，減少了元件數(shù)量和解決方案尺寸。輸出也受到過壓比較器的良好保護，可防止電壓過沖，而折返電流限制器可在過流和短路故障條件下控制功率耗散。

　　LTC7801 高壓降壓型 DC/DC 控制器
　　圖 1. LTC7801 高壓降壓型 DC/DC 控制器
　　安全性的物理封裝方面也得到了解決，方法是提供引腳間距較大的封裝選項，以避免相鄰的高壓和低壓引腳之間產(chǎn)生電弧的危險。擊穿電壓會隨著氣壓的降低而降低，因此非增壓飛機應用可以選擇 LTC3895，它提供與 LTC7801 相同的功能和性能，但具有 0.68mm 雙引腳間距封裝選項。
　　某些產(chǎn)品（例如，容錯型 LT3007 線性穩(wěn)壓器）還具有所謂的 FMEA（故障模式和影響分析）兼容引腳排列，如果相鄰引腳短路或某個引腳懸空，則輸出將保持在調(diào)節(jié)電壓或低于調(diào)節(jié)電壓。
　　控制電源系統(tǒng)中的多個輸入源
　　包含主電源或電源電路和冗余備份（可能帶有外部輔助電源）的電源系統(tǒng)需要一個系統(tǒng)來仲裁哪個電源具有優(yōu)先級并監(jiān)控其狀態(tài)。此外，它還必須保護系統(tǒng)在電源切換期間免受交叉?zhèn)鲗Ш头答伒挠绊?。單芯?IC（例如 LTC4417）提供了一種解決方案，可根據(jù)對每個輸入的用戶定義電源閾值的驗證自動選擇電源。
　　另一種方法是在兩個同時運行的輸入源之間共享負載，通過減少每個源的負擔來提高可靠性，同時如果每個源的大小都足以支持滿負載要求，則可以提供對一個源發(fā)生故障的保護。
　　過去，人們可能采用簡單但效率低下的二極管“或”布置，但這需要每個電源都有主動控制來平衡負載。圖 2 顯示了現(xiàn)在如何使用單芯片解決方案實現(xiàn)這一點。LTC4370 是一款具有反向阻斷功能的均流控制器，可防止一個電源發(fā)生故障，從而導致電源系統(tǒng)癱瘓?！　TC4370 雙冗余電源共享

　　圖 2. LTC4370 雙冗余電源共享
　　瞬態(tài)和電路保護
　　軍用和航空電子設備必須符合瞬態(tài)保護規(guī)范，例如 MIL-STD-1275（車輛）和 MIL-STD-704 / DO-160（飛機）。然而，任何高可靠性系統(tǒng)都需要防止電壓浪涌、尖峰和紋波，并且有專門用于此功能的產(chǎn)品和浪涌保護設備，例如 LT4364 集成電路。
　　還有各種各樣的電路保護功能可供選擇，包括 LTC4368 等產(chǎn)品，這是一款 100V 雙向斷路器，可防止電源電壓過高、過低甚至負值，以及正向和反向過流故障?！　【哂斜Ｗo功能的 LTC4368 雙向斷路器

　　圖 3. 具有保護功能的 LTC4368 雙向斷路器
　　在這些例子中，我們可以觀察到具有日益復雜的保護和安全功能集的新型集成電路產(chǎn)品如何簡化應用電路設計并減小解決方案尺寸。
　　數(shù)字電源系統(tǒng)管理
　　新產(chǎn)品將模擬功率調(diào)節(jié)與基于 I2C 的 PMBus 接口的數(shù)字控制的優(yōu)勢相結(jié)合，以實現(xiàn)電力電子中電源系統(tǒng)的遠程管理。遙測和診斷數(shù)據(jù)可用于監(jiān)控負載條件、讀取芯片溫度以及提供非常高精度的微調(diào)和裕度，從而最大限度地提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、效率和可靠性。
　　數(shù)字電源管理的一個問題是軟件的復雜性，然而，LTC3815 實現(xiàn)了簡化的 PMBus“Lite”命令集，沒有片上非易失性存儲器或微控制器，它簡化了設計，同時提供了數(shù)字控制和監(jiān)控的好處。
　　如前所述，良好的熱控制對于可靠性至關(guān)重要，LTC3815 具有兩級熱閾值和兩級響應。當內(nèi)部芯片溫度超過 150°C 時，過熱情況會標記到 PMBus，ALERT 引腳拉低以警告 PMBus 主控。如果溫度繼續(xù)上升并超過 170°C，LTC3815 將關(guān)閉所有電路，包括輸出調(diào)節(jié)，直到過熱情況消除。
　　這種能夠報告其狀態(tài)的系統(tǒng)提供了從基于時間的維護計劃轉(zhuǎn)變?yōu)榛跅l件的維護的機會，并且可以在系統(tǒng)故障情況發(fā)生之前潛在地突出顯示性能下降的情況。
　　高可靠性電源系統(tǒng)通常包括隔離屏障，以保護電源總線免受下游線路可更換單元故障的影響。傳感器和執(zhí)行器數(shù)量的增加也推動了對更小、本地隔離的電源和數(shù)據(jù)接口的需求，以減少接地環(huán)路和共模干擾引起的噪聲問題。
　　現(xiàn)在有完整的電流隔離 BGA 模塊解決方案，可簡化設計并提高可靠性。LTM9100 隔離開關(guān)控制器是一款一體化解決方案，用于控制、保護和監(jiān)控高達 1000VDC 的高壓電源。5kVRMS 電流隔離屏障將數(shù)字接口與開關(guān)控制器隔開，驅(qū)動外部 N 溝道 MOSFET 或 IGBT 開關(guān)?？赏ㄟ^ I2C/SMBus 接口訪問負載電流、總線電壓和溫度的隔離數(shù)字測量值，從而實現(xiàn)高壓總線的功率和能量監(jiān)控?！　【哂羞b測功能的 LTM9100 隔離開關(guān)控制器

　　圖 4. 具有遙測功能的 LTM9100 隔離開關(guān)控制器
　　電源元件選擇
　　本文的大部分內(nèi)容致力于介紹簡化高可靠性電源設計或PSU產(chǎn)品特性的新功能，以保護設備免受故障或誤操作的影響。
　　然而，至關(guān)重要的是不要忽視元件質(zhì)量的重要性，以及根據(jù)預期的環(huán)境條件選擇正確等級的元件的重要性。例如，Analog Devices 軍用塑料級元件在 -55°C 至 +125°C 的溫度下提供 100% 經(jīng)過測試并保證的性能，從而避免在預期條件非常惡劣的應用電路中對元件進行昂貴的重新篩選或特性分析。