標(biāo)稱值為24V~28V的中間總線電壓在工業(yè)、航空航天和國(guó)防系統(tǒng)中很常見，其中串聯(lián)電池可能是備用電源，而12V總線架構(gòu)由于配電損耗而往往不切實(shí)際。系統(tǒng)總線和數(shù)字處理器電源輸入之間的電壓差距不斷擴(kuò)大，這帶來了與供電、安全性和解決方案尺寸相關(guān)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

如果在負(fù)載點(diǎn)使用單級(jí)非隔離降壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，則必須以極其精確的 PFM/PWM 時(shí)序運(yùn)行。輸入浪涌事件會(huì)給 DC/DC 轉(zhuǎn)換器帶來壓力，從而給負(fù)載帶來過壓風(fēng)險(xiǎn)。制造過程中引入的錯(cuò)誤或假冒電容器可能會(huì)導(dǎo)致輸出電壓偏移超過負(fù)載額定值，從而導(dǎo)致FPGA、ASIC或微處理器點(diǎn)燃。根據(jù)損壞的程度，可能很難找到根本原因。

過壓風(fēng)險(xiǎn)緩解計(jì)劃對(duì)于防止客戶不滿是絕對(duì)必要的。涉及保險(xiǎn)絲的傳統(tǒng)過壓保護(hù)方案不一定足夠快，也不夠可靠，無法保護(hù)現(xiàn)代FPGA、ASIC和微處理器，特別是當(dāng)上游電壓軌標(biāo)稱值為24V或28V時(shí)。在 POL DC/DC 進(jìn)行主動(dòng)保護(hù)是必要的。LTM4641 是一款 38V 額定值、10A DC/DC 降壓型 μModule 穩(wěn)壓器，可抵御許多故障（包括輸出過壓）并從中恢復(fù)。

精確開關(guān)穩(wěn)壓器時(shí)序的重要性隨著輸入電壓和浪涌的增加而增加

當(dāng)輸入和輸出電壓之間存在寬差時(shí)，開關(guān)DC/DC穩(wěn)壓器的效率遠(yuǎn)高于線性穩(wěn)壓器。為了實(shí)現(xiàn)小尺寸的解決方案，非隔離式降壓轉(zhuǎn)換器是首選，其工作頻率足夠高，以縮小其功率磁性元件和濾波電容器的尺寸要求。

然而，在高降壓比應(yīng)用中，DC/DC開關(guān)轉(zhuǎn)換器必須在低至3%的占空比下工作，這需要精確的PWM/PFM時(shí)序。此外，數(shù)字處理器需要嚴(yán)格的電壓調(diào)節(jié)，并且需要快速瞬態(tài)響應(yīng)以將電壓保持在安全范圍內(nèi)。在相對(duì)較高的輸入電壓下，DC/DC 穩(wěn)壓器頂部開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間誤差幅度減小。

航空航天和國(guó)防應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)的總線電壓浪涌不僅對(duì)DC/DC轉(zhuǎn)換器構(gòu)成危險(xiǎn)，而且對(duì)負(fù)載構(gòu)成危險(xiǎn)。DC/DC轉(zhuǎn)換器的額定值必須通過快速控制環(huán)路通過過壓浪涌進(jìn)行調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)足夠的線路抑制。

如果 DC/DC 轉(zhuǎn)換器無法調(diào)節(jié)或承受總線浪涌，則會(huì)向負(fù)載提供過壓。由于負(fù)載的旁路電容會(huì)隨著使用年限和溫度而退化，因此也可能引入過壓故障，這會(huì)導(dǎo)致最終產(chǎn)品使用壽命期間瞬態(tài)負(fù)載響應(yīng)松散。如果電容器的退化超出了控制環(huán)路設(shè)計(jì)的限制，則負(fù)載可以通過兩種可能的機(jī)制承受過壓：

首先，即使控制環(huán)路保持穩(wěn)定，重瞬態(tài)負(fù)載階躍事件也會(huì)顯示出比設(shè)計(jì)開始時(shí)預(yù)期的更高的電壓偏移。

其次，如果控制環(huán)路變得有條件地穩(wěn)定（或者更糟糕的是，不穩(wěn)定），輸出電壓可能會(huì)振蕩，峰值超過可接受的限值。當(dāng)使用不正確的介電材料或假冒組件進(jìn)入制造流程時(shí)，電容器也會(huì)意外或過早退化。

廉價(jià)的假冒組件帶來昂貴的頭痛

灰色市場(chǎng)或黑市假冒組件可能很誘人，但它們不符合正品的標(biāo)準(zhǔn)（例如，它們可能被回收、從電子廢物中回收或用劣質(zhì)材料制成）。當(dāng)假冒產(chǎn)品出現(xiàn)故障時(shí)，短期節(jié)省成為巨大的長(zhǎng)期開支。

例如，假冒電容器可能會(huì)以多種方式失效。假冒的鉭電容器被認(rèn)為具有正反饋機(jī)制的內(nèi)部自發(fā)熱，達(dá)到熱失控的程度。假冒陶瓷電容器可能包含受損或劣質(zhì)的介電材料，導(dǎo)致電容隨著年齡的增長(zhǎng)或工作溫度升高而加速損失。當(dāng)電容器發(fā)生災(zāi)難性故障或值下降以引起控制環(huán)路不穩(wěn)定時(shí)，電壓波形的幅度可能比最初設(shè)計(jì)的要大得多，從而危及負(fù)載。

不幸的是，對(duì)于該行業(yè)來說，假冒組件越來越多地進(jìn)入供應(yīng)鏈和電子制造流程，即使在最敏感和安全的應(yīng)用中也是如此。2012 年 3 月公開發(fā)布的美國(guó)參議院軍事委員會(huì) （SASC） 報(bào)告發(fā)現(xiàn)，軍用飛機(jī)和武器系統(tǒng)中普遍存在假冒電子元件，這些電子元件可能危及其性能和可靠性，這些系統(tǒng)由國(guó)防工業(yè)的頂級(jí)承包商建造。再加上此類系統(tǒng)中電子元件數(shù)量的增加（新型聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)中的500，<>多個(gè)集成電路），假冒元件帶來了不容忽視的系統(tǒng)性能和可靠性風(fēng)險(xiǎn)。

風(fēng)險(xiǎn)緩解規(guī)劃

任何風(fēng)險(xiǎn)緩解計(jì)劃都應(yīng)考慮系統(tǒng)如何響應(yīng)過壓情況并從中恢復(fù)。過壓故障引起的冒煙或火災(zāi)的可能性是否可以接受？確定根本原因和實(shí)施糾正措施的努力是否會(huì)因過壓故障造成的損壞而受到阻礙？如果本地運(yùn)營(yíng)商要重啟（重新啟動(dòng)）受感染的系統(tǒng)，是否會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成更大的損害，從而進(jìn)一步阻礙恢復(fù)工作？確定故障原因并恢復(fù)系統(tǒng)正常運(yùn)行所需的過程和時(shí)間是什么？

傳統(tǒng)保護(hù)電路的不足

傳統(tǒng)的過壓保護(hù)方案由保險(xiǎn)絲、可控硅整流器 （SCR） 和齊納二極管組成（圖 1）。如果輸入電源電壓超過齊納擊穿電壓，SCR 將激活，吸收足夠的電流來熔斷上游保險(xiǎn)絲。

圖1.傳統(tǒng)的過壓保護(hù)電路由保險(xiǎn)絲、可控硅和齊納二極管組成。雖然價(jià)格低廉，但該電路的響應(yīng)時(shí)間不足以可靠地保護(hù)最新的數(shù)字電路，特別是當(dāng)上游電源軌是中間電壓總線時(shí)。此外，從過壓故障中恢復(fù)是侵入性的，而且非常耗時(shí)。

這種簡(jiǎn)單的電路相對(duì)簡(jiǎn)單且便宜，但這種方法存在缺點(diǎn)：

齊納二極管擊穿電壓、SCR 柵極觸發(fā)閾值和熔斷保險(xiǎn)絲所需電流的變化會(huì)導(dǎo)致響應(yīng)時(shí)間不一致。保護(hù)可能接合得太晚，無法防止危險(xiǎn)電壓到達(dá)負(fù)載。

從故障中恢復(fù)所需的工作量很大，涉及物理維修保險(xiǎn)絲和重新啟動(dòng)系統(tǒng)。

如果考慮的電壓軌為數(shù)字內(nèi)核供電，則SCR的保護(hù)能力有限，因?yàn)楦唠娏飨碌恼驂航蹬c最新數(shù)字處理器的內(nèi)核電壓相當(dāng)或更高。

由于這些缺點(diǎn)，傳統(tǒng)的過壓保護(hù)方案不適用于高壓到低壓DC/DC轉(zhuǎn)換，為ASIC或FPGA等負(fù)載供電，這些負(fù)載的價(jià)值可能高達(dá)數(shù)百甚至數(shù)千美元。

結(jié)合電源和故障保護(hù)，實(shí)現(xiàn)快速可靠的反應(yīng)和恢復(fù)

更好的解決方案是準(zhǔn)確檢測(cè)即將發(fā)生的過壓情況，并通過快速斷開輸入電源，同時(shí)以低阻抗路徑在負(fù)載上釋放過電壓來做出響應(yīng)。這可通過 LTM4641 中的保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)。

該器件的核心是一個(gè)額定電壓為 38V 的 10A 降壓型穩(wěn)壓器，其電感器、控制 IC、電源開關(guān)和補(bǔ)償全部集成在一個(gè)表面貼裝封裝中。它還包括廣泛的監(jiān)控和保護(hù)電路，以保護(hù)高價(jià)值負(fù)載，如ASIC、FPGA和微處理器。LTM4641 針對(duì)輸入欠壓、輸入過壓、過熱以及輸出過壓和過流情況保持恒定的監(jiān)視，并采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣肀Ｗo(hù)負(fù)載。

為避免錯(cuò)誤或過早執(zhí)行保護(hù)功能，這些監(jiān)控參數(shù)中的每一個(gè)都具有內(nèi)置的毛刺抗擾度和用戶可調(diào)的觸發(fā)閾值，但過流保護(hù)除外，過流保護(hù)通過電流模式控制逐周期可靠地實(shí)現(xiàn)。在輸出過壓情況下，LTM4641 在故障檢測(cè)后的 500ns 內(nèi)做出反應(yīng)（圖 2）。

圖2.LTM4641 可在 500ns 內(nèi)響應(yīng)一個(gè)過壓情況，從而保護(hù)負(fù)載免受電壓應(yīng)力的影響。

LTM4641 響應(yīng)靈活、可靠，以保護(hù)下游器件，而且與基于保險(xiǎn)絲的解決方案不同，它可以在故障條件消退后自動(dòng)復(fù)位和重新布防。LTM4641 采用一個(gè)內(nèi)部差分檢測(cè)放大器來調(diào)節(jié)負(fù)載電源端子處的電壓，從而最大限度地減小了 LTM4641 和負(fù)載之間的共模噪聲和 PCB 走線壓降引起的誤差。負(fù)載上的直流電壓在整個(gè)線路、負(fù)載和溫度范圍內(nèi)調(diào)節(jié)精度優(yōu)于 ±1.5%。這種準(zhǔn)確的輸出電壓測(cè)量結(jié)果還饋送到快速輸出過壓比較器，從而觸發(fā) LTM4641 的保護(hù)功能。

當(dāng)檢測(cè)到過壓情況時(shí)，μModule穩(wěn)壓器會(huì)快速啟動(dòng)多個(gè)同時(shí)動(dòng)作過程。一個(gè)外部MOSFET（圖3中的MSP）斷開輸入電源，從而消除了穩(wěn)壓器和高值負(fù)載的高壓路徑。另一個(gè)外部MOSFET（圖3中的MCB）實(shí)現(xiàn)了低阻抗撬棍功能，可快速放電負(fù)載的旁路電容（C外在圖 3 中）。LTM4641 的內(nèi)置 DC/DC 降壓型穩(wěn)壓器進(jìn)入閉鎖停機(jī)狀態(tài)，并發(fā)出一個(gè)由 HYST 引腳指示的故障信號(hào)，系統(tǒng)可使用該信號(hào)來啟動(dòng)一個(gè)管理良好的停機(jī)序列和/或系統(tǒng)復(fù)位。獨(dú)立于控制環(huán)路基準(zhǔn)電壓的專用基準(zhǔn)電壓用于檢測(cè)故障條件。這提供了針對(duì)單點(diǎn)故障的彈性，以防控制環(huán)路的基準(zhǔn)發(fā)生故障。

圖3.LTM4641 輸出過壓保護(hù)計(jì)劃。探頭圖標(biāo)對(duì)應(yīng)于圖2中的波形。

LTM4641 的保護(hù)功能得到了其故障恢復(fù)選項(xiàng)的支持。在傳統(tǒng)的過壓保險(xiǎn)絲/SCR保護(hù)方案中，依靠保險(xiǎn)絲將電源與高值負(fù)載分開。從熔斷故障中恢復(fù)需要人為干預(yù) - 有人可以物理訪問保險(xiǎn)絲以卸下和更換保險(xiǎn)絲 - 對(duì)于正常運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)或遠(yuǎn)程系統(tǒng)，在故障恢復(fù)中引入了不可接受的延遲。相反，LTM4641 可在故障條件清除后恢復(fù)正常工作，方法是撥動(dòng)一個(gè)邏輯電平控制引腳或?qū)?LTM4641 配置為在指定的超時(shí)周期之后自主重啟。如果在 LTM4641 恢復(fù)操作后故障情況再次出現(xiàn)，則上述保護(hù)將立即重新接合以保護(hù)負(fù)載。

輸入浪涌保護(hù)

在某些情況下，僅靠輸出過壓保護(hù)是不夠的，需要輸入過壓保護(hù)。LTM4641 的保護(hù)電路能夠監(jiān)視輸入電壓，并在超過用戶配置的電壓門限時(shí)激活其保護(hù)功能。如果預(yù)期的最大輸入電壓超過模塊的 38V 額定值，則輸入浪涌保護(hù)可擴(kuò)展至 80V，而 LTM4641 仍可完全運(yùn)行，方法是增加一個(gè)外部高壓 LDO 以保持控制和保護(hù)電路正常工作（圖 4）。

圖4.高達(dá) 80V 的輸入浪涌保護(hù) （采用 LTM4641） 和一個(gè)外部 LDO。

結(jié)論

任務(wù)關(guān)鍵型電子產(chǎn)品越來越多地將 12V–28V 范圍內(nèi)的分布式電源總線與低壓高性能數(shù)字 IC 混合在一起。降低風(fēng)險(xiǎn)變得比以往任何時(shí)候都更加重要，特別是當(dāng)電源總線容易受到電壓浪涌的影響時(shí)。最新、昂貴的FPGA、ASIC和微處理器要求的電源電壓絕對(duì)最大限值低至標(biāo)稱電壓的3%–10%，這使得它們極易受到損壞，甚至因過壓故障而著火。開關(guān)穩(wěn)壓器中的時(shí)序錯(cuò)誤、輸入電壓浪涌或制造過程中引入的組件不當(dāng)可能導(dǎo)致故障。

任務(wù)關(guān)鍵型系統(tǒng)中的過壓保護(hù)必須快速、準(zhǔn)確和一致，其水平超出了傳統(tǒng)的基于SCR/保險(xiǎn)絲的方案的能力。LTM4641 在一個(gè)表面貼裝型封裝中集成了一個(gè)高效的 10A DC/DC 降壓型穩(wěn)壓器和一個(gè)快速、準(zhǔn)確的輸出過壓保護(hù)電路，以滿足苛刻的系統(tǒng)要求。

審核編輯：郭婷