如何像专业人员一样保护你的电力系统设计免受故障影响
或意外短路引起的反向电压、过流和过热都会引起性能下降或不可逆转的损坏。[SESB:1287]

 

有必要在负载周围建立一个保护周界，以处理这些潜在的灾难性事件。让我们回顾一下一些常见的术语、电力故障的类型、有哪些传统的解决方案及其挑战，以及现代保护IC及其优势。

 

常见术语

 

除了分立的解决方案外，还有许多集成解决方案提供单一功能的保护。例如，浪涌保护器（或过电压保护器）可提供电压浪涌保护；热插拔控制器（或浪涌限制器）可提供浪涌电流保护；ORing控制器（或理想二极管控制器）可提供反向电压保护并提供电源分配；电子保险丝（或电流限制器）可提供短路或过载保护；而功率限制器/负载开关/USB开关/电源选择器可为具有多个输入电源和/或多个负载的系统提供管理和控制。

 

图1显示了这些产品，它们有一个共同的目的：提供系统电源保护。然而，它们只提供了保护系统免受电压、电流或温度故障的部分解决方案。需要一个整体解决方案来提供完整、全面的系统电源保护。

 

 

 

1. 各种单功能保护方案。

 

需要进行系统电源保护的地方

 

图2展示了一个通用的系统板电源分配。该板从三个独立的输入电源接收电源，为一个大的保持电容充电，为自己使用创造板载电源，并将电源传递给两个后续的外围设备。该系统板在其输入和输出端都需要几个电源保护和电源分配功能。

 

 

 

2. 通用系统板电源分配。

 

在输入电源保护方面，它需要过压/欠压、电子保险丝、浪涌限制和反向电压保护。如果该板从功率能力有限的电源供电，那么它还需要限电功能。

 

由于该板子从三个不同的电源供电，所以需要电源ORing或电源多路复用器（mux）ing。电源ORing会自动选择电压最高的电源为板子供电，而电源复用则让系统可以选择使用哪种电源，不管其电压如何，只要在工作范围内就可以。板子还需要反压保护，以免高电压的电源反驱动低电压的电源。

 

现在，对于输出功率保护，电路板需要限流保护，以防止输出过载或连接器短路，并需要反向电压保护，以防止意外短路到较高电压的轨道。为了管理输出功率分配，电路板需要负载开关、ORing和功率限制。

 

系统电源故障的三种主要类型

 

系统电源故障主要有三种类型（图3）：电压、电流、温度故障。让我们仔细研究一下它们各自的详细情况。

 

 

 

3. 所示为系统故障的三种主要类型。

 

电压故障

 

输入电压可能会因为一些事件而高于和/或低于正常的直流电压范围，如雷击、保险丝熔断、短路、热插拔事件和电缆电感振铃。

 

雷击可能会引起高能量的浪涌电压，通常由前端瞬态电压抑制器(TVS)装置和输入滤波器处理。图4总结了IEC 61000-4-4电气快速瞬态规范。经过TVS和输入滤波器后，系统板级的残余浪涌电压仍然会相当大，有时是标称直流输入电压的2倍到3倍。[SESB:MAX17613]

 

 

 

4. IEC 61000-4-4电气快速瞬变规范。

 

图5演示了一个短路事件，10英尺电缆末端的短暂短路会使其电压响起并达到50.4 V的峰值，使其24 V直流正常电压翻倍。电压也环比下降到11 V左右。一个强大的系统将继续在这种环流中不间断地运行，或者至少在不损坏的情况下生存下来。类似的电压振铃可能发生在热插拔事件中，即带放电电容的卡插入活的背板，在电感负载切换事件中，或在系统其他地方发生保险丝熔断时。

 

 

 

5. 短暂短路后的电缆振铃。

 

系统接线错误的情况很少，但还是有可能发生。例如，在机架式系统中，一个人可能会把卡插反，或者把电源线的极性接错。当输入电压突然下降（输入端短路或环比低）时，输出电容现在处于较高的电位，这就造成了反向电压状况。当输出突然短路到较高的电压轨（例如在捆绑电缆中）时，也会出现反向电压状况。虽然输入反向电压故障很少发生，但一旦发生，可能会导致昂贵的系统损坏。

 

电流故障

 

输出过载和短路是两种明显的电流故障。当系统超负荷运行时，就会触发过电流负载。而短路可能是由电路板上的故障元件引起的。如果有人不小心将扳手掉到电源连接器上或钻进电缆束，就会发生严重的短路。没有保护的电路板可能会受到永久性损坏，甚至更糟糕的是，会起火。

 

当带放电电容的板子插到带电的背板上时，会有一股电流涌入给电容充电。在不受控制的情况下，这种涌入电流遵循以下公式：

 

I = CdV/dt

 

其中I=浪涌电流；C=电容；dV/dt=电容电压随时间的变化率。

 

如果将一个放电的电容器（在0 V时）插入24 V的活背板，这种情况下dV/dt是瞬时的（无限的），换算成I =无限的。如果不进行浪涌控制，这种无限大的电流峰值会损坏连接器，炸毁保险丝，并导致背板电压的电压环。

 

当发生反向电压事件时，逆向流动的电流可能会严重损坏系统。图6说明了浪涌/短路和反向电流。

 

 

 

6. 所示为浪涌/短路和反向电流。

 

温度故障

 

如果设计得当，系统应该能够在不出现温度故障的情况下运行。 但是，主要的故障条件--例如，长时间的过载状态、系统风扇故障或失效、系统进气/出气口意外堵塞或房间A/C故障--会引发温度故障。

 

为了防止损坏和潜在的火灾相关问题，当系统的温度或其他组件之一达到危险水平时，超温保护会关闭系统。与超温关闭相比，热保护具有更多的智能。当系统在运行过程中由于主故障导致温度上升高于正常时，热保护会给系统提供警告和选择。

 

例如，系统可以选择舍弃非临界负载，以较低的开关速度运行，以减少耗散功率。因此，在主要故障解决之前，系统可能能够避免超温关机，降低系统性能。

 

无保护的系统含义和设计挑战

 

因为所有的电气系统都会出现电压、电流和热故障，在设计验证测试阶段，忽视保护会阻碍系统设计的顺利完成。事实上，更糟糕的情况是在工厂车间出现线路瘫痪的情况。全面防范设备破坏性故障的保护电路对于最大限度地延长系统的正常运行时间是非常有价值的。

 

想要全面保护自己产品的系统工程师面临一些设计挑战。分立或部分IC的实现需要许多外部元件。图7展示了一个使用40个分立元件的完整系统电源保护方案。元件的容差叠加分析起来很繁琐，而且很难验证和保证长期的性能。同时也很难实现系统精度和对故障的快速响应。

 

 

 

7. 这个电源保护电路使用了40个分立元件。

 

由于采用了多个元件，所产生的解决方案很大。此外，由于系统平均故障间隔时间（MTBF）较低，因此拥有成本较高。

 

系统保护变得简单

 

用分立电路或部分IC来实现保护的传统方式在过去可能很好用，但对于现代系统来说是行不通的。现代系统的电路板空间更小，开发时间更短，开发预算更紧。鉴于这种转变，什么是最适合现代系统的保护解决方案？

 

解决方案是一个高度集成的保护IC(图8)，它集成了场效应晶体管(FET)、电流感应/限制、功率限制、热保护和欠压/过压保护。符合美国保险商实验室公司/国际电工委员会(UL/IEC)安全要求的全集成保护IC就更好了。更高的集成度与安全认证相结合，可为现代系统提供可靠的保护。

 

 

 

8.单芯片中的高集成度解决方案

 

保护IC实例和主要工作概念

 

Maxim Integrated公司开发的MAX17613和MAX17526是符合现代系统要求的保护IC的例子。

 

MAX17613(图9)是一款60-V/3-A保护IC，其关键元件和功能如正向和反向FET、可编程电流感测、热保护、可编程欠压锁定(UVLO)和过压锁定(OVLO)都集成在单个IC中。还有一个引脚 "CLMODE"，可以在连续、锁存和自动重试模式之间选择IC对电流故障的响应模式。

 

 

 

9. 一个高度集成的60-V/3-A保护IC。

 

60-V/6-A MAX17526（图10）也是一款全集成保护IC。它还具有功率限制和热控电流折返等高级保护功能。我们以MAX17526为例，详细回顾一下几个关键功能。

 

 

 

10. 一个高度集成的带功率限制的60-V/6-A保护IC。

 

如图11所示，MAX17526测量系统所吸取的电流，并使用引脚 "SETI "将其报告给系统控制器。可根据系统要求调整电阻 "RSETI "来编程限流水平。

 

 

 

11. MAX17526的限流设置和监控功能。

 

图12演示了MAX17526的限流功能以及它如何控制系统上电时的浪涌电流。一个1000-µF的大电容以受控的方式在电流极限值的1.0倍(左边)和电流极限值的2.0倍(右边)下充电，而不会使电压源崩溃。

 

 

 

12.浪涌电流保护。

 

图13显示了MAX17526独特的功率限制功能，可以根据节点 "VEXT "是连接到输入电压(VSN)还是输出电压(VOUT)来限制输入或输出功率。IC动态调整限流，以达到限制输入或输出功率的目的。

 

 

 

13. 功率限制保护。

 

图14说明了当IC被配置为限制输出功率时，功率限制功能如何工作，将输出功率限制在10 W。

 

 

 

14.输出功率限制响应。

 

UL/IEC安全认证

 

如前所述，现代系统也可以利用保护IC的任何安全合规性。通过UL2367、IEC60950或IEC62368认可的保护IC可以简化系统级安全要求，从而降低认证相关成本，缩短认证时间表，帮助加快产品上市时间。例如，Maxim Integrated公司的MAX17608和MAX17613就是UL和IEC认可的保护IC。

 

结论

 

电源系统是任何系统或设备的关键模块。电源故障是固有的，而且确实会发生，但通过实施适当的电路保护，可以防止系统故障和设备停机。这对生产力和盈利能力至关重要，尤其是在当今竞争激烈的全球商业环境中。与传统的分立或单功能IC解决方案相比，当今的高级保护IC在小型封装中提供了整体的系统保护，具有高性能和高可靠性，而且易于设计和鉴定。此外，这些保护IC提供的一些先进功能还可以实现系统监控和诊断功能，这在当今复杂的终端设备中是非常有用的。投资全集成保护IC是防止昂贵的停机时间的最廉价保险。

原文链接：http://www.xianjichina.com/special/detail_478606.html
来源：贤集网
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