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低。据此,它将达到最大占空比,导致几乎整个输入电压呈现在输出。

图3 非常可靠的非隔离同步降压转换器,可以给出由于不同单点失效条件引起的持续输出过压

图4 只检测欠压条件的典型的电压监控器(a)。可以检测欠压和过压条件的窗口比较器(b)

其次,考虑MOSFETQ1短路失效。这将驱动开关节点变高态并力图施加输入电压跨接在输出。大多数控制器导通Q2,降低占空比或通过其内部过压检测来响应此条件。因此,大的电源电流将流经两个MOSFET。但是,若这是非常大功率的总线,其输出可能是不确定的。最后,若控制器内的基准失效,这也可能使得输出超出设定的设置点。

如同过温保护一样,在每个niPOL转换器可增加更多电路防止导致输出过压的这些失效模式。为了响应断开反馈或基准失效,可以用另一个基准和比较器来监控输出信号,而且,在必要时可关断控制器。为响应短路MOSFET,可以用输入断开开关或带SCR的线内保险丝来中断到转换器的输入电源。然而,这些电路对系统设计中的成本、尺寸和功耗有负面影响。再一次可用系统级方法来实现更好的方案。

如图1所见,每个输出已有一个电压监控电路。在大多数情况下,设计人员选择市场上可得到的一个通用电压监控IC(如图4a)。此时,被监控的电压与内部基准电压进行比较。一个单数字输出确定监控电压是否低于或高于基准电压。例如,监控1.8V电源将导致在达到1.71V或额定值的95%时,此信号变为有效。因为此电路仅给出一个信息(高于或低于阈值),所以它仅用来监控输出欠压(UV#)。一个典型设计保持系统处在复位状态,除非所有电源电压高于UV阈值。

增加一个比较器和一个电阻器,电路变成窗口比较器(图4b )。窗口比较器不仅仅提供已有的UV#信号,而且也提供过压(OV#)信号来检测输出电压是否太高。多电源提供这种比较器,所以只需要增加一个电阻器。也可以用一个分离基准和比较器实现OV#检测。

与热失效条件一样,响应输出过压的唯一合适的操作是关断系统电源。因此,若OV#信号变为有效,则电源管理电路立即闭锁中间总线转换器和认定失效状态做为响应。这也可以防止损耗半导体器件和其他负载,允许重新修复板。

OV#断开电压应该设置得足够高,以保证在启动、负载增量或其他瞬态条件下不被认定为失效。可放置一个小电容器与RC并联,来滤除任何噪声或增加一个小的延迟。

此监控电路与niPOL转换器无关,它具有自身的基准。监控电路放置在系统板上的方便位置,通常靠近主负载。由于输出是数字的,所以很少关心返回到电源管理电路的噪声耦合。若OV信号是集电极开路,则所有OV监控器可以是二极管"或"在一起,来产生一个主OV信号到电源管理控制器,使设计复杂性最小。

电源系统设计人员必须保证当它们放在一起时,总电源系统的工作如所希望的那样。尽管很多失效造成非恶性的条件(如停止工作),但是,一些失效可能导致非常惊人的事件。只要有可能,就应该避免失效条件下的集中热和功耗。采用总是开通的辅助电源和已有的电源管理电路,用低成本、少元件和小的设计影响可以在系统级实现过压和过温保护。断开高功率中间总线可去除使系统遭受重大损害的能量。■(