基于IBA的电源解决方案需要系统级保护

在计算和通信的许多应用中,带有非隔离式负载点(niPOL)转换器的中间总线架构(IBA)正不断取代传统的分布式和集中式电源解决方案.这个趋势的关键推动因素包括:不断增加的系统电压数量、更高的输出电流、更严格的规范要求以及更低的系统总成本.在满足这些要求的同时,许多IBA/niPOL解决方案摒除了某些保护机制,而这些机制是以前传统方案的标准配置.

例如,输出过压保护(OVP)和过热保护(OTP)在电力系统设计中非常必要.但许多niPOL转换器,不管是买来的组装件还是分立设计,均不包括完整的OVP和OTP电路.虽然把这种保护机制加入每个niPOL转换器是可行的,但在系统层面上解决这个问题将更胜一筹.

为从系统层面上理解电源保护,让我们看看IBA/POL解决方案的一个典型电源系统方框图(图1).在这里,12V的中间总线电压由AC/DC电源提供.除了主输出外,还有一个用于电源管理电路的小功率常开(always-on)辅助电源.这个电路利用设定开/关状态的使能信号来控制中间总线和各个niPOL转换器,并利用V-OK信号监视电压.这个电源管理电路的其它功能还包括电压排序、复位信号、状态指示LED和其它与宿主系统的接口.

由于该中间总线为所有下游转换器(以及风扇、硬盘驱动器或其它负荷)供电,所以它通常具有大功率输出.该总线可以提供200W到1KW之间的功率,具体值取决于系统.如果某个故障导致这个电源集中在单个器件上,比如集中在一个损坏的半导体上,那么局部过热很可能导致燃烧和其它不良效应.

有待利用的关键特性是电源管理电路关断中间总线的能力.在过热或过压的危急情况下,最合理的处理方法就是关断电源.因此,该设计方案旨在向电源管理电路提供信号,该信号可使电源管理电路在出现上述某种故障状态时闭锁中间总线.

过热保护

集中式电源系统(例如多输出AC/DC电源)具备内部温度传感器和风扇速度监视器,可防止出现内部或外部过热故障状态.传统隔离式DC/DC"砖块"转换器也可提供过热保护.

相比之下,大多数niPOL转换器并无过热保护这个标准特性,某些控制器IC在其裸片温度过高时会被关断.但这可能无法检测和防止MOSFET等功率元件出现过热现象.对于电源系统与控制器具有热隔离的分立niPOL设计而言,尤其如此.

为提供系统级过热保护,不妨思考一下电源系统出现过热情况的原因.假定转换器被设计用来避免出现过电流状态,那么剩下的两个关键原因就是环境温度过高和空气流通不畅.大多数系统设计都包括环境温度传感器和风扇速度监视器.电源管理电路可以监视这些信号.如果温度和风扇速度超过阈值,电源管理控制器就会锁闭总线转换器,并给出故障状态指示.

此外,系统可能还有处理器、硬盘驱动器和ASIC等元件,这些元件对热故障的敏感度高于功率转换器.系统设计中可能已经包含了针对这些器件的热监视器,它们可以向电源管理电路提供其它热故障信息.全面的系统合格性测试通常包括验证这一环节.

如果电源系统需要更多的热监视功能,可用一个低成本的简单方案来实现这点.将一个正温度系数(PTC) 热敏电阻放置在板上某个关键位置,当被连接到图2桥接配置中的比较器时,该电路可由辅助电源供电,且无需任何参考电压(图2a).另一个简单方案采用硅温度传感器,它在温度超过阈值时产生一个数字信号(图2b).这些信号可被送到电源管理电路,以指示热故障状态.应仔细选择温度阈值,以在避免不在正常工作状态下动作的同时保护系统各个元件.

最有效的解决方案可能是结合使用现有的系统热传感器与放在电源系统关键位置的额外热传感器.热阈值检测器很容易使用,并且其输出可以是二极管或门形式,以将电源管理电路的复杂程度降到最低.

确定功耗较高的元件和位置是电源系统设计的一部分.尽管大部分功耗都可能源于开关型MOSFET,但FET驱动器、控制器和其它器件也应在考虑范围之内.

找出每个位置之后,需确定系统中的哪个热传感器能够对它进行监视.如果需要,可考虑在无法通过现有器件有效监视的位置加入更多的热传感器.如果后来发现没有必要,可以在生产阶段不装配它们.为了验证热监视器的有效性,并且确保它们决不会引起误关断,可以进行系统验证测试.通常的做法是在系统中的传感器和大功耗元件上放置热电偶.在"最差"状态下(最高环境温度以及消耗最大功率)运行系统有助于监视这些温度.

假定元件温度不超过该状态下的最高温度,那么所有热传感器的温度都应低于使其动作的最小值.可以增加设计裕量,以确保热传感器不会在所支持的工作状态下误动作,这一点至关重要.

一旦完成系统热验证,最好进行热故障测试.此时产品在高于所支持的额定环境温度下工作,并且由于通风孔阻塞,空气流动不顺畅.在上述各种故障状态下,对温度进行监视,直到发生热关断.在所有情况下,热传感器都应该在出现永久性损坏之前以关断系统电源.

输出过压保护

市面上的AD/AD电源和隔离式DC/DC转换器都具有防止持续过压的特性.首先,电源系统的隔离特性可以防止任何短路的MOSFET导致输出过压.其次,有一个单独的参考电压被用来监视该器件输出端的电压.如果输出电压太高,单独的信号将穿过隔离边界,锁闭脉宽调制(PWM)控制器.简而言之,这些产品已经过设计和测试,因此任何单点故障都不会导致持续的输出过压状态.

非隔离式同步降压转换器(最普通的niPOL)尽管相当可靠,但是可能在几个单点故障状态时出现持续过压状态(图3).首先,设想一下如果R1的焊点开焊会导致什么后果.这会使反馈信号无法达到误差放大器,从而使控制器误认为输出电压太低.作为响应,它将工作于最大占空比,使几乎整个输入电压都出现在输出上.

其次,考虑MOSFET Q1由于短路而发生故障的情况.这会使得开关节点电压过高,并且试图把输入电压加到输出端上.大部分控制器会通过导通Q2、减少占空比或者通过其内部的过压检测功能来对这种情况进行处理.大电源电流随后会流经这两个MOSFET,希望以此使输入过载.但如果总线的功率很高,结果可能不确定.最后,如果控制器内部的参考电压失效,也可能使输出超过预期的设定值.

对于过热保护,我们可将更多电路加到每个niPOL转换器,以防止这些失效模式引起输出过电压.当反馈断开或参考失效时,可利用另外的参考和比较器来监视输出信号,并且在必要时关断控制器.当MOSFET短路时,可利用输入断开开关或带有可控硅的在线保险管来阻止输入功率传输到转换器.但是,从成本、空间和功率损耗的角度看,这些电路会给电源系统设计带来负面影响,而采用系统级方法再一次提供了更好的解决方案.

图1电路中的每个输出都已具备一个电压监视电路.在大多数情况下,设计工程师会选择市场上现售的一种普通电压监视IC,如图4a所示.在该图中,被监视的电压与内部参考电压进行比较.单个数字输出确定被监视电压是否低于或高于该参考电压.例如,一旦输出达到1.71V,即其标称值的95%,被监视的1.8V电源就会激活这个信号.因为这个电路只给出了一部分信息(高于或低于阈值),所以它只能被用于监视输出欠压(UV#).一个典型的设计可使系统保持在复位状态,除非在所有电源电压都高于UV阈值.

但是如果增加比较器和电阻器,该电路就会变成图4b所示的窗口比较器.该窗口比较器不仅提供现有的UV#信号,而且还提供过压(OV#)信号以检测输出电压是否太高.有多家供应商提供这个元件,且其封装尺寸与单个比较器相同,因此只需一个额外电阻即可.还可以利用一个独立的参考和比较器来实现OV#检测.

对于热故障状态,处理输出过压的唯一适当操作就是关断系统电源.因此,如果OV#信号有效,那么电源管理电路就会立即锁闭中间总线转换器,并指示故障状态.这会关断所有可能引起极大损坏的故障电源,而且还能避免损坏半导体和其它负载,使电路板可被维修好.

OV#动作电压的设置应该足够高,以确保在启动、负载步进或其它瞬态状况下不出现误报现象.但是它应该在它所供电的半导体达到最大电压绝对值之前指示故障状态.可将一个小电容与RC并联,以过滤任何噪音或者加入小延迟.这个监视电路独立于niPOL转换器,有它自己的参考电压,并被放置在系统电路板上一个方便的位置,通常靠近主负载.由于输出是数字的,所以该输出可以被路由回电源管理电路,而无需过多关注噪音耦合.

此外,如果OV信号是开路集电极,则所有OV监视器都可以通过二极管或门电路连接在一起,以产生一个发送给电源管理控制器的主OV信号,从而把设计复杂度降到最低.电源系统设计工程师必须确保整个电力系统装配好之后能够按预期的方式工作.这包括对各种故障状态的处理.尽管许多故障状态是良性的,比如说产品停止工作,但某些故障会导致严重事故.在任何情况下都应尽量避免故障状态下的集中发热和功率损耗.

通过采用"常开"辅助电源和现有的电源管理电路,可在系统级上实现过压和过热保护,并且成本相对低廉、元件相对少且对设计影响较小.使高功率中间总线无效可消除可能给系统造成严重危害的能量.