DC/DC降压型μModule稳压器可抵御负载过压风险

标称值为24V~28V的中间总线电压在工业、航空航天和国防系统中很常见，其中串联电池可能是备用电源，而12V总线架构由于配电损耗而往往不切实际。系统总线和数字处理器电源输入之间的电压差距不断扩大，这带来了与供电、安全性和解决方案尺寸相关的设计挑战。

如果在负载点使用单级非隔离降压型 DC/DC 转换器，则必须以极其精确的 PFM/PWM 时序运行。输入浪涌事件会给 DC/DC 转换器带来压力，从而给负载带来过压风险。制造过程中引入的错误或假冒电容器可能会导致输出电压偏移超过负载额定值，从而导致FPGA、ASIC或微处理器点燃。根据损坏的程度，可能很难找到根本原因。

过压风险缓解计划对于防止客户不满是绝对必要的。涉及保险丝的传统过压保护方案不一定足够快，也不够可靠，无法保护现代FPGA、ASIC和微处理器，特别是当上游电压轨标称值为24V或28V时。在 POL DC/DC 进行主动保护是必要的。LTM4641 是一款 38V 额定值、10A DC/DC 降压型 μModule 稳压器，可抵御许多故障（包括输出过压）并从中恢复。

精确开关稳压器时序的重要性随着输入电压和浪涌的增加而增加

当输入和输出电压之间存在宽差时，开关DC/DC稳压器的效率远高于线性稳压器。为了实现小尺寸的解决方案，非隔离式降压转换器是首选，其工作频率足够高，以缩小其功率磁性元件和滤波电容器的尺寸要求。

然而，在高降压比应用中，DC/DC开关转换器必须在低至3%的占空比下工作，这需要精确的PWM/PFM时序。此外，数字处理器需要严格的电压调节，并且需要快速瞬态响应以将电压保持在安全范围内。在相对较高的输入电压下，DC/DC 稳压器顶部开关的导通时间误差幅度减小。

航空航天和国防应用中经常出现的总线电压浪涌不仅对DC/DC转换器构成危险，而且对负载构成危险。DC/DC转换器的额定值必须通过快速控制环路通过过压浪涌进行调节，以实现足够的线路抑制。

如果 DC/DC 转换器无法调节或承受总线浪涌，则会向负载提供过压。由于负载的旁路电容会随着使用年限和温度而退化，因此也可能引入过压故障，这会导致最终产品使用寿命期间瞬态负载响应松散。如果电容器的退化超出了控制环路设计的限制，则负载可以通过两种可能的机制承受过压：

首先，即使控制环路保持稳定，重瞬态负载阶跃事件也会显示出比设计开始时预期的更高的电压偏移。

其次，如果控制环路变得有条件地稳定（或者更糟糕的是，不稳定），输出电压可能会振荡，峰值超过可接受的限值。当使用不正确的介电材料或假冒组件进入制造流程时，电容器也会意外或过早退化。

廉价的假冒组件带来昂贵的头痛

灰色市场或黑市假冒组件可能很诱人，但它们不符合正品的标准（例如，它们可能被回收、从电子废物中回收或用劣质材料制成）。当假冒产品出现故障时，短期节省成为巨大的长期开支。

例如，假冒电容器可能会以多种方式失效。假冒的钽电容器被认为具有正反馈机制的内部自发热，达到热失控的程度。假冒陶瓷电容器可能包含受损或劣质的介电材料，导致电容随着年龄的增长或工作温度升高而加速损失。当电容器发生灾难性故障或值下降以引起控制环路不稳定时，电压波形的幅度可能比最初设计的要大得多，从而危及负载。

不幸的是，对于该行业来说，假冒组件越来越多地进入供应链和电子制造流程，即使在最敏感和安全的应用中也是如此。2012 年 3 月公开发布的美国参议院军事委员会 （SASC） 报告发现，军用飞机和武器系统中普遍存在假冒电子元件，这些电子元件可能危及其性能和可靠性，这些系统由国防工业的顶级承包商建造。再加上此类系统中电子元件数量的增加（新型联合攻击战斗机中的500，<>多个集成电路），假冒元件带来了不容忽视的系统性能和可靠性风险。

风险缓解规划

任何风险缓解计划都应考虑系统如何响应过压情况并从中恢复。过压故障引起的冒烟或火灾的可能性是否可以接受？确定根本原因和实施纠正措施的努力是否会因过压故障造成的损坏而受到阻碍？如果本地运营商要重启（重新启动）受感染的系统，是否会对系统造成更大的损害，从而进一步阻碍恢复工作？确定故障原因并恢复系统正常运行所需的过程和时间是什么？

传统保护电路的不足

传统的过压保护方案由保险丝、可控硅整流器 （SCR） 和齐纳二极管组成（图 1）。如果输入电源电压超过齐纳击穿电压，SCR 将激活，吸收足够的电流来熔断上游保险丝。

图1.传统的过压保护电路由保险丝、可控硅和齐纳二极管组成。虽然价格低廉，但该电路的响应时间不足以可靠地保护最新的数字电路，特别是当上游电源轨是中间电压总线时。此外，从过压故障中恢复是侵入性的，而且非常耗时。

这种简单的电路相对简单且便宜，但这种方法存在缺点：

齐纳二极管击穿电压、SCR 栅极触发阈值和熔断保险丝所需电流的变化会导致响应时间不一致。保护可能接合得太晚，无法防止危险电压到达负载。

从故障中恢复所需的工作量很大，涉及物理维修保险丝和重新启动系统。

如果考虑的电压轨为数字内核供电，则SCR的保护能力有限，因为高电流下的正向压降与最新数字处理器的内核电压相当或更高。

由于这些缺点，传统的过压保护方案不适用于高压到低压DC/DC转换，为ASIC或FPGA等负载供电，这些负载的价值可能高达数百甚至数千美元。

结合电源和故障保护，实现快速可靠的反应和恢复

更好的解决方案是准确检测即将发生的过压情况，并通过快速断开输入电源，同时以低阻抗路径在负载上释放过电压来做出响应。这可通过 LTM4641 中的保护功能实现。

该器件的核心是一个额定电压为 38V 的 10A 降压型稳压器，其电感器、控制 IC、电源开关和补偿全部集成在一个表面贴装封装中。它还包括广泛的监控和保护电路，以保护高价值负载，如ASIC、FPGA和微处理器。LTM4641 针对输入欠压、输入过压、过热以及输出过压和过流情况保持恒定的监视，并采取适当的措施来保护负载。

为避免错误或过早执行保护功能，这些监控参数中的每一个都具有内置的毛刺抗扰度和用户可调的触发阈值，但过流保护除外，过流保护通过电流模式控制逐周期可靠地实现。在输出过压情况下，LTM4641 在故障检测后的 500ns 内做出反应（图 2）。

图2.LTM4641 可在 500ns 内响应一个过压情况，从而保护负载免受电压应力的影响。

LTM4641 响应灵活、可靠，以保护下游器件，而且与基于保险丝的解决方案不同，它可以在故障条件消退后自动复位和重新布防。LTM4641 采用一个内部差分检测放大器来调节负载电源端子处的电压，从而最大限度地减小了 LTM4641 和负载之间的共模噪声和 PCB 走线压降引起的误差。负载上的直流电压在整个线路、负载和温度范围内调节精度优于 ±1.5%。这种准确的输出电压测量结果还馈送到快速输出过压比较器，从而触发 LTM4641 的保护功能。

当检测到过压情况时，μModule稳压器会快速启动多个同时动作过程。一个外部MOSFET（图3中的MSP）断开输入电源，从而消除了稳压器和高值负载的高压路径。另一个外部MOSFET（图3中的MCB）实现了低阻抗撬棍功能，可快速放电负载的旁路电容（C外在图 3 中）。LTM4641 的内置 DC/DC 降压型稳压器进入闭锁停机状态，并发出一个由 HYST 引脚指示的故障信号，系统可使用该信号来启动一个管理良好的停机序列和/或系统复位。独立于控制环路基准电压的专用基准电压用于检测故障条件。这提供了针对单点故障的弹性，以防控制环路的基准发生故障。

图3.LTM4641 输出过压保护计划。探头图标对应于图2中的波形。

LTM4641 的保护功能得到了其故障恢复选项的支持。在传统的过压保险丝/SCR保护方案中，依靠保险丝将电源与高值负载分开。从熔断故障中恢复需要人为干预 - 有人可以物理访问保险丝以卸下和更换保险丝 - 对于正常运行时间长或远程系统，在故障恢复中引入了不可接受的延迟。相反，LTM4641 可在故障条件清除后恢复正常工作，方法是拨动一个逻辑电平控制引脚或将 LTM4641 配置为在指定的超时周期之后自主重启。如果在 LTM4641 恢复操作后故障情况再次出现，则上述保护将立即重新接合以保护负载。

输入浪涌保护

在某些情况下，仅靠输出过压保护是不够的，需要输入过压保护。LTM4641 的保护电路能够监视输入电压，并在超过用户配置的电压门限时激活其保护功能。如果预期的最大输入电压超过模块的 38V 额定值，则输入浪涌保护可扩展至 80V，而 LTM4641 仍可完全运行，方法是增加一个外部高压 LDO 以保持控制和保护电路正常工作（图 4）。

图4.高达 80V 的输入浪涌保护 （采用 LTM4641） 和一个外部 LDO。

结论

任务关键型电子产品越来越多地将 12V–28V 范围内的分布式电源总线与低压高性能数字 IC 混合在一起。降低风险变得比以往任何时候都更加重要，特别是当电源总线容易受到电压浪涌的影响时。最新、昂贵的FPGA、ASIC和微处理器要求的电源电压绝对最大限值低至标称电压的3%–10%，这使得它们极易受到损坏，甚至因过压故障而着火。开关稳压器中的时序错误、输入电压浪涌或制造过程中引入的组件不当可能导致故障。

任务关键型系统中的过压保护必须快速、准确和一致，其水平超出了传统的基于SCR/保险丝的方案的能力。LTM4641 在一个表面贴装型封装中集成了一个高效的 10A DC/DC 降压型稳压器和一个快速、准确的输出过压保护电路，以满足苛刻的系统要求。

审核编辑：郭婷