工業、航太和國防系統通常採用額定 24V~28V 的中間匯流排電壓，在這些系統中，串聯電池主要用來作為備用電源，但因為分配損耗的因素，並不適合採用 12V 匯流排體系結構。系統匯流排和數位文書處理器電源輸入之間較大的電壓差，為電源分配、安全和解決方案規模上帶來了設計難題。如果使用單級非隔離降壓 DC/DC 轉換器，那麼，必須工作在非常精準的 PFM/PWM 計時上。輸入湧浪事件對 DC/DC 轉換器具有更嚴格的要求，並對負載存在另一個過壓風險。由於製造中導致的錯誤或假電容會使輸出電壓偏離超出負載額定範圍，而可能導致 FPGA、ASIC 或者微處理器被燒壞，根據不同的受損程度，很難確定故障根本原因所在，最終高昂的維修成本、停機時間以及對聲譽的損害都會令人非常沮喪。
有鑒於此，仔細的考量如何降低過壓風險，以降低成本，減少為客戶帶來不便是相當重要的。採用熔絲的傳統過壓保護方法並不適於保護現代 FPGA、ASIC 和微處理器，特別是上游額定電壓是 24V 或者 28V 的情況。有些新解決方案結合額定 38V 的 10A DC/DC 開關穩壓器和電路，解決了包括輸出過壓等許多故障問題。而目前最先進的數位邏輯元件之供電和保護功能，則可在一個精小封裝的元件中實現。
隨著輸入電壓和湧浪的增大，精準的開關計時越來越重要
當輸入電壓和所需要的輸出電壓之間存在較大的電壓差時，一般會採用高效率的開關DC/DC 穩壓器。為實現簡便的解決方案，最好選擇非隔離降壓開關轉換器，其工作頻率夠高，可縮減電源磁體和濾波器電容的尺寸。但是，這種 DC/DC 開關轉換器必須工作在低至3% 的較窄工作週期條件下，因此便需要精準的 PWM/PFM 計時。另外，數位文書處理器需要嚴格的電壓穩壓，同時要求快速轉換回應以確保電壓在安全限制範圍內，在較高的輸入電壓時，其會降低 DC/DC 穩壓器頂部開關導通誤差餘量。
匯流排電壓湧浪一般出現在航太和國防應用中，不僅對 DC/DC 轉換器造成損害，而且也會損害負載。此時必須對 DC/DC 轉換器進行額定以採用高速控制環對過壓湧浪穩壓，依此取得足夠的電壓抑制。如果 DC/DC 轉換器無法穩壓，或者不能承受匯流排湧浪，則負載上就會出現過壓。負載的旁路電容由於老化或者溫度原因，常會導致性能下降，也會引起過壓故障，導致在產品壽命末期出現寬鬆的瞬態負載回應。如果電容劣化超出了控制環的設計限制，那麼，有兩種機制會導致負載出現過壓。首先，即使控制環保持穩定，嚴重的暫態負載突變事件也會導致電壓偏離遠高於設計初衷；其次，如果控制環是條件穩定的 (或者，更差一些，不穩定)，輸出電壓峰值則會不斷震盪，而超出了可接受的範圍。如果採用了不正確的絕緣材料，或者假元件進入了製造環節，那麼，電容也會意外劣化，過早失效。
便宜的假冒元件會導致代價高昂的問題
在灰色市場或者黑市上，低成本假冒元件並無法真正滿足標準要求 (例如，這些元件是經由回收，從電子垃圾中重新加工製造，或者採用劣質材料製造)，但即使如此，仍有人抵擋不住假冒元件的成本誘惑。當假冒產品失效時，暫時的低成本就會成為昂貴的開支。例如，假冒的電容會以多種方式失效。假冒鉭電容內部自發熱情況非常嚴重，其正回饋機制會導致散熱出現失控。假冒陶瓷電容含有粗糙劣質的絕緣材料，隨著元件的老化或者工作在較高溫度時，電容量都會加速下降。當電容容量大幅度下降引起控制環不穩定時，電壓波形振幅要比最初設計值大很多，對負載造成損害。
不幸的是，業界中有越來越多的假冒元件進入了供應鏈和電子製造流程，即使是最敏感和最安全的應用也無法倖免。美國參議院武裝部隊委員會 (Senate Armed Services Committee - SASC) 在 2012 年 5 月公佈的報告中指出，軍用飛機和武器系統中出現了越來越多的假冒電子元件，這極有可能影響系統的性能和可靠性。這些系統都是由國防工業頂級承包商製造的，這類系統中的電子元件日益增多，例如，新的聯合攻擊戰鬥機有 3500 多個積體電路，而假冒元件無疑會對系統性能和可靠性帶來風險，決不能忽視。
如何降低風險
任何降低風險的計畫都應考慮系統將如何對過壓狀況做出回應，並從過壓狀態恢復。倘若過壓故障可能導致煙霧或起火，這可以接受嗎? 查明根源及實施整改措施的工作會由於過壓故障造成的損壞而受阻嗎? 如果操作員對受損系統重新供電 (重新開機)，嘗試恢復系統，這會對系統造成更大的損害嗎? 確定故障原因並恢復正常系統工作需要哪些過程，要花費多少時間?
傳統保護電路的不足
傳統的過壓保護方法包括熔絲、可控矽整流器 (SCR) 和齊納二極體。此電路 (圖1) 透過以下方式來保護負載。如果輸入供電電壓超過了齊納擊穿電壓， SCR 將觸發，之後吸收足夠的電流，進而熔斷上游熔絲。此方法相對簡單，而且成本低，但是，其缺點包括齊納二極體擊穿電壓的精度、SCR 閘極觸發門檻變化、SCR 和熔斷回應時間的變化、以及從故障中恢復所需要的努力等 (例如，實際處理熔絲，並重新開機系統)。如果待考慮的電壓源對數位內核供電，由於大電流時的正向電壓降與最新數位文書處理器的內核電壓相當，甚至高於內核電壓，那麼，SCR 的保護功能便非常有限。考慮到這些缺點，傳統的過壓保護方法並不適用於高壓至低壓 DC/DC 轉換供電負載，例如，價格比較昂貴 (即使不到千元，也都可能要幾百美元) 的 ASIC 或者 FPGA。
圖1: 傳統的過壓保護電路包括熔絲、SCR和齊納二極體。雖然成本低，但是電路回應時間不足以保護最新數位電路，特別是上游供電電源是中間電壓匯流排的情況。而且，即使從過壓故障中進行最簡單的恢復也很麻煩，並非常耗時。
結合了電源和保護電路的最新創新
更好的解決方案是精準地探測到將出現的過壓情況，以迅速回應，斷開輸入供電，並透過低阻抗通路釋放負載上的過量電壓。目前，採用 LTM4641 降壓 µModule® 穩壓器強大的保護功能可以實現此解決方案。該元件的核心是額定 38V 的 10A 降壓穩壓器，擁有電感、控制 IC、電源開關和補償電路，並全數包含於一表面黏著封裝中。但是，為 ASIC、FPGA 和微處理器等昂貴的負載增加保護需要功能更強的監視和保護電路。LTM4641 持續監視輸入欠壓、輸入過壓、溫度過高、以及輸出過壓和過流狀態，並正確的做出回應以保護負載。為避免錯誤或者過早的執行保護功能，除了過流保護，每個受監視參數都內建了抗干擾和用戶可調觸發門檻，透過電流模式控制，其可在每一個週期中可靠地實現過流保護。出現輸出過壓狀態時，LTM4641 會在 500ns 的故障探測時間內做出回應 (圖 2)。
圖2: LTM4641 在 500ns 內回應過壓狀態，保護負載不受電壓應力的影響。(VIN = 38V，VOUT = 1.0V，可調過壓觸發門檻設置在 +11%)
觀看 LTM4641 的即時保護
LTM4641 內部結構不但使其能夠迅速可靠的回應，而且在故障狀態減弱後，甚至能夠自動復位，恢復工作。採用差動感測放大器對負載的電源終端電壓進行穩壓可減小共模雜訊，以及 LTM4641 和負載之間 PCB 佈線壓降導致的誤差。在電路、負載和溫度變化時，負載的 DC 電壓穩壓精度優於 ±1.5%。此精準的輸出電壓測量結果將被送入高速輸出過壓比較器，以觸發 LTM4641 的保護功能。
探測到過壓狀態後，µModule 穩壓器同時迅速採取多種措施。外部 MOSFET (圖3中的 MSP) 斷開輸入供電，從穩壓器和昂貴的負載上去除高電壓通路。另一個外部 MOSFET (圖3中的 MCB) 負責執行一種低阻抗放電功能，可對負載的旁路電容器實施快速放電 (圖 3 中的 C)。LTM4641 中的 DC/DC 降壓穩壓器進入閉鎖關斷狀態，並在 HYST 引腳上發出故障訊號，系統可以使用該訊號啟動良好管理的關斷過程和 / 或進行系統重設。其採用獨立於控制環參考電壓的專用電壓參考來探測故障狀態，如果控制環的參考出現故障，便可實現抗單點失效的功能。
圖3: LTM4641 輸出過壓保護圖。兩個探針圖示對應於圖2 中的波形
系統如何從故障中恢復，進一步顯示了 LTM4641 保護功能相對於傳統熔絲 / SCR 保護方法的優勢。在傳統過壓保護方法中，熔絲方法取決於電源與昂貴的負載相分離。因此，在系統出現故障後，必須採取實際措施來去除並替換熔絲，以便系統恢復正常的工作。對比之下，透過觸發邏輯位準控制引腳，或者將 LTM4641 配置為使用者設定的超時後自治重啟，以清除故障狀態，使LTM4641 能夠迅速恢復正常工作。不需實際替換元件的優點，對於要求長時間運行和 / 或在遠端工作的系統而言非常關鍵。如果 LTM4641 恢復工作後，又出現了故障，那麼，其將立即採取後續保護措施來保護負載。
輸入湧浪保護
在某些情況下，僅有輸出過壓保護功能是不夠的，還需要輸入過壓保護功能。 LTM4641 的保護電路能夠監視輸入電壓，一旦超過了使用者配置的電壓門檻，便會啟動保護功能。如果預計的最大輸入電壓超過了模組的額定 38V時，透過增加一個外部高電壓 LDO，輸入湧浪保護可增大到 80V，而 LTM4641 仍能正常工作，並保持控制和保護電路存在運作 (圖4)。
圖4: 使用 LTM4641 和外部 LDO 可使輸入湧浪保護高達 80V
結論
今日，市場對系統性能和執行時間的要求越來越高，並且大量使用了最新的數位文書處理器，使得工程師必須考慮降低風險的策略，特別是採用了 12V~28V 的分散式電源匯流排、或者具有湧浪的系統。最新一代、而且通常非常昂貴的 FPGA、ASIC 和微處理器，其擁有最高限制在低至中間電源軌的3%~10%供電電壓，因此，它們對損害非常敏感，在過壓故障時可能被燒壞。這類故障可能是由開關穩壓器的計時錯誤、輸入電壓湧浪或製造過程中混入的劣質元件所造成的。而所選擇的過壓保護方法的反應和恢復時間必須非常快，並且要比傳統電路中採用熔絲和 SCR 的方法更精確和更一致。 LTM4641 結合高效的 10A DC/DC 降壓穩壓器，於表面黏著封裝中含有精準的高速輸出過壓保護電路，而能構成完整的低風險策略，以滿足最新任務關鍵系統之嚴格要求。
致謝：
凌力爾特µModule 電源產品產品行銷經理Afshin Odabaee
凌力爾特應用工程師Yan Liang
