Промежуточные напряжения шины 24–28 В являются обычным явлением в промышленных, аэрокосмических и оборонных системах, где последовательно соединенные батареи могут быть резервным источником питания, а архитектура шины 12 В, как правило, непрактична из-за потерь при распределении. Увеличивающийся разрыв в напряжении между системной шиной и входами питания цифровых процессоров создает проблемы проектирования, связанные с подачей питания, безопасностью и размерами решения.

К счастью, регулятор LTM4641 µModule решает вышеуказанные проблемы благодаря быстрой и надежной реакции и восстановлению, а также защите от перенапряжения на входе.

Эта публикация даст вам подробное представление о некоторых проблемах, с которыми мы сталкивались в прошлом, и соответствующих решениях, включая некоторые риски, проблемы и отраслевые проблемы, с которыми мы столкнулись. Если вас беспокоили или беспокоят эти проблемы, вы можете лучше узнать, как решить их с помощью регулятора LTM4641 µModule, из этой публикации. Продолжаем читать!

Делиться заботой!

Содержание

● Почему традиционный преобразователь постоянного тока в постоянный подвергается перенапряжению Riск?

● Дешевые поддельные компоненты вызывают дорогую головную боль

● Что должно включать в себя планирование снижения рисков?

● В чем заключаются недостатки традиционной схемы защиты?

● Как регулятор LTM4641 обеспечивает быструю и надежную реакцию и восстановлением Неисправности?

● FAQ

● Заключение

Почему традиционный преобразователь постоянного тока в постоянный ток подвержен риску перенапряжения?

Если в точке нагрузки используется одноступенчатый неизолированный понижающий DC/DC преобразователь, он должен работать с чрезвычайно точной синхронизацией PFM/PWM. Скачки на входе могут вызвать перегрузку преобразователей постоянного тока в постоянный, создавая риск перенапряжения для нагрузки.

Неправильные или поддельные конденсаторы, внедренные в производство, могут вызвать скачки выходного напряжения, превышающие номинальные значения нагрузки, что потенциально может вызвать широко используемые микропроцессоры, такие как FPGA, ASIC зажечь.

В зависимости от степени повреждения, может быть трудно найти первопричину. План снижения риска перенапряжения абсолютно необходим для предотвращения неудовлетворенности клиентов.

Традиционные схемы защиты от перенапряжения с использованием предохранителя не обязательно являются достаточно быстрыми или достаточно надежными для защиты современных FPGA, ASIC и микропроцессоров, особенно когда входная шина напряжения составляет 24 В или 28 В. Необходима активная защита на POL DC / DC.

LTM4641 - это понижающий стабилизатор μModule® с номинальным напряжением 38 В и 10 А постоянного / постоянного тока, который защищает от многих неисправностей, включая перенапряжение на выходе, и восстанавливается после них.

Важность точной синхронизации коммутатора возрастает с увеличением входного напряжения и скачков напряжения. Когда существует большая разница между входным и выходным напряжениями, импульсные DC/DC стабилизаторы предпочтительнее линейных стабилизаторов из-за их гораздо более высокой эффективности.

● Допустимая погрешность регулятора постоянного/постоянного тока снижена

Для достижения небольшого размера решения лучшим выбором является неизолированный понижающий преобразователь, работающий на достаточно высокой частоте, чтобы уменьшить требования к размерам его силовых магнетиков и фильтрующих конденсаторов.

Однако в приложениях с высоким коэффициентом понижения импульсный преобразователь постоянного / постоянного тока должен работать с коэффициентом заполнения до 3%, что требует точной синхронизации ШИМ / ЧИМ.

Кроме того, для цифровых процессоров требуется жесткая регулировка напряжения. быстрая переходная характеристика необходим для поддержания напряжения в безопасных пределах. При относительно высоких входных напряжениях предел погрешности во времени включения верхнего бокового переключателя регулятора постоянного / постоянного тока уменьшается.

● Скачки напряжения на шине представляют опасность для преобразователя постоянного тока и нагрузки.

Скачки напряжения на шине, часто встречающиеся в аэрокосмической и оборонной промышленности, представляют опасность не только для преобразователя постоянного тока, но и для нагрузки. Преобразователь постоянного тока в постоянный должен быть рассчитан на регулировку перенапряжения с помощью быстрого контура управления, чтобы обеспечить достаточное подавление линии.

Если преобразователь постоянного тока не может отрегулировать или выдержать скачок напряжения на шине, на нагрузку подается перенапряжение. Отказы перенапряжения также могут быть вызваны тем, что конденсаторы обхода нагрузки изнашиваются с возрастом и температурой, что приводит к более слабой переходной реакции нагрузки в течение срока службы конечного продукта.

● Деградация конденсаторов выходит за пределы конструкции контура управления.

Если конденсаторы выходят из строя за пределы, предусмотренные конструкцией контура управления, нагрузка может подвергаться перенапряжению с помощью двух возможных механизмов:

Во-первых, даже если контур управления остается стабильным, тяжелые переходные скачки напряжения будут демонстрировать более высокие скачки напряжения, чем ожидалось в начале проектирования.

Во-вторых, если контур управления становится условно стабильным (или, что еще хуже, нестабильным), выходное напряжение может колебаться с пиками, превышающими допустимые пределы.

Конденсаторы также могут неожиданно или преждевременно выйти из строя, если используется неправильный диэлектрический материал или когда поддельные компоненты попадают в производственный поток.

Проектирование и тестирование высоковольтного линейного источника питания (0–200 В))

Дешевые поддельные компоненты вызывают головную боль, связанную с затратамиs

Поддельные компоненты с серого или черного рынка могут быть привлекательными, но они не соответствуют стандартам подлинного товара (например, они могут быть переработаны, восстановлены из электронных отходов или изготовлены из некачественных материалов). Краткосрочная экономия превращается в огромные долгосрочные расходы, когда контрафактный продукт выходит из строя. Поддельные конденсаторы, например, могут выйти из строя по разным причинам. Проблемы включают в себя:

1. Было замечено, что поддельные танталовые конденсаторы подвержены внутреннему самонагреву с механизмом положительной обратной связи, вплоть до теплового разгона.

2. Поддельные керамические конденсаторы могут содержать некачественный или некачественный диэлектрический материал, что приводит к ускоренной потере емкости с возрастом или при повышенных рабочих температурах.

3. Когда конденсаторы катастрофически выходят из строя или теряют свою ценность, чтобы вызвать нестабильность контура управления, формы волны напряжения могут стать намного больше по амплитуде, чем изначально спроектированные, что подвергает нагрузку опасности.

К сожалению для отрасли, контрафактные компоненты все чаще попадают в цепочки поставок и производство электроники, даже в самых чувствительных и безопасных приложениях.

В отчете комитета Сената США по вооруженным силам (SASC), опубликованном в мае 2012 года, было обнаружено, что широко распространены контрафактные электронные компоненты в военных самолетах и системах вооружения, которые могут поставить под угрозу их характеристики и надежность - системы, созданные ведущими подрядчиками оборонной промышленности.

В сочетании с увеличением количества электронных компонентов в таких системах - более 3,500 интегральных схем в новом Joint Strike Fighter - поддельные компоненты создают риск для производительности и надежности системы, который уже нельзя игнорировать.

Что должно включать в себя планирование снижения рисковв?

Любой план снижения риска должен учитывать, как система будет реагировать и восстанавливаться после состояния перенапряжения. Проблемы в том числе:

1. Допускается ли возможность возникновения дыма или возгорания в результате сбоя из-за перенапряжения?

2. Не помешает ли усилиям по определению первопричины и выполнению корректирующих действий повреждение, вызванное перенапряжением?

3. Если бы местный оператор включил и выключил (перезагрузил) скомпрометированную систему, нанесет ли еще больший ущерб системе дальнейшее затруднение усилий по восстановлению?

4. Каковы процесс и время, необходимые для определения причины неисправности и возобновления нормальной работы системы?

В чем заключаются недостатки традиционной схемы защиты?

A традиционная схема защиты от перенапряжения состоит предохранителя, кремниевого управляемого выпрямителя (SCR) и стабилитрона (рис. 1). Если входное напряжение питания превышает напряжение пробоя стабилитрона, срабатывает тиристор, потребляя достаточный ток, чтобы перегорать предохранители выше по потоку.

Рисунок 1. Традиционная схема защиты от перенапряжения, состоящая из предохранителя, SCR и Zeneг диод

● Кропотливый - Несмотря на низкую стоимость, время отклика этой схемы недостаточно для надежной защиты новейших цифровых схем, особенно когда входная шина питания представляет собой шину промежуточного напряжения. Более того, восстановление после перенапряжения является инвазивным и требует много времени.

● недостатокs - Эта прямая схема относительно проста и недорога, но у этого подхода есть недостатки: Напряжение пробоя стабилитрона（锚文本，16px，蓝色，arial，加粗，下划线）, порог срабатывания затвора SCR и ток, необходимый для срабатывания предохранителя, приводят к несогласованному времени отклика. Защита может сработать слишком поздно, чтобы предотвратить попадание опасного напряжения на нагрузку.

● Много усилий для восстановления - Уровень усилий, необходимых для восстановления после неисправности, высок, включая физическое обслуживание предохранителя и перезапуск системы. Если рассматриваемая шина напряжения питает цифровое ядро, возможности защиты SCR ограничены, поскольку прямое падение напряжения при высоких токах сравнимо с напряжением ядра новейших цифровых процессоров или превышает его.

Из-за этих недостатков традиционная схема защиты от перенапряжения не подходит для питания нагрузок с преобразованием постоянного/постоянного напряжения в низкое, таких как ASIC или FPGA, стоимость которых может исчисляться сотнями, если не тысячами долларов.

Как регулятор LTM4641 обеспечивает быстрое и надежное реагирование и восстановление после сбоев?

Лучшим решением было бы точное обнаружение неизбежных условий перенапряжения и реагирование на них путем быстрого отключения входного питания при одновременном сбросе избыточного напряжения на нагрузку с трактом с низким импедансом. Это возможно благодаря функциям защиты в LTM4641.

● Полные компоненты для мониторинга и защиты

В основе устройства лежит понижающий стабилизатор на 38 В, 10 А с индуктором, управляющей ИС, переключателями мощности и компенсацией, которые содержатся в одном корпусе для поверхностного монтажа.

Он также включает обширную схему мониторинга и защиты для защиты дорогостоящих нагрузок, таких как ASIC, FPGA и микропроцессоры.

LTM4641 постоянно следит за пониженным входным напряжением, повышенным входным напряжением, перегревом, повышенным выходным напряжением и перегрузкой по току и действует надлежащим образом для защиты нагрузки.

● Регулируемые пороги срабатывания

Чтобы избежать ложного или преждевременного срабатывания функций защиты, каждый из этих контролируемых параметров имеет встроенную устойчивость к сбоям и настраиваемые пользователем пороги срабатывания, за исключением защиты от перегрузки по току, которая реализуется надежно, цикл за циклом с управлением по току.

В случае возникновения повышенного напряжения на выходе LTM4641 реагирует в течение 500 нс после обнаружения неисправности (рис. 2).

Рис. 2. LTM4641 реагирует на перенапряжение в течение 500 нс, защищая нагрузку от скачков напряжения

Защитные решения LTM4641

● LTM4641 быстро и надежно защищает устройства, расположенные ниже по потоку, и, в отличие от решений на основе предохранителей, он может автоматически перезагружаться и повторно включаться после устранения неисправностей.

● LTM4641 использует внутренний дифференциальный чувствительный усилитель для регулирования напряжения на силовых клеммах нагрузки, сводя к минимуму ошибки, возникающие из-за синфазного шума и падений напряжения на печатной плате между LTM4641 и нагрузкой.

● Напряжение постоянного тока на нагрузке регулируется с точностью более ±1.5% в зависимости от сети, нагрузки и температуры. Это точное измерение выходного напряжения также подается на быстродействующий компаратор выходного перенапряжения, который запускает функции защиты LTM4641.

● При обнаружении перенапряжения регулятор µModule быстро инициирует несколько одновременных действий. Внешний полевой МОП-транзистор (MSP на рис. 3) отключает входное питание, удаляя цепь высокого напряжения от регулятора и нагрузки с высоким значением. Другой внешний полевой МОП-транзистор (MCB на рис. 3) реализует низкокачественными функция лома, быстро разряжая обходные конденсаторы нагрузки (COUT на рис. 3).

● Встроенный в LTM4641 понижающий регулятор постоянного/постоянного тока переходит в состояние отключения с фиксацией и выдает сигнал неисправности, указанный на выводе HYST, который может использоваться системой для инициирования хорошо управляемой последовательности отключения и/или сброса системы. Специальное опорное напряжение, независимое от опорного напряжения контура управления, используется для обнаружения условий отказа. Это обеспечивает устойчивость к одноточечному отказу в случае отказа опорного контура управления.

Рис. 3. План защиты от перенапряжения на выходе LTM4641. Значки пробников соответствуют сигналам на рис. 2.

● Функции защиты LTM4641 подкрепляются возможностями восстановления после сбоев. В традиционной схеме защиты от перенапряжения предохранителем/тиристорным предохранителем используется предохранитель для отделения источника питания от высоковольтной нагрузки. Восстановление после перегорания предохранителя требует вмешательства человека — лица, имеющего физический доступ к предохранителю для его извлечения и замены, — что приводит к неприемлемой задержке восстановления после отказа для систем с длительным временем безотказной работы или удаленных систем.

● Напротив, LTM4641 может возобновить нормальную работу после устранения неисправности либо путем переключения вывода управления логическим уровнем, либо путем настройки LTM4641 для автономного перезапуска по истечении заданного периода тайм-аута. Если неисправность возникает снова после возобновления работы LTM4641, вышеупомянутые средства защиты немедленно срабатывают для защиты нагрузки.

Защита от перенапряжения на входе LTM4641

В некоторых случаях одной только защиты от перенапряжения на выходе недостаточно, и требуется защита от перенапряжения на входе. Схема защиты LTM4641 может контролировать входное напряжение и активировать функции защиты в случае превышения установленного пользователем порога напряжения.

Если ожидаемое максимальное входное напряжение превышает номинальное значение модуля 38 В, защиту от перенапряжения на входе можно расширить до 80 В при полностью работоспособном LTM4641, добавив внешний высоковольтный LDO для поддержания работоспособности схем управления и защиты (рисунок 4).

Рис. 4. Защита от перенапряжения на входе до 80 В с использованием LTM4641 и внешнего LDO

Часто задаваемые вопросы

1. В: Какова роль регулятора?

О: Регулирующий орган осуществляет надзор за всей системой, и его основная обязанность заключается в обеспечении соблюдения нормативно-правовой базы.

2. В: В чем разница между преобразователем постоянного тока в постоянный и регулятором?

О: Преобразователи постоянного тока в постоянный регулируют электроэнергию, включая и выключая переключающие элементы (полевые транзисторы и т. д.). С другой стороны, регуляторы LDO регулируют подачу питания, контролируя сопротивление полевых транзисторов в открытом состоянии. Преобразователи постоянного тока в постоянный ток очень эффективны при преобразовании электроэнергии посредством управления переключением.

3. В: Зачем вам нужен преобразователь постоянного тока в постоянный?

О: Преобразователь постоянного тока используется для преобразования входного постоянного напряжения высокого напряжения в выходное напряжение постоянного тока низкого напряжения определенного оборудования. Они также используются для изоляции некоторых высокочувствительных компонентов в цепи от других компонентов в цепи, чтобы избежать любого повреждения.

4. В: Что такое регулятор напряжения постоянного/постоянного тока?

A: Преобразователь постоянного тока представляет собой электрическую систему (устройство), которая преобразует источники постоянного тока (DC) с одного уровня напряжения на другой. Другими словами, преобразователь постоянного тока принимает в качестве входного сигнала входное напряжение постоянного тока и выдает другое напряжение постоянного тока. Преобразователь постоянного тока также называют преобразователем мощности постоянного тока или регулятором напряжения.

Заключение

Благодаря этому обмену мы узнаем о проблемах и проблемах отрасли, а также о соответствующих решениях в прошлом, а также о том, как регулятор LMT4641 µModule решает их. Он сочетает в себе эффективный регулятор постоянного/постоянного тока с быстрой и точной схемой защиты от перенапряжения на выходе и эффективно предотвращает риски перенапряжения. Как вы относитесь к этому продукту? Оставьте свои комментарии ниже и расскажите нам свою идею!

● Как обнаружить стабилитрон На основе регуляторов напряжения?

● Полное руководство по регулятору LDO в 2021 году

● Как LDO-регулятор LTC3035 уравновешивает низкое падение напряжения и малый объем?

Предыдущая:Решение μModule для сбора данных упрощает инженерные задачи для разнообразного набора высокоточных приложений

Далее:Как регулятор µModule LTM8022 обеспечивает лучшую конструкцию источника питания?