在很多計(jì)算和通信應(yīng)用中,非隔離負(fù)載點(diǎn)(niPOL)中間總線結(jié)構(gòu)(IBA)轉(zhuǎn)換器正在繼續(xù)替代通常的分布和中央電源系統(tǒng)方案。這種趨勢的關(guān)鍵驅(qū)動力包括：系統(tǒng)電壓數(shù)的增加,較高的輸出電流,較嚴(yán)格的穩(wěn)壓要求和較低總系統(tǒng)成本。很多IBA/niPOL方案能滿足這些要求。但是,這種方案沒有從前一般方案中的保護(hù)機(jī)構(gòu)。

　　在電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,過壓保護(hù)(OVP)和過溫保護(hù)(OTP)是非常希望的。沒有這些保護(hù),在元件失效時(shí)會導(dǎo)致系統(tǒng)失效,并嚴(yán)重地?fù)p壞產(chǎn)品。很多niPOL轉(zhuǎn)換器,不管是購買的散件還是分立設(shè)計(jì)都不包含綜合的OVP和OTP電路。在每個(gè)niPOL轉(zhuǎn)換器中增加這種保護(hù)是可能的,但是,還可用更好的方法在系統(tǒng)級解決保護(hù)問題。

　　IBA/POL系統(tǒng)

　　為了了解系統(tǒng)級的電源保護(hù),用IBA/POL方案的典型電源系統(tǒng)框圖(圖1)來加以說明。圖中由AC-DC電源產(chǎn)生12V中間總線。除主輸出之外,還有1個(gè)用于電源管理電路的總處于開通狀態(tài)的輔助電源。此電路控制中間總線和各個(gè)niPOL轉(zhuǎn)換器,用使能信號置開/關(guān)狀態(tài)、V-OK信號監(jiān)控電壓。電源管理電路中的其他功能包括電壓定序、復(fù)位信號、狀態(tài)LED和到主機(jī)系統(tǒng)的其他接口。

　　圖1 典型的IBA/POL結(jié)構(gòu)包括使能總線和下游轉(zhuǎn)換器的電源管理電路以及監(jiān)控電壓的器件

　　圖2 可以響應(yīng)過溫條件的PTC熱敏電阻

　　(a)和硅溫度開關(guān)(b)

　　因?yàn)橹虚g總線為所有下游轉(zhuǎn)換器以及風(fēng)扇、磁盤驅(qū)動或其他負(fù)載提供電源,所以,它一般是大功率輸出。根據(jù)系統(tǒng)不同,此總線可提供200W~1KW。如失效條件使此功率都集中在單一器件上,則局部的熱量會燒壞器件和導(dǎo)致其他不利的影響。

　　在使用中,關(guān)鍵是電源管理電路關(guān)閉中間總線的能力。若某些失效導(dǎo)致系統(tǒng)某處溫度或電壓過高,則這種失效能力能在電源去除之后使損壞消除。對危險(xiǎn)過溫或過壓事件的合理響應(yīng)是關(guān)斷電源。因此,設(shè)計(jì)方案為電源管理電路提供信號,使得能閉鎖中間總線來響應(yīng)這些失效條件。

　　過溫保護(hù)

　　集中電源系統(tǒng),如多輸出AC-DC電源,具有內(nèi)部溫度傳感器、風(fēng)扇速度.來保護(hù)內(nèi)部或外部熱失效。傳統(tǒng)的隔離DC-DC磚式轉(zhuǎn)換器也具有OTP,它是用放置在危險(xiǎn)位置上的一個(gè)或多個(gè)熱傳感器來實(shí)現(xiàn)OTP。充分地測試這些產(chǎn)品來保證轉(zhuǎn)換器遭受損壞前輸出關(guān)閉。

　　相反,大多數(shù)niPOL轉(zhuǎn)換器不包括OTP性能。某些控制器IC在其管芯溫度太高時(shí)將關(guān)閉。然而,這不能檢測和保護(hù)功率元件(如MOSFET)的過溫。特別是在分立niPOL設(shè)計(jì)中,其電源軌與控制器可以是熱隔離的。

　　為了在系統(tǒng)級提供OTP,考慮電源系統(tǒng)過溫事件的原因。假設(shè)所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換器是從過流條件來保護(hù)自己,另外兩個(gè)剩下的關(guān)鍵條件是過高的環(huán)境溫度和不夠的氣流。大多數(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括環(huán)境溫度傳感.。電源管理電路可以監(jiān)控這些信號。若超過溫度和風(fēng)扇閾值,則電源管理控制器閉鎖總線轉(zhuǎn)換器并認(rèn)定失效條件。

　　系統(tǒng)也可能有處理器、磁盤驅(qū)動和ASIC這樣的元件,它們對熱失效比電源轉(zhuǎn)換器更敏感。系統(tǒng)設(shè)計(jì)已有用于這些器件的熱.,這可為功率管理電路提供另外的熱失效信息。

　　若需要電源系統(tǒng)更多熱監(jiān)控,則可用小的低成本方案來實(shí)現(xiàn)?？梢园颜郎囟认禂?shù)(PTC)熱敏電阻放置在板上關(guān)鍵處。在連接到橋配置的比較器(見圖2a)時(shí),電路可由輔助電源(不需要基準(zhǔn)電壓)供電。另外一種簡單方案是用硅溫度傳感器(圖2b),這種傳感器在溫度閾值超過時(shí),它會提供一個(gè)數(shù)字信號。這些信號可以饋入電源管理電路來指示熱失效條件。應(yīng)該仔細(xì)地選擇溫度閾值來保護(hù)器件,使其在所支持的工作條件下防止任何有害事件的發(fā)生。

　　最有效的方案可以把已有的系統(tǒng)傳感器結(jié)合起來。熱閾值檢測器容易使用,它們的輸出可以二極管“或”以使電源管理電路的復(fù)雜性最小。

　　輸出過壓保護(hù)

　　由于尺寸的減小,使得新式低電壓IC對過壓條件特別敏感。電源過壓可能導(dǎo)致半導(dǎo)體結(jié)擊穿。這可能經(jīng)器件產(chǎn)生低電阻通路,而變成局部熱源。

　　若電阻對于斷開轉(zhuǎn)換器的過載保護(hù)電路不是足夠低,則失效器件可能變得熱失控。其結(jié)果是冒煙,起火燒壞板和元件,有嚴(yán)重的氣味。

　　因此,在損耗可能發(fā)生前,檢測和適當(dāng)?shù)仨憫?yīng)任何的輸出過壓條件是極其重要的。

　　購買的AC-DC電源和隔離DC-DC單元具有防止持續(xù)過壓條件的性能。首先,電源軌的隔離特性防止輸出過壓引起的任何短路MOSFET。其次,用分離基準(zhǔn)來.件輸出電壓。若輸出電壓變得太高,一個(gè)分離信號穿過隔離邊界來閉鎖脈寬調(diào)制(PWM)控制器。

　　然而,相當(dāng)可靠的非隔離同步降壓轉(zhuǎn)換器(最普通的niPOL)給出持續(xù)的過壓條件來響應(yīng)幾個(gè)單點(diǎn)失效條件(圖3)。首先考慮R1的焊點(diǎn)斷開將會發(fā)生什么事情。這會斷開到誤差放大器的反饋信號,導(dǎo)致控制器誤認(rèn)為輸出電壓太低。據(jù)此,它將達(dá)到占空比,導(dǎo)致幾乎整個(gè)輸入電壓呈現(xiàn)在輸出。

　　圖3 非?？煽康姆歉綦x同步降壓轉(zhuǎn)換器,可以給出由于不同單點(diǎn)失效條件引起的持續(xù)輸出過壓

　　圖4 只檢測欠壓條件的典型的電壓.(a)?？梢詸z測欠壓和過壓條件的窗口比較器(b)

　　其次,考慮MOSFETQ1短路失效。這將驅(qū)動開關(guān)節(jié)點(diǎn)變高態(tài)并力圖施加輸入電壓跨接在輸出。大多數(shù)控制器導(dǎo)通Q2,降低占空比或通過其內(nèi)部過壓檢測來響應(yīng)此條件。因此,大的電源電流將流經(jīng)兩個(gè)MOSFET。但是,若這是非常大功率的總線,其輸出可能是不確定的。,若控制器內(nèi)的基準(zhǔn)失效,這也可能使得輸出超出設(shè)定的設(shè)置點(diǎn)。

　　如同過溫保護(hù)一樣,在每個(gè)niPOL轉(zhuǎn)換器可增加更多電路防止導(dǎo)致輸出過壓的這些失效模式。為了響應(yīng)斷開反饋或基準(zhǔn)失效,可以用另一個(gè)基準(zhǔn)和比較器來監(jiān)控輸出信號,而且,在必要時(shí)可關(guān)斷控制器。為響應(yīng)短路MOSFET,可以用輸入斷開開關(guān)或帶SCR的線內(nèi)保險(xiǎn)絲來中斷到轉(zhuǎn)換器的輸入電源。然而,這些電路對系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的成本、尺寸和功耗有負(fù)面影響。再可用系統(tǒng)級方法來實(shí)現(xiàn)更好的方案。

　　如圖1所見,每個(gè)輸出已有一個(gè)電壓監(jiān)控電路。在大多數(shù)情況下,設(shè)計(jì)人員選擇市場上可得到的一個(gè)通用電壓監(jiān)控IC(如圖4a)。此時(shí),被監(jiān)控的電壓與內(nèi)部基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。一個(gè)單數(shù)字輸出確定監(jiān)控電壓是否低于或高于基準(zhǔn)電壓。例如,監(jiān)控1.8V電源將導(dǎo)致在達(dá)到1.71V或額定值的95%時(shí),此信號變?yōu)橛行АＲ驗(yàn)榇穗娐穬H給出一個(gè)信息(高于或低于閾值),所以它僅用來監(jiān)控輸出欠壓(UV#)。一個(gè)典型設(shè)計(jì)保持系統(tǒng)處在復(fù)位狀態(tài),除非所有電源電壓高于UV閾值。

　　增加一個(gè)比較器和一個(gè)電阻器,電路變成窗口比較器(圖4b )。窗口比較器不僅僅提供已有的UV#信號,而且也提供過壓(OV#)信號來檢測輸出電壓是否太高。多電源提供這種比較器,所以只需要增加一個(gè)電阻器。也可以用一個(gè)分離基準(zhǔn)和比較器實(shí)現(xiàn)OV#檢測。

　　與熱失效條件一樣,響應(yīng)輸出過壓的合適的操作是關(guān)斷系統(tǒng)電源。因此,若OV#信號變?yōu)橛行?則電源管理電路立即閉鎖中間總線轉(zhuǎn)換器和認(rèn)定失效狀態(tài)做為響應(yīng)。這也可以防止損耗半導(dǎo)體器件和其他負(fù)載,允許重新修復(fù)板。

　　OV#斷開電壓應(yīng)該設(shè)置得足夠高,以保證在啟動、負(fù)載增量或其他瞬態(tài)條件下不被認(rèn)定為失效?？煞胖靡粋€(gè)小電容器與RC并聯(lián),來濾除任何噪聲或增加一個(gè)小的延遲。

　　此監(jiān)控電路與niPOL轉(zhuǎn)換器無關(guān),它具有自身的基準(zhǔn)。監(jiān)控電路放置在系統(tǒng)板上的方便位置,通?？拷髫?fù)載。由于輸出是數(shù)字的,所以很少關(guān)心返回到電源管理電路的噪聲耦合。若OV信號是集電極開路,則所有OV.可以是二極管“或”在一起,來產(chǎn)生一個(gè)主OV信號到電源管理控制器,使設(shè)計(jì)復(fù)雜性最小。

　　電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須保證當(dāng)它們放在一起時(shí),總電源系統(tǒng)的工作如所希望的那樣。盡管很多失效造成非惡性的條件(如停止工作),但是,一些失效可能導(dǎo)致非常驚人的事件。只要有可能,就應(yīng)該避免失效條件下的集中熱和功耗。采用總是開通的輔助電源和已有的電源管理電路,用低成本、少元件和小的設(shè)計(jì)影響可以在系統(tǒng)級實(shí)現(xiàn)過壓和過溫保護(hù)。斷開高功率中間總線可去除使系統(tǒng)遭受重大損害的能量。