降低总电压为低电压处理器和FPGA供电的风险

怎样降低风险

任何降低风险计划都应考虑系统将怎样对过压状况做出响应并从过压状态实现恢复。倘若过压故障有可能导致烟雾或火情，这可以接受吗？查明根源及实施整改措施的工作会由于过压故障造成的损坏而受阻吗？如果本地操作员对受损系统重新供电 ，尝试恢复系统，这会对系统造成更大的损害吗？ 确定故障原因并恢复正常系统工作需要哪些过程，要花费多长时间？

传统保护电路的不足

传统的过压保护方法包括熔丝、可控硅整流器 (SCR) 和齐纳二极管。这一电路 (图1) 通过以下方式来保护负载。如果输入供电电压超过了齐纳击穿电压， SCR 触发，吸收足够的电流，熔断上游熔丝。这一方法相对简单，而且成本低，但是，其缺点包括齐纳二极管击穿电压的精度、SCR 栅极触发门限变化、SCR 和熔断响应时间的变化、以及从故障中恢复所需要付出的努力等 (例如，实际处理熔丝，并重新启动系统)。如果待考虑的电压源对数字内核供电，由于大电流时的正向电压降与最新数字处理器的内核电压相当，甚至高于内核电压，那么，SCR 的保护功能非常有限。考虑到这些缺点，传统的过压保护方法并不适用于高压至低压 DC/DC 转换供电负载，例如，价格比较昂贵的ASIC 或者 FPGA。

图1: 传统的过压保护电路包括熔丝、SCR和齐纳二极管。虽然成本低，但是这一电路响应时间不足以实现对最新数字电路的可靠保护，特别是上游供电电源是中间电压总线的情况。而且，即使从过压故障中进行最简单的恢复也很麻烦并非常耗时。

结合了电源和保护电路的最新创新

更好的解决方案是准确地探测到即将出现的过压情况，迅速响应，断开输入供电，通过低阻抗通路释放掉负载上的过量电压。现在，采用 LTM4641 降压 µModule® 稳压器强大的保护功能可以实现这一解决方案。器件的核心是额定 38V 的 10A 降压稳压器，含有电感、控制 IC、电源开关和补偿电路，这些都在一个表面安装封装中。但是，为 ASIC、FPGA 和微处理器等昂贵的负载增加保护需要功能更强的监视和保护电路。LTM4641 一直监视输入欠压、输入过压、温度过高、以及输出过压和过流状态，并正确的做出响应以保护负载。为避免错误或者过早的执行保护功能，除了过流保护，每个受监视参数都内置了抗干扰和用户可调触发门限，通过电流模式控制，在每一个周期中可靠的实现过流保护。出现输出过压状态时，LTM4641 在 500ns 的故障探测时间内做出响应 (图 2)。

图2: LTM4641 在 500ns 内响应过压状态，保护负载不受电压应力的影响。(VIN = 38V，VOUT = 1.0V，可调过压触发门限设置在 +11%)

LTM4641 内部体系结构不但使其能够迅速可靠的响应，而且，在故障状态减弱后，甚至能够自动复位，恢复工作。采用了差分感测放大器对负载的电源终端电压进行稳压，减小了共模噪声，以及 LTM4641 和负载之间 PCB 走线压降导致的误差。在电路、负载和温度变化时，负载的 DC 电压稳压精度优于 ±1.5%。这一精确的输出电压测量结果被送入高速输出过压比较器，触发 LTM4641 的保护功能。

探测到过压状态后，µModule 稳压器同时迅速采取多种措施。外部 MOSFET (图3中的 MSP) 断开输入供电，从稳压器和昂贵的负载上去除高电压通路。另一个外部 MOSFET (图3中的 MCB) 负责执行一种低阻抗放电功能，可对负载的旁路电容器实施快速放电 (图 3 中的 C)。LTM4641 中的 DC/DC 降压稳压器进入闭锁关断状态，在 HYST 引脚上发出故障信号，系统可以使用该信号来启动很好管理的关断过程和 / 或进行系统复位。采用了独立于控制环参考电压的专用电压参考来探测故障状态。如果控制环的参考出现故障，这就实现了抗单点失效的功能。

图3: LTM4641 输出过压保护图。两个探针图标对应于图2 中的波形

系统怎样从故障中恢复进一步显示了 LTM4641 保护功能相对于传统熔丝 / SCR 保护方法的优势。在传统过压保护方法中，熔丝方法取决于电源与昂贵的负载相分离。因此，在系统出现故障后，必须采取实际措施来去掉并替换熔丝，以便系统恢复正常的工作。作为对比，通过触发逻辑电平控制引脚，或者配置 LTM4641 为用户设定的超时时间过期后自治重启，清除故障状态，LTM4641 能够迅速恢复正常工作。不需要实际替换元器件，对于要求长时间运行和 / 或在远端工作的系统，这一点非常关键。如果 LTM4641 恢复工作后，又出现了故障，那么，立即会采取后续保护措施来保护负载。

结论

市场对系统性能和运行时间的要求越来越高，并且大量使用了最新的数字处理器，工程师必须考虑降低风险的策略，特别是采用了 12V~28V 的分布式电源总线或者有浪涌的系统。最新一代而且通常非常昂贵的 FPGA、ASIC 和微处理器供电电压的最大限制低至中间电源轨的 3%~10%，因此，它们对损害非常敏感，在过压故障时有可能被烧坏。这类故障可能是由开关稳压器的定时错误、输入电压浪涌或制造过程中混入的劣质元器件所造成。所选择的过压保护方法的反应和恢复时间必须非常快，要比传统电路中采用熔丝和 SCR 的方法更精确和更一致。 LTM4641 结合高效的 10A DC/DC 降压稳压器，在一个表面安装封装中含有精确的高速输出过压保护电路，构成了完整的低风险策略，可满足最新任务关键系统这些严格的要求。