【導讀】正常運行時間是工業自動化

、樓宇自動化
、運動控製和過程控製等應用中保障生產力和盈利能力的關鍵指標。執行維護
、人ren為wei失shi誤wu和he設she備bei故gu障zhang都dou會hui導dao致zhi停ting機ji。與yu停ting機ji相xiang關guan的de維wei修xiu成cheng本ben和he生sheng產chan力li損sun失shi可ke能neng非fei常chang高gao，具ju體ti取qu決jue於yu行xing業ye和he事shi件jian的de性xing質zhi。與yu維wei護hu和he人ren為wei失shi誤wu相xiang關guan的de停ting機ji無wu法fa避bi免mian，但dan大da多duo數shu與yu設she備bei相xiang關guan的de故gu障zhang是shi可ke以yi預yu防fang的de。本ben文wen重zhong點dian介jie紹shao由you電dian源yuan故gu障zhang引yin起qi的de停ting機ji，以yi及ji如ru何he在zai設she備bei的de電dian源yuan係xi統tong中zhong使shi用yong現xian代dai保bao護huIC來防止發生電源故障。

問題:

有沒有一種簡單的方法可以保護電源設計免受故障影響？

答案:

有的，可以使用 MAX17613 和 MAX17526 等集成電路。

簡介

正常運行時間是工業自動化
、樓宇自動化、運動控製和過程控製等應用中保障生產力和盈利能力的關鍵指標。執行維護、人ren為wei失shi誤wu和he設she備bei故gu障zhang都dou會hui導dao致zhi停ting機ji。與yu停ting機ji相xiang關guan的de維wei修xiu成cheng本ben和he生sheng產chan力li損sun失shi可ke能neng非fei常chang高gao
，具ju體ti取qu決jue於yu行xing業ye和he事shi件jian的de性xing質zhi。與yu維wei護hu和he人ren為wei失shi誤wu相xiang關guan的de停ting機ji無wu法fa避bi免mian，但dan大da多duo數shu與yu設she備bei相xiang關guan的de故gu障zhang是shi可ke以yi預yu防fang的de。本ben文wen重zhong點dian介jie紹shao由you電dian源yuan故gu障zhang引yin起qi的de停ting機ji，以yi及ji如ru何he在zai設she備bei的de電dian源yuan係xi統tong中zhong使shi用yong現xian代dai保bao護huIC來防止發生電源故障。

係統電源保護概述

電源係統會受到許多電應力因素和故障的影響。沿著電氣路徑，雷擊或電感性負載切換導致的電壓浪湧和瞬變、存儲電容的初始充電導致的衝擊電流、接線錯誤或線束意外短路導致的反向電壓、過guo流liu和he過guo熱re，都dou可ke能neng造zao成cheng性xing能neng退tui化hua或huo不bu可ke逆ni轉zhuan的de損sun害hai。有you必bi要yao在zai負fu載zai周zhou圍wei建jian立li一yi個ge保bao護hu範fan圍wei
，以yi處chu理li這zhe些xie潛qian在zai的de災zai難nan性xing事shi件jian。本ben文wen將jiang討tao論lun一yi些xie常chang見jian術shu語yu、電源故障類型、可用的傳統解決方案及其挑戰
，以及現代保護IC及其優勢。

常用術語

除了分立解決方案
，還有許多提供單一功能保護的集成解決方案。例如，浪湧保護器（或過壓保護器）提供防浪湧電壓保護；熱插拔控製器（或衝擊限製器）可以防範衝擊電流影響；ORing控製器（或理想二極管控製器）可以防止反向電壓並提供電源分配；電子熔斷器（或限流器）可以防止短路或過載；功率限製器/負載開關/USB開關/電源選擇器為具有多個輸入電源和/或多個負載的係統提供管理和控製功能。圖1展示了這些產品，均可用於提供係統電源保護。然而，它們僅提供部分解決方案來保護係統免受電壓、電流或溫度故障的影響。因此需要一個整體解決方案來提供完整
、全麵的係統電源保護。

圖1.各種單功能保護解決方案

需要提供係統電源保護的應用

圖2展(zhan)示(shi)了(le)一(yi)個(ge)通(tong)用(yong)係(xi)統(tong)板(ban)電(dian)源(yuan)分(fen)配(pei)。該(gai)板(ban)從(cong)三(san)個(ge)獨(du)立(li)的(de)輸(shu)入(ru)電(dian)源(yuan)接(jie)收(shou)電(dian)力(li)，為(wei)一(yi)個(ge)大(da)保(bao)持(chi)電(dian)容(rong)充(chong)電(dian)
，產(chan)生(sheng)自(zi)用(yong)電(dian)路(lu)板(ban)電(dian)源(yuan)
，並(bing)將(jiang)電(dian)力(li)傳(chuan)送(song)給(gei)兩(liang)個(ge)後(hou)續(xu)外(wai)圍(wei)設(she)備(bei)。此(ci)係(xi)統(tong)板(ban)的(de)輸(shu)入(ru)端(duan)和(he)輸(shu)出(chu)端(duan)均(jun)需(xu)要(yao)多(duo)種(zhong)電(dian)源(yuan)保(bao)護(hu)和(he)配(pei)電(dian)功(gong)能(neng)。

圖2.通用係統板電源分配

在輸入電源保護方麵
，它需要過壓/欠壓、電子熔斷器
、衝擊限製和反向電壓保護。如果此板由一個功率有限的電源供電，則它還需要功率限製功能。

由於該板從三個不同電源接收電力，因此需要電源ORing或電源多路複用器。電源ORing自(zi)動(dong)選(xuan)擇(ze)電(dian)壓(ya)最(zui)高(gao)的(de)電(dian)源(yuan)為(wei)電(dian)路(lu)板(ban)供(gong)電(dian)

，而(er)電(dian)源(yuan)複(fu)用(yong)允(yun)許(xu)係(xi)統(tong)選(xuan)擇(ze)使(shi)用(yong)哪(na)個(ge)電(dian)源(yuan)，無(wu)論(lun)其(qi)電(dian)壓(ya)如(ru)何(he)，隻(zhi)要(yao)它(ta)在(zai)工(gong)作(zuo)範(fan)圍(wei)內(nei)即(ji)可(ke)。該(gai)板(ban)還(hai)需(xu)要(yao)反(fan)向(xiang)電(dian)壓(ya)保(bao)護(hu)，這(zhe)樣(yang)較(jiao)高(gao)電(dian)壓(ya)的(de)電(dian)源(yuan)就(jiu)不(bu)會(hui)反(fan)向(xiang)驅(qu)動(dong)較(jiao)低(di)電(dian)壓(ya)的(de)電(dian)源(yuan)。

xianzai，duiyushuchudianyuanbaohu

，gaibanxuyaoxianliubaohuyifangzhishuchuguozaihuolianjieqiduanlu
，xuyaofanxiangdianyabaohuyifangzhiyiwaiduanjiedaojiaogaodianyagui。weileguanlishuchudianyuanfenpei，gaibanxuyaofuzaikaiguan
、ORing和功率限製功能。

係統電源故障的三種主要類型

係統電源故障主要分為三類（見圖3）：電壓故障
、電流故障和溫度故障。下麵詳細討論每一種故障類型。

圖3.係統故障的三種主要類型

電壓故障：由於雷擊、保險絲熔斷、短路
、熱插拔事件
、電纜感應振鈴等多種不同事件，輸入電壓可能高於和/或低於正常直流電壓範圍。

雷擊可能導致高能浪湧電壓
，這通常由前端瞬變電壓抑製器(TVS)和輸入濾波器處理。圖4總結了IEC 61000-4-4電快速瞬變規範。經過TVS和輸入濾波器處理之後
，係統板級的殘餘浪湧電壓可能仍然很大
，有時達到標稱直流輸入電壓的兩到三倍。

圖4.IEC 61000-4-4電快速瞬變規範

圖5演示了一個短路事件
，10英尺電纜末端的短暫短路導致其電壓振鈴並達到50.4 V峰值，是其正常電壓24 V_DC的兩倍。電壓還振鈴下降到約11 V。yigelubangdexitongzaizhenggezhenlingguochengzhonghuijixuyunxingerbuhuizhongduan，zhishaohuibushousunhaidixingcunxialai。leisidedianyazhenlingkenengfashengzaiganxingfuzaiqiehuanshijianqijian

，fashengzairechabashijianqijian（例如將一個帶有放電電容的卡插入帶電背板）
，或發生在係統中其他地方出現保險絲熔斷的時候。

圖5.短暫短路後的電纜振鈴

係統接線錯誤很罕見，但仍可能發生。例如
，在機架安裝係統中
，人們可能會反向插入卡或電源線極性連接錯誤。當輸入電壓突然下降（輸入短路或低電平振鈴）時，輸出電容現在處於較高電位
，會導致反向電壓狀況。當輸出突然短接到較高電壓軌（例如在集束電纜中）時，也會發生反向電壓狀況。雖然輸入反向電壓故障很少見
，但一旦發生，就可能造成代價高昂的係統損壞。

電流故障：shuchuguozaiheduanlushiliangzhongmingxiandedianliuguzhang。dangxitongchaorongliangyunxingshi，jiuhuichufaguoliujiazai。zhiyuduanlu，zhekenengshiyoudianlubanshangdeguzhangyuanjianyinqi。ruguoyourenbuxiaoxinjiangbanshoudiaodaodianyuanlianjieqishanghuoluorudianlanshuzhong，kenenghuifashengyanzhongduanlushijian。weishoubaohudedianlubankenenghuizaoshouyongjiuxingsunhuai
，gengzaogaodeshikenengzhehuo。

將帶有放電電容的電路板插入帶電背板時，會湧入一股電流為電容充電。不加控製時，此衝擊電流遵循以下方程：

I = CdV/dt

其中：

I = 衝擊電流

C = 電容

dV/dt = 電容電壓隨時間的變化率

如果將放電電容(0 V)插入24 V帶電背板，這種情況下的dV/dt是瞬時的（無限大），轉換為I = 無限大。如果沒有衝擊控製，這種非常高的電流尖峰會損壞連接器
，熔斷保險絲
，並導致背板電壓振鈴。

當發生反向電壓事件時，反向流動的電流可能造成係統嚴重損壞。圖6展示了衝擊/短路電流和反向電流。

圖6.衝擊/短路電流和反向電流

溫度故障：如果設計得當
，係統應能正常運行而不會出現溫度故障。但是，某種初始故障狀況（例如長時間過載情況、係統風扇失效或失靈、係統進氣口/排氣口意外阻塞或房間空調失效）可能會觸發溫度故障。

為wei防fang止zhi係xi統tong受shou損sun和he潛qian在zai的de火huo災zai相xiang關guan問wen題ti
，當dang係xi統tong或huo其qi元yuan器qi件jian之zhi一yi的de溫wen度du達da到dao危wei險xian水shui平ping時shi
，過guo溫wen保bao護hu會hui關guan斷duan係xi統tong。與yu過guo溫wen關guan斷duan相xiang比bi，熱re保bao護hu更geng智zhi能neng。在zai運yun行xing期qi間jian，當dang某mou種zhong初chu始shi故gu障zhang導dao致zhi溫wen度du升sheng高gao到dao正zheng常chang值zhi以yi上shang時shi，熱re保bao護hu會hui向xiang係xi統tong提ti供gong警jing告gao和he處chu理li方fang案an。例li如ru，係xi統tong可ke以yi選xuan擇ze去qu除chu非fei關guan鍵jian負fu載zai，以yi較jiao低di開kai關guan速su度du運yun行xing，從cong而er降jiang低di功gong耗hao。這zhe樣yang，係xi統tong可ke以yi較jiao低di的de性xing能neng運yun行xing，避bi免mian過guo熱re關guan斷duan，直zhi至zhi初chu始shi故gu障zhang得de到dao解jie決jue。

未提供保護的係統影響和設計挑戰

所有電氣係統都會遇到電壓、電dian流liu和he熱re故gu障zhang，因yin此ci在zai設she計ji驗yan證zheng測ce試shi階jie段duan，忽hu視shi保bao護hu功gong能neng可ke能neng會hui阻zu礙ai係xi統tong設she計ji順shun利li完wan成cheng。事shi實shi上shang，更geng糟zao糕gao的de情qing況kuang是shi工gong廠chang車che間jian的de生sheng產chan線xian關guan停ting。全quan麵mian保bao護hu設she備bei免mian受shou故gu障zhang損sun害hai的de保bao護hu電dian路lu很hen有you用yong，可ke盡jin量liang延yan長chang係xi統tong正zheng常chang運yun行xing時shi間jian。

係統工程師若要全麵保護其產品，必須解決一些設計挑戰。分立或部分IC實現方案需要許多外部元件。圖7展示了一個使用40個ge分fen立li元yuan器qi件jian的de完wan整zheng係xi統tong電dian源yuan保bao護hu解jie決jue方fang案an。元yuan器qi件jian的de容rong差cha疊die加jia分fen析xi起qi來lai很hen繁fan瑣suo。隨sui著zhe時shi間jian推tui移yi，無wu論lun是shi驗yan證zheng和he確que保bao其qi性xing能neng，還hai是shi實shi現xian係xi統tong精jing度du以yi及ji對dui故gu障zhang做zuo出chu快kuai速su響xiang應ying
，都dou很hen困kun難nan。使shi用yong多duo個ge元yuan器qi件jian的de結jie果guo是shi解jie決jue方fang案an尺chi寸cun很hen大da。由you於yu係xi統tong平ping均jun無wu故gu障zhang時shi間jian(MTBF)很低

，擁有成本很高。

圖7.一個係統電源保護電路使用了40個分立元器件

簡化係統保護

使用分立電路或部分IC實shi現xian保bao護hu的de傳chuan統tong方fang法fa在zai過guo去qu可ke能neng效xiao果guo不bu錯cuo，但dan它ta不bu適shi應ying現xian代dai係xi統tong。現xian代dai係xi統tong的de電dian路lu板ban空kong間jian更geng小xiao，開kai發fa時shi間jian更geng短duan
，開kai發fa預yu算suan緊jin張zhang。鑒jian於yu這zhe種zhong轉zhuan變bian，更geng適shi合he現xian代dai係xi統tong的de保bao護hu解jie決jue方fang案an是shi什shen麼me
？它ta應ying是shi高gao集ji成cheng度du保bao護huIC（見圖8），需要集成場效應晶體管(FET)、電流檢測/限流、功率限製、熱保護和欠壓/過壓保護。此外
，滿足Underwriters Laboratories Inc./國際電工委員會(UL/IEC)安全要求的全集成式保護IC更勝一籌。更高的集成度與安全認證相結合，可為現代係統提供可靠保護。

圖8.單芯片高集成度解決方案

保護IC示例和關鍵工作概念

ADI公司的MAX17613和MAX17526是符合現代係統要求的保護IC範例。

MAX17613（圖9）是一款60 V/3 A保護IC，具備所有關鍵元器件和特性，例如正向和反向FET
、可編程電流檢測、熱保護
、可編程欠壓閉鎖(UVLO)和過壓閉鎖(OVLO)，這些全都集成在單個IC中。它還有一個CLMODE引腳
，用於選擇IC對電流故障的響應模式——連續、閉鎖還是自動重試模式。

圖9.高集成度60 V/3 A保護IC

MAX17526（圖10）是一款60 V/6 A保護IC

，同時也是一款全集成式IC。此外，它還具有先進的保護特性
，例如功率限製和熱控電流折返。

圖10.具有功率限製的高集成度60 V/6 A保護IC

現在，讓我們以MAX17526為例詳細考察幾個關鍵特性。

如圖11所示，MAX17526測量係統消耗的電流
，並使用SETI引腳將其報告給係統控製器。電阻R_SETI可以調整，以根據係統要求對限流水平進行編程。

圖11.MAX17526的限流設置和監控功能

圖12展示了MAX17526的限流功能以及它如何控製係統上電期間的衝擊電流。一個1000 µF大電容以受控方式充電，左側充電電流為電流限值的1.0倍，右側充電電流為電流限值的2.0倍，而電壓源不會崩潰。

圖12.衝擊電流保護

圖13顯示了MAX17526特有的功率限製特性，它可用於限製輸入或輸出功率
，具體取決於節點V_EXT連接到輸入電壓(V_IN)還是輸出電壓(V_OUT)。IC動態調整電流限值以實現對輸入或輸出功率的限製。

圖13.功率限製保護

圖14展示了當該IC配置為限製輸出功率時，功率限製特性如何將輸出功率限製在10 W。

圖14.輸出功率限製響應

UL/IEC安全認證

如前所述，現代係統也可以利用保護IC的所有安全合規性方麵。通過UL 2367

、IEC 60950或IEC 62368認證的保護IC可以簡化係統級安全要求，從而降低認證相關成本並縮短認證時間，有助於加快產品上市。例如，ADI公司的 MAX17608 和 MAX17613 是通過UL和IEC認證的保護IC。

結論

電(dian)源(yuan)係(xi)統(tong)是(shi)所(suo)有(you)係(xi)統(tong)或(huo)設(she)備(bei)的(de)關(guan)鍵(jian)模(mo)塊(kuai)。電(dian)源(yuan)故(gu)障(zhang)是(shi)固(gu)有(you)的(de)，確(que)實(shi)會(hui)發(fa)生(sheng)，但(dan)通(tong)過(guo)實(shi)施(shi)適(shi)當(dang)的(de)電(dian)路(lu)保(bao)護(hu)，可(ke)以(yi)防(fang)止(zhi)發(fa)生(sheng)係(xi)統(tong)故(gu)障(zhang)和(he)設(she)備(bei)停(ting)機(ji)

，這(zhe)對(dui)於(yu)當(dang)今(jin)競(jing)爭(zheng)激(ji)烈(lie)的(de)全(quan)球(qiu)商(shang)業(ye)環(huan)境(jing)中(zhong)的(de)生(sheng)產(chan)力(li)和(he)盈(ying)利(li)能(neng)力(li)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)。與(yu)傳(chuan)統(tong)的(de)分(fen)立(li)或(huo)單(dan)功(gong)能(neng)IC解決方案相比
，當今的先進保護IC提供小封裝、高性能、高可靠性、易於設計和認證的整體係統保護。此外，這些保護IC提供的一些先進特性使係統具備監控和診斷功能，對於當今複雜的終端設備，這類功能可以發揮重要作用。使用全集成式保護IC是能夠以低成本應對代價高昂的停機時間的有效方式。

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