Hur LTM4641 μModule Regulator effektivt förhindrar överspänning?

Mellanbussspänningar på nominella 24V~28V är vanliga i industri-, flyg- och försvarssystem där seriekopplade batterier kan vara en reservkraftkälla och 12V-bussarkitekturer tenderar att vara opraktiska på grund av distributionsförluster. Det ökande spänningsgapet mellan systembussen och strömingångarna från digitala processorer innebär konstruktionsutmaningar när det gäller kraftleverans, säkerhet och lösningsstorlek.

Lyckligtvis löser LTM4641 μModule-regulatorn ovanstående problem genom snabb och pålitlig reaktion och återhämtning, samt ingångsöverspänningsskydd. 

Den här aktien kommer att ge dig en detaljerad introduktion till några problem vi stått inför tidigare och relativa lösningar, inklusive några risker, utmaningar och branschproblem som vi stod inför. Om du har varit eller är besvärad av dessa problem, kan du bättre lära dig hur du löser dem med LTM4641 μModule regulator genom denna andel. Låt oss fortsätta läsa!

Dela är att bry sig!

Innehåll

● Varför en traditionell DC/DC-omvandlare möter överspänning Risk?

● Billiga förfalskade komponenter genererar dyr huvudvärk

● Vad bör en riskreducerande planering innehålla?

● Vilka är bristerna i traditionella skyddskretsar?

● Hur LTM4641-regulatorn uppnår snabb och pålitlig reaktion och återhämtar sigm Fel?

● FAQ

● Slutsats

Varför en traditionell DC/DC-omvandlare utsätts för överspänningsrisk?

Om en oisolerad enstegs DC/DC-omvandlare används vid belastningspunkten, måste den arbeta med extremt exakt PFM/PWM-timing. Ingångshändelser kan stressa DC/DC-omvandlare, vilket innebär en överspänningsrisk för lasten. 

Felaktiga eller förfalskade kondensatorer som introduceras i tillverkningen kan orsaka utspänningsavvikelser som överstiger belastningens märkvärden, vilket potentiellt kan orsaka mycket använda mikroprocessorer som FPGA, ASIC att tända.

Beroende på skadans omfattning kan grundorsaken vara svår att hitta. En plan för att minska risken för överspänning är absolut nödvändig för att förhindra kundmissnöje. 

Traditionella överspänningsskyddssystem som involverar en säkring är inte nödvändigtvis tillräckligt snabba och inte heller tillräckligt pålitliga för att skydda moderna FPGA:er, ASIC:er och mikroprocessorer, särskilt när uppströmsspänningsskenan är 24V eller 28V nominell. Aktivt skydd vid POL DC/DC är nödvändigt. 

LTM4641 är en 38V-klassad, 10A DC/DC step-down μModule®-regulator som försvarar mot och återställer från många fel, inklusive utgående överspänning.

Vikten av noggrann switchartiming ökar med ingångsspänning och överspänningar När det finns en stor skillnad mellan ingångs- och utspänningarna, är switchande DC/DC-regulatorer att föredra framför linjära regulatorer för deras mycket högre effektivitet. 

● Marginalen för fel på DC/DC-regulatorn är reducerad

För att uppnå en liten lösningsstorlek är en oisolerad nedstegsomvandlare det bästa valet, som arbetar med tillräckligt hög frekvens för att krympa storlekskraven för dess effektmagneter och filterkondensatorer. 

I applikationer med högt nedtrappningsförhållande måste dock en DC/DC-omvandlare fungera vid arbetscykler ner till 3 %, vilket kräver exakt PWM/PFM-timing. 

Dessutom krävs tät spänningsreglering av digitala processorer, och snabb transient respons behövs för att hålla spänningen inom säkra gränser. Vid relativt höga inspänningar reduceras marginalen för fel i tillslagstiden för den övre sidoströmställaren på DC/DC-regulatorn.

Bussspänningsstötar, som ofta förekommer i flyg- och försvarstillämpningar, utgör en fara inte bara för DC/DC-omvandlaren utan även för lasten. DC/DC-omvandlaren måste vara klassad för att reglera överspänningsstöten med en snabb reglerslinga, så att tillräcklig linjeavvisning uppnås. 

Om DC/DC-omvandlaren misslyckas med att reglera eller överleva en bussöverspänning, visas en överspänning till lasten. Överspänningsfel kan också uppstå då lastens bypass-kondensatorer försämras med ålder och temperatur, vilket resulterar i lösare transient lastrespons under slutproduktens livslängd. 

● Kondensatorer försämras bortom gränserna för kontrollslingans design

Om kondensatorerna försämras utanför gränserna för kontrollslingans design, kan belastningen utsättas för överspänning av två möjliga mekanismer: 

För det första, även om styrslingan förblir stabil, kommer tunga transienta laststegshändelser att visa högre spänningsavvikelser än vad som förväntades vid designstart. 

För det andra, om styrslingan blir villkorligt stabil (eller, ännu värre, instabil), kan utspänningen oscillera med toppar som överskrider acceptabla gränser. 

Kondensatorer kan också nedbrytas oväntat eller för tidigt när ett felaktigt dielektriskt material används, eller när falska komponenter kommer in i tillverkningsflödet.

Linjär högspänningsförsörjningsutformning och testning (0 - 200V)

Billiga förfalskade komponenter genererar dyr huvudvärks

Förfalskade komponenter på grå marknaden eller svarta marknaden kan vara lockande, men de uppfyller inte standarderna för den äkta artikeln (t.ex. kan de återvinnas, återvinnas från elektroniskt avfall eller tillverkas av sämre material). Ett kortsiktigt sparande blir en stor långsiktig kostnad när en förfalskad produkt misslyckas. Förfalskade kondensatorer kan till exempel misslyckas på ett antal sätt. Problemen inkluderar: 

1. Förfalskade tantalkondensatorer har setts lida av intern självuppvärmning med en positiv återkopplingsmekanism till den grad att de når termisk flykt. 

2. Förfalskade keramiska kondensatorer kan innehålla komprometterat eller sämre dielektriskt material, vilket resulterar i en accelererad kapacitansförlust med åldern eller vid förhöjda driftstemperaturer. 

3. När kondensatorer misslyckas katastrofalt eller försämras i värde för att inducera instabilitet i styrslingan, kan spänningsvågformerna bli mycket större i amplitud än vad som ursprungligen konstruerades, vilket äventyrar belastningen. 

Tyvärr för industrin hittar förfalskade komponenter i allt högre grad sin väg in i leveranskedjan och elektroniktillverkningsflödet, även i de mest känsliga och säkra applikationerna. 

En rapport från USA:s senats väpnade tjänstekommitté (SASC) som släpptes offentligt i maj 2012 fann utbredda förfalskade elektroniska komponenter i militära flygplan och vapensystem som kan äventyra deras prestanda och tillförlitlighet – system byggda av de främsta entreprenörerna inom försvarsindustrin. 

Tillsammans med det ökande antalet elektroniska komponenter i sådana system – mer än 3,500 XNUMX integrerade kretsar i den nya Joint Strike Fighter – utgör förfalskade komponenter en risk för systemets prestanda och tillförlitlighet som inte längre kan ignoreras. 

Vad ska en riskreducerande planering innehållai?

Varje riskreduceringsplan bör överväga hur systemet skulle reagera på och återhämta sig från ett överspänningstillstånd. Problemen inkluderar: 

1. Är risken för rök eller brand till följd av ett överspänningsfel acceptabelt? 

2. Skulle ansträngningar för att fastställa grundorsaken och genomföra korrigerande åtgärder försvåras av skador till följd av ett överspänningsfel? 

3. Om en lokal operatör skulle starta om (starta om) ett komprometterat system, skulle ännu större skada på systemet leda till att återställningsarbetet ytterligare skulle hindras?

4. Vilken process och vilken tid krävs för att fastställa orsaken till felet och återuppta normal systemdrift?

Vilka är bristerna i traditionella skyddskretsar?

A traditionellt överspänningsskyddssystem består av en säkring, kiselstyrd likriktare (SCR) och zenerdiod (Figur 1). Om inmatningsspänningen överstiger Zener-genomslagsspänningen, aktiveras SCR och drar tillräckligt med ström för att blåsa upp uppströmssäkringen.

 Figur 1. Traditionell överspänningsskyddskrets bestående av en säkring, SCR och Zener diod

● Tidskrävande - Även om den är billig, är den här kretsens svarstid otillräcklig för att på ett tillförlitligt sätt skydda de senaste digitala kretsarna, särskilt när uppströmsförsörjningsskenan är en mellanspänningsbuss. Dessutom är återhämtning från ett överspänningsfel invasivt och tidskrävande. 

● Nackdels - Denna enkla krets är relativt enkel och billig, men det finns nackdelar med detta tillvägagångssätt: Variationer i Zenerdiods genombrottsspänning（锚文本，16px，蓝色，arial，加粗，下划线）, SCR-grindtriggertröskel och ström som krävs för att spränga säkringen resulterar i inkonsekventa svarstider. Skyddet kan kopplas in för sent för att förhindra att farlig spänning når lasten. 

● Mycket ansträngning att återhämta sig - Ansträngningsnivån som krävs för att återhämta sig från ett fel är hög, vilket innebär att fysiskt serva säkringen och starta om systemet. Om den aktuella spänningsskenan driver den digitala kärnan, är en SCR:s skyddsförmåga begränsad, eftersom framåtfallet vid höga strömmar är jämförbart med eller över kärnspänningen för de senaste digitala processorerna. 

På grund av dessa nackdelar är det traditionella överspänningsskyddet inte lämpligt för högspänning till lågspänning DC/DC-omvandling som driver laster som ASIC eller FPGA som kan värderas i hundratals om inte tusentals dollar.

Hur LTM4641-regulator uppnår snabb och pålitlig reaktion och återställer sig från fel?

En bättre lösning skulle vara att noggrant detektera ett överhängande överspänningstillstånd och svara genom att snabbt koppla bort ingångsmatningen samtidigt som överskottsspänningen laddas ur vid belastningen med en lågimpedansväg. Detta är möjligt med skyddsfunktionerna i LTM4641. 

● Kompletta komponenter för övervakning och skydd

I hjärtat av enheten finns en 38V-klassad, 10A nedstegsregulator med induktor, kontroll-IC, strömbrytare och kompensation, allt i ett ytmonteringspaket. 

Den innehåller också omfattande övervaknings- och skyddskretsar för att skydda högvärdesbelastningar som ASIC, FPGA och mikroprocessorer. 

LTM4641 upprätthåller en konstant övervakning av ingående underspänning, ingående överspänning, övertemperatur och utgående överspänning och överströmsförhållanden och agerar på lämpligt sätt för att skydda lasten. 

● Justerbara triggertrösklar

För att undvika falsk eller för tidig exekvering av skyddsfunktionerna har var och en av dessa övervakade parametrar inbyggd glitchimmunitet och användarjusterbara triggertrösklar med undantag för överströmsskydd, som implementeras på ett tillförlitligt sätt, cykel för cykel med strömlägeskontroll. 

I fallet med ett överspänningstillstånd reagerar LTM4641 inom 500 ns efter feldetektering (Figur 2).   

 

Figur 2. LTM4641 svarar på ett överspänningstillstånd inom 500 ns och skyddar belastningen från spänningspåkänning

Skyddslösningarna för LTM4641

● LTM4641 svarar smidigt och tillförlitligt för att skydda nedströmsenheter och, till skillnad från säkringsbaserade lösningar, kan den automatiskt återställa och aktivera sig själv efter att feltillstånden har avtagit. 

● LTM4641 använder en intern differentialavkänningsförstärkare för att reglera spänningen vid lastens strömterminaler, vilket minimerar fel som härrör från common-mode-brus och PCB-spårspänningsfall mellan LTM4641 och lasten. 

● DC-spänningen vid belastningen regleras till bättre än ±1.5 % noggrannhet över ledning, belastning och temperatur. Denna noggranna utspänningsmätning matas också till den snabba överspänningskomparatorn, som utlöser LTM4641:s skyddsfunktioner. 

● När ett överspänningstillstånd upptäcks, initierar μModule-regulatorn snabbt flera samtidiga åtgärder. En extern MOSFET (MSP i figur 3) kopplar bort ingångsmatningen och tar bort högspänningsvägen från regulatorn och högvärdesbelastningen. En annan extern MOSFET (MCB i figur 3) implementerar en låg kofotsfunktion, snabbt ladda ur lastens bypass-kondensatorer (COUT i figur 3). 

● LTM4641:s inbyggda DC/DC nedstegsregulator går in i ett låst avstängningstillstånd och avger en felsignal som indikeras av HYST-stiftet som kan användas av systemet för att initiera en väl hanterad avstängningssekvens och/eller systemåterställning. En dedikerad spänningsreferens oberoende av styrslingans referensspänning används för att detektera feltillstånd. Detta ger motståndskraft mot ett enpunktsfel, om kontrollslingans referens skulle misslyckas.

 Figur 3. LTM4641-utgångsöverspänningsskyddsplan. Sondikonerna motsvarar vågformerna i figur 2

● LTM4641:s skyddsfunktioner förstärks av dess felåterställningsalternativ. I ett traditionellt system för överspänningssäkring/SCR-skydd, är en säkring förlitad på att separera strömförsörjningen från den höga belastningen. Återställning från ett säkringsutlöst fel kräver mänskligt ingripande – någon med fysisk tillgång till säkringen för att ta bort och ersätta den – vilket introducerar en oacceptabel fördröjning i felåterställningen för hög drifttid eller fjärrsystem.

● Däremot kan LTM4641 återuppta normal drift när feltillståndet har åtgärdats, antingen genom att växla en logisk nivåkontrollstift eller genom att konfigurera LTM4641 för autonom omstart efter en angiven tidsgräns. Om feltillstånd uppstår igen efter att LTM4641 återupptagit drift, kopplas de ovannämnda skydden omedelbart in igen för att skydda lasten.

Ingångsöverspänningsskydd för LTM4641

I vissa fall är enbart utgångsöverspänningsskydd otillräckligt, och ingångsöverspänningsskydd krävs. LTM4641:s skyddskretsar kan övervaka inspänningen och aktivera dess skyddsfunktioner om en användarkonfigurerad spänningströskel överskrids. 

Om den förväntade maximala inspänningen överstiger 38V-klassificeringen för modulen, kan ingångsöverspänningsskyddet utökas upp till 80V med LTM4641 fortfarande i full drift genom att lägga till en extern högspännings-LDO för att hålla kontroll- och skyddskretsar vid liv (Figur 4).

 

Figur 4. Ingångsöverspänningsskydd upp till 80V, med LTM4641 och en extern LDO

Vanliga frågor

1. F: Vilken roll har en tillsynsmyndighet?

S: Tillsynsmyndigheten övervakar hela systemet, och dess huvudansvar är att säkerställa efterlevnad av regelverket.

2. F: Vad är skillnaden mellan DC/DC-omvandlare och regulator?

S: DC/DC-omvandlare reglerar elkraften genom att slå på och av omkopplingselement (FET, etc.). Å andra sidan reglerar LDO-regulatorer strömförsörjningen genom att kontrollera på-motstånd hos FET:er. DC/DC-omvandlare är mycket effektiva när det gäller att omvandla elektricitet genom växlingskontrollen.

3. F: Varför behöver du en DC till DC-omvandlare?

S: DC-DC-omvandlaren används för att reducera högspännings-DC-ingången till lågspännings-DC-utgången för viss specifik utrustning. De används också för att isolera vissa mycket känsliga komponenter i kretsen från andra komponenter i kretsen för att undvika skador.

4. F: Vad är DC/DC Voltage Regulator?

S: En DC-DC-omvandlare är ett elektriskt system (enhet) som omvandlar likströmskällor (DC) från en spänningsnivå till en annan. Med andra ord, en DC-DC-omvandlare tar som ingång en DC-ingångsspänning och matar ut en annan DC-spänning. En DC-DC-omvandlare kallas också en DC-DC-strömomvandlare eller spänningsregulator.

Slutsats

Genom denna andel lär vi oss utmaningarna och industriproblemen, och motsvarande lösningar i det förflutna, och hur LMT4641 μModule regulator löser dem. Den kombinerar en effektiv DC/DC-regulator med en snabb och exakt utgående överspänningsskyddskrets och förhindrar effektivt överspänningsriskerna. Hur tycker du om den här produkten? Lämna dina kommentarer nedan och berätta din idé!

Läs också

● μModule Regulators Krympa nätaggregatets storlek och designansträngning

● Hur man upptäcker Zenerdiod Baserade spänningsregulatorer?

● En komplett guide till LDO-regulatorn 2021

● Hur LTC3035 LDO-regulator balanserar låg avbrottsspänning och liten volym?

Lämna ett meddelande 

meddelande~~POS=TRUNC