LTM4641 μModule 稳压器如何有效防止过压？

标称 24V~28V 的中间总线电压在工业、航空航天和国防系统中很常见，在这些系统中，串联电池可能是备用电源，由于配电损耗，12V 总线架构往往不切实际。 系统总线和数字处理器的电源输入之间不断扩大的电压差距带来了与供电、安全性和解决方案尺寸相关的设计挑战。

幸运的是，LTM4641 μModule 稳压器通过快速可靠的反应和恢复以及输入浪涌保护解决了上述问题。 

本次分享将给大家详细介绍我们过去面临的一些问题以及相关的解决方案，包括我们面临的一些风险、挑战和行业问题。 如果您曾经或正在被这些问题困扰，您可以通过本篇分享更好地了解如何使用 LTM4641 μModule 稳压器解决这些问题。 让我们继续阅读！

分享是关怀！

内容

● 为什么传统 DC/DC 转换器会面临过压 Ri斯克？

● 廉价的假冒元件导致昂贵的头痛

● 风险缓解计划应包含哪些内容？

● 传统保护电路有哪些不足？

● LTM4641 稳压器如何实现快速可靠的反应和恢复m 故障？

● 常见问题

● 结论

传统DC/DC转换器为何面临过压风险？

如果在负载点使用单级非隔离降压 DC/DC 转换器，它必须以极其精确的 PFM/PWM 时序运行。 输入浪涌事件会给 DC/DC 转换器带来压力，给负载带来过压风险。 

制造过程中引入的错误或假冒电容器可能会导致输出电压偏移超过负载额定值，从而可能导致 广泛使用的微处理器，如 FPGA、ASIC 点燃。

根据损坏的程度，可能很难找到根本原因。 过压风险缓解计划对于防止客户不满是绝对必要的。 

涉及保险丝的传统过压保护方案不一定足够快，也不够可靠，无法保护现代 FPGA、ASIC 和微处理器，尤其是当上游电压轨为 24V 或 28V 标称值时。 POL DC/DC 的主动保护是必要的。 

LTM4641 是一款额定电压为 38V、10A DC/DC 降压型 μModule® 稳压器，可防御包括输出过压在内的许多故障并从中恢复。

准确开关时序的重要性随着输入电压和浪涌的增加而增加当输入和输出电压之间存在较大的差异时，开关 DC/DC 稳压器比线性稳压器更受青睐，因为它们的效率要高得多。 

● DC/DC 稳压器的误差容限减小

为了实现较小的解决方案尺寸，非隔离式降压转换器是首选，它在足够高的频率下运行以缩小其功率磁性元件和滤波电容器的尺寸要求。 

然而，在高降压比应用中，DC/DC 开关转换器必须在低至 3% 的占空比下运行，这需要精确的 PWM/PFM 时序。 

此外，数字处理器需要严格的电压调节，并且 快速瞬态响应 需要将电压保持在安全范围内。 在相对较高的输入电压下，DC/DC 稳压器顶部开关导通时间的误差容限会降低。

母线电压浪涌经常出现在航空航天和国防应用中，不仅对 DC/DC 转换器而且对负载构成危险。 DC/DC 转换器的额定值必须能够通过快速控制环路调节过压浪涌，从而实现足够的线路抑制。 

如果 DC/DC 转换器无法调节或经受住总线浪涌，负载就会出现过压。 随着负载的旁路电容器随着时间和温度的老化而退化，也可能引入过压故障，这会导致在最终产品的整个生命周期内瞬态负载响应变松。 

● 电容器退化超出控制回路设计的限制

如果电容器性能下降超出控制回路设计的限制，负载可能会通过两种可能的机制承受过压： 

首先，即使控制回路保持稳定，重瞬态负载阶跃事件也会表现出比设计开始时预期的更高的电压偏移。 

其次，如果控制回路在条件上变得稳定（或更糟的是，不稳定），输出电压可能会以超过可接受限制的峰值振荡。 

当使用不正确的介电材料或假冒组件进入制造流程时，电容器也会意外或过早退化。

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廉价的假冒组件导致昂贵的头痛s

灰市或黑市假冒组件可能很诱人，但它们不符合真品的标准（例如，它们可能被回收、从电子垃圾中回收或由劣质材料制成）。 当假冒产品出现故障时，短期的节省会变成一笔巨大的长期开支。 例如，假冒电容器可能会以多种方式出现故障。 问题包括： 

1. 假冒钽电容器会因正反馈机制而遭受内部自发热，直至达到热失控的程度。 

2. 假冒陶瓷电容器可能含有受损或劣质的介电材料，导致电容随着时间的推移或在升高的工作温度下加速损失。 

3. 当电容器发生灾难性故障或值下降导致控制回路不稳定时，电压波形的幅度可能会比最初设计的要大得多，从而危及负载。 

对于该行业来说不幸的是，即使在最敏感和最安全的应用中，假冒组件也越来越多地进入供应链和电子制造流程。 

美国参议院军事委员会 (SASC) 于 2012 年 XNUMX 月公开发布的一份报告发现，军用飞机和武器系统中广泛存在的假冒电子元件可能会影响其性能和可靠性——这些系统由国防工业的顶级承包商建造。 

再加上此类系统中电子元件数量的增加（新型联合攻击战斗机中的 3,500 多个集成电路），假冒元件构成了无法再忽视的系统性能和可靠性风险。 

风险缓解计划应包含哪些内容在？

任何风险缓解计划都应考虑系统如何响应过压情况并从过压情况中恢复。 问题包括： 

1. 过压故障导致冒烟或起火的可能性是否可以接受？ 

2. 确定根本原因和实施纠正措施的努力是否会因过压故障造成的损坏而受到阻碍？ 

3. 如果本地操作员要对受感染的系统进行电源循环（重新启动），对系统造成的更大损害是否会进一步阻碍恢复工作？

4. 确定故障原因并恢复正常系统运行所需的过程和时间是多少？

传统保护电路有哪些不足？

A 传统的过压保护方案 由 保险丝、可控硅整流器 (SCR) 和齐纳二极管（图 1）。 如果输入电源电压超过齐纳击穿电压，则 SCR 激活，吸收足够的电流来熔断上游保险丝。

 图 1. 由保险丝、可控硅和稳压管组成的传统过压保护电路二极管

● 耗时的 - 虽然价格低廉，但该电路的响应时间不足以可靠地保护最新的数字电路，尤其是当上游电源轨是中间电压总线时。 此外，从过压故障中恢复是侵入性的且耗时的。 

● 退税s - 这种简单的电路相对简单且便宜，但这种方法也有缺点： 齐纳二极管击穿电压（锚文本，16px，蓝色，arial，加粗，下划线）、SCR 门极触发阈值和熔断保险丝所需的电流导致响应时间不一致。 保护动作可能太晚，无法防止危险电压到达负载。 

● 努力恢复 - 从故障中恢复所需的工作量很大，包括对保险丝进行物理维修和重新启动系统。 如果所考虑的电压轨为数字内核供电，那么 SCR 的保护能力就会受到限制，因为大电流下的正向压降与最新数字处理器的内核电压相当或更高。 

由于这些缺点，传统的过压保护方案不适合为高电压到低电压 DC/DC 转换供电的负载，例如价值数百甚至数千美元的 ASIC 或 FPGA。

LTM4641 稳压器如何实现快速可靠的反应并从故障中恢复？

更好的解决方案是准确检测即将发生的过压情况，并通过快速断开输入电源来响应，同时通过低阻抗路径释放负载上的过压。 这可以通过 LTM4641 中的保护功能实现。 

● 完整的监控和保护组件

该器件的核心是一个额定电压为 38V、10A 的降压稳压器，其电感器、控制 IC、电源开关和补偿都包含在一个表面贴装封装中。 

它还包括广泛的监控和保护电路，以保护高价值负载，例如 ASIC、FPGA 和微处理器。 

LTM4641 持续监视输入欠压、输入过压、过热以及输出过压和过流情况，并采取适当的行动来保护负载。 

● 可调触发阈值

为避免保护功能的错误或过早执行，这些监控参数中的每一个都具有内置的干扰抗扰度和用户可调节的触发阈值，但过流保护除外，过流保护通过电流模式控制逐周期可靠地实现。 

在输出过压情况下，LTM4641 会在故障检测后 500ns 内做出反应（图 2）。   

 

图 2. LTM4641 在 500ns 内响应过压条件，保护负载免受电压应力

LTM4641 的保护解决方案

● LTM4641 能够灵活可靠地响应以保护下游器件，并且与基于熔断器的解决方案不同，它可以在故障条件消退后自动复位和重新准备自身。 

● LTM4641 使用一个内部差分检测放大器来调节负载电源端子上的电压，从而最大限度地减少由 LTM4641 和负载之间的共模噪声和 PCB 走线电压降引起的误差。 

● 负载的直流电压在线路、负载和温度范围内被调节到优于±1.5% 的精度。 这种准确的输出电压测量值也被馈送到快速输出过压比较器，从而触发 LTM4641 的保护功能。 

● 当检测到过压情况时，μModule 稳压器会迅速启动几个同时的动作过程。 外部 MOSFET（图 3 中的 MSP）断开输入电源，从稳压器和高值负载中移除高压路径。 另一个外部 MOSFET（图 3 中的 MCB）实现了一个 低 撬棍功能，使负载的旁路电容器（图 3 中的 COUT）快速放电。 

● LTM4641 的内置 DC/DC 降压稳压器进入闭锁关断状态，并发出由 HYST 引脚指示的故障信号，系统可使用该信号来启动管理良好的关断序列和/或系统复位。 独立于控制回路参考电压的专用电压参考用于检测故障情况。 如果控制回路的参考发生故障，这提供了针对单点故障的弹性。

 图 3. LTM4641 输出过压保护方案。 探头图标对应于图 2 中的波形

● LTM4641 的保护功能由其故障恢复选项支持。 在传统的过压熔断器/SCR 保护方案中，依靠熔断器将电源与高值负载分开。 从保险丝熔断故障中恢复需要人工干预——有人可以物理访问保险丝以拆除和更换它——这会在正常运行时间较长或远程系统的故障恢复中引入不可接受的延迟。

● 相比之下，一旦故障条件清除，LTM4641 就可以恢复正常工作，方法是通过切换一个逻辑电平控制引脚或将 LTM4641 配置为在指定的超时周期后自动重启。 如果在 LTM4641 恢复工作后故障条件再次出现，上述保护功能会立即重新启动以保护负载。

LTM4641 的输入浪涌保护

在某些情况下，仅靠输出过压保护是不够的，需要输入过压保护。 LTM4641 的保护电路可以监视输入电压并在超过用户配置的电压阈值时激活其保护功能。 

如果预期的最大输入电压超过模块的 38V 额定值，则输入浪涌保护可扩展至高达 80V，而 LTM4641 仍可通过添加一个外部高压 LDO 保持完全运行，以保持控制和保护电路的工作（图 4）。

 

图 4. 使用 LTM80 和一个外部 LDO 提供高达 4641V 的输入浪涌保护

常见问题

1. 问：监管者的作用是什么？

答：监管机构对整个系统进行监管，其主要职责是确保符合监管框架。

2、问：DC/DC转换器和稳压器有什么区别？

答：DC/DC 转换器通过打开和关闭开关元件（FET 等）来调节电力。 另一方面，LDO 稳压器通过控制 FET 的导通电阻来调节电源。 DC/DC转换器在通过开关控制转换电力方面效率很高。

3. 问：为什么需要 DC 到 DC 转换器？

A：DC-DC转换器用于将某些特定设备的高压直流输入降低到低压直流输出。 它们还用于将电路中一些高度敏感的元件与电路中的其他元件隔离，以避免任何损坏。

4、问：什么是DC/DC稳压器？

答：DC-DC 转换器是一种电气系统（设备），可将直流 (DC) 电源从一个电压电平转换为另一个电压电平。 换言之，DC-DC转换器将DC输入电压作为输入并输出不同的DC电压。 DC-DC转换器也称为DC-DC电源转换器或电压调节器。

结论

通过本次分享，我们了解到以往面临的挑战和行业问题，以及相应的解决方案，以及 LMT4641 μModule 稳压器如何解决这些问题。 它结合了高效的DC/DC稳压器和快速准确的输出过压保护电路，有效防范过压风险。 您如何看待这款产品？ 在下方留下您的评论，告诉我们您的想法！

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