Návrh napájecích systémů s vysokou spolehlivostí

Pokud bychom mohli žít v dokonalém světě, měla by všechna naše zařízení velmi vysokou spolehlivost. Navíc by byla navržena tak, že selhání jednoho z článků by umožnilo zajistit prostředky pro izolaci chyb takovým způsobem, aby hlavní funkce zařízení mohla pokračovat třeba sníženým výkonem. Důležitou funkcí by byla i vhodná izolace chyby, aby se zabránilo jejímu šíření po nebo proti směru elektronického obvodu. Samozřejmostí by bylo automatické odeslání diagnostické zprávy do řídicího systému.

Obr. 1 LTC4370 jako dvojitý redundantní napájecí zdroj

Implementace redundantních systémů

Jedním z možných přístupů k problému je využití vestavěné redundance. V zásadě lze hovořit o dvou formách – a to buď o podobě paralelních obvodů, které sdílejí aktivně zátěž, nebo o podobě pohotovostního režimu aktivovaného až v okamžiku selhání. Detekce poruchových stavů a jejich obsluha samozřejmě také vyžaduje další obvody, které se starají především o rozhodování priorit dodávek a monitorování aktuálního stavu. Obvody dále musí zajistit během přepínání zdrojů ochranu systému před stavy, kdy by mohlo dojít k jejich vzájemnému propojení a zpětnému toku proudu. Dobrou zprávou je, že dnes jsou již na trhu odpovídající produkty, jako jsou kupříkladu obvody LTC4417. Jejich cílem je zajistit jednočipové řešení s možností automatického výběru zdroje na základě ověření uživatelem definovaných rozhodovacích úrovní pro jednotlivé vstupy.

Druhou možností je sdílení zátěže mezi dvěma napájecími zdroji, které v systému pracují souběžně. Díky snížení zátěže každého z nich je dosaženo vyšší celkové spolehlivosti a zároveň je zajištěna ochrana před výpadkem jednoho zdroje, neboť každý z nich je dimenzován na plnou zátěž. V minulosti se podobné případy řešily jednoduchým, ovšem neefektivním diodovým součtovým členem, ale dnes je obvykle požadována aktivní kontrola každého kanálu a vzájemného vyvážení zatížení. Na obr. 1 je příklad řešení situace s použitím jediného obvodu. LTC4370 je určen pro řízení sdílené zátěže s reverzní blokací, která zabraňuje ovlivnění jednoho napájecího zdroje poruchou ve druhém.

Obr. 2 LTC3355 – DC/DC regulátor se záložním systémem

Schéma záložního napájení

Zdroje pro aplikace s vysokou spolehlivostí často definují minimální čas, po který má být zajištěn plný provoz systému ze záložního zdroje energie v případě výpadku hlavního napájení. Konstrukce záložních systémů byla značně zjednodušena příchodem nových produktů. Jedním z takových jsou obvody LTC3355, které v jediném čipu poskytují kompletní řešení v podobě 1A DC/DC spínaného regulátoru a záložního systému. Uvnitř LTC3355 jsou integrovány především čtyři hlavní funkce:

– Nesynchronní 1A DC/DC snižující regulátor hlavního zdroje, který může pracovat se vstupním napětím od 3 do 20 V.

– Programovatelná 1A lineární nabíječka s konstantním proudem / konstantním napětím, napájena z VOUT, která podporuje připojení superkondenzátoru, řady elektrolytických kondenzátorů nebo NiMH baterie. Termoregulační smyčka maximalizuje nabíjecí proud omezením teploty čipu do 110 °C.

– Nesynchronní zvyšující spínaný regulátor s konstantní frekvencí a výstupním proudem do 5 A dodává energii ze superkondenzátoru do V_OUT v případě, že dojde k poklesu napětí na V_IN pod programovatelnou úroveň. Je navržen pro provoz i s velmi nízkým napětím kondenzátoru, až do pouhých 0,5 V pro udržení záložní dodávky energie tak dlouho, jak je to jen možné.

– Bezeztrátový součtový člen pro bezproblémový přechod ze snižujícího na zvyšující regulátor během výpadku napájení.

Obr. 3 Ochrana před přechodovými jevy a dodržení výstupního napětí

Řízení tepla a bezpečnostní funkce

Teplotní management je stále více náročnější ruku v ruce s tím, jak stoupá energetická hustota a požadavky na výkon. Další zvyšování výkonu má přímý vliv na životnost integrovaných obvodů, která se s každými 10 °C provozní teploty navíc snižuje přibližně na polovinu. Nové vlastnosti moderních napájecích obvodů a specializované funkce pro správu napájení zvyšují nejen ochranu samotného IO, ale i celého systému.

Tepelná ochrana je ve většině integrovaných regulátorů realizována s využitím vnitřních výkonových tranzistorů. Typickou hodnotou pro úplné vypnutí zdroje je teplota kolem 155 až 165 °C s blokováním spouštění (hysterezní smyčkou), dokud teplota nepoklesne alespoň o 10 °C. Některé nové produkty mají přímo na svém čipu vyveden teplotní výstup a možnost uživatelského nastavení jedné ze tří prahových úrovní.

Dalšími společnými bezpečnostními prvky vnitřní ochrany obvodů je reverzní ochrana akumulátoru, omezení výstupního proudu a ochrana před opačným proudem. Moderní obvody, jako například LT3667, který na jediném čipu spojuje bezpečnostní spínaný regulátor a dva LDO výstupy, začleňují tyto funkce a zjednodušují návrh s uživatelsky programovatelnými proudovými limity pro každý jednotlivý výstup.

Ochrana proti přepětí

Vojenská elektronika a letadla musí splnit náročné požadavky ochrany před přechodovými jevy, specifikované v MIL-STD-1275 (pro vozidla) a MIL-STD-704 / DO-160 (pro letadla). Nicméně ochrana před napěťovými rázy, špičkami a zvlněním je žádoucí v každém vysoce spolehlivém systému, a tak je dnes na trhu dostupná řada produktů s těmito funkcemi. Zatímco pokrok v procesu křemíkových technologií umožňuje integrovaným regulátorům pracovat se vstupním napětím i větším než 100 V, specializované ochranné obvody zajišťují větší funkčnost a kontrolu proti přepětí. Obvod LTC4364 na obr. 3 poskytuje výstupní napětí 27 V (uživatelsky konfigurovatelné) pro ochranu následných regulátorů před přechodovými jevy a zároveň zvyšuje výkon v případě propadu napětí na vstupu nebo krátkodobým rozpojením/resetem.

Digitální správa napájení

Nové obvody dnes na jediném čipu kombinují výhody analogových regulátorů s digitálním řízením přes 2vodičové rozhraní PMBus vycházející z I²C, které umožňuje vzdálenou správu napájecích systémů. Telemetrická a diagnostická data mohou být použita k monitorování aktuálních provozních podmínek, čtení poruchových protokolů i k zajištění přístupu k jemnému doladění výstupních parametrů s přesností ± 0,25 % pro maximálně účinné a spolehlivé systémy. Díky tomu lze vytvořit i časové harmonogramy údržby a například na základě poklesu výkonu potenciálně předejít vzniku poruchového stavu jeho podchycením v samotném zárodku.

Závěr

Návrh vysoce spolehlivých napájecích zdrojů byl značně zjednodušen příchodem uživatelsky programovatelných vlastností, sofistikovanějších integrovaných ochranných mechanismů a řady doplňkových funkcí soustředěných přímo v jediném čipu. Systémy digitální správy napájení přinášejí funkce vzdáleného monitorování, řízení výkonu systému i řadu dalších funkcí vhodných pro zvýšení účinnosti a spolehlivosti aplikace.

(Obr. vpravo nahoře: Management digitální správy napájení)