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© janaka dharmasena dreamstime.com Elektronikproduktion | 11 November 2014

Extrem zuverlässige Stromversorgungssysteme entwickeln

Die Entwicklung von extrem zuverlässigen Systemen beinhaltet die Nutzung von fehlertoleranten Entwicklungstechniken, die Auswahl von geeigneten Komponenten, um die erwarteten Umgebungsbedingungen zu verkraften und die Übereinstimmung mit Standards zu erzielen.
Dieser Artikel befasst sich mit Halbleiter-Lösungen zur Implementierung von extrem zuverlässigen Stromversorgungen einschließlich Redundanz, Schutzschaltungen und das Management von abgesetzten Systemen. Er hebt einige neue Produkteigenschaften hervor, die die Entwicklung vereinfachen und die Zuverlässigkeit der Komponenten verbessern.

Anforderungen an extrem zuverlässige Stromversorgungssysteme

In einer perfekten Welt sollte ein extrem zuverlässiges System so entwickelt werden, dass Einzelfehler vermieden werden und die Hilfsmittel bereit gestellt werden, um Fehler auf eine Art und Weise zu isolieren, dass der Betrieb, bei evtl. reduzierter Leistung, weitergehen kann. Es sollte auch möglich sein, Fehler zu enthalten, aber die Ausbreitung auf die vor- oder nachgelagerte Elektronik zu vermeiden.

Eingebaute Redundanz, entweder in Form von parallelen Schaltungen, die die Last aktiv verteilen, oder die im Standby warten, bis ein Fehler auftritt, ist eine Lösung. In jedem Falle erfordert das Auffinden und Management von Fehlern zusätzliche Schaltungen, die die Komplexität und die Kosten insgesamt erhöhen. Einige Systeme kreieren auch artfremde parallele Schaltungen, um Vielfältigkeit hinzuzufügen und das Risiko von einem allgemeinen Fehlermechanismus zu vermeiden; dies ist der Fall bei einigen Steuerungssystemen in Flugzeugen.

Besonders komplexe Systeme erhöhen die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit der Stromversorgung wobei ein hoher Wirkungsgrad der Wandlung und gutes thermisches Management wichtig sind, da mit je 10 °C Temperaturanstieg in der Sperrschicht die Lebensdauer des ICs in etwa halbiert wird. Wie man sehen wird, bieten neue funktionsreiche Stromversorgungs-ICs und spezielle Power-Management-Funktionen nun einen verbesserten Schutz für das IC selbst und das umliegende System.

Sicherheitsfunktionen des Leistungsreglers

Ausgangsstrombegrenzung

Dies ist keine neue Funktion, aber ihre Implementierung wurde genauer und weiterentwickelt, und es wird zusätzliche Flexibilität geboten, indem anwenderprogrammierbare Eigenschaften hinzugefügt wurden. Als ein Beispiel, der in Bild 1 dargestellte LT3667 ist ein 40 V/400 mA-Abwärtsschaltregler mit zweifach fehlergeschützten linearen Low-Dropout-Reglern. Interne Schutzschaltungen beinhalten Schutz bei verpolter Batterie, Strombegrenzung, thermische Begrenzung und Schutzfunktion gegen verpolten Strom. Der Schaltreglerteil des ICs enthält sowohl eine Schaltstrombegrenzung, als auch eine Freilaufdiodenstrombegrenzung, so dass der Ausgangsstrom während eines Fehlerzustands so wie ein kurzgeschlossener Ausgang kontrolliert wird. Der lineare Zweifachregler hat ebenfalls individuelle anwenderprogrammierbare Stromgrenzen, die in der Beispielschaltung in Bild 1 mit R7 und R8 auf 100 mA eingestellt sind. Diese Hilfsmittel schützen nicht nur das Bauteil selbst, sondern auch die nachgelagerte Elektronik, sollte ein Fehler auftreten.

Bild 1: Fehlergeschützter Schalt & Linearregler LT3667
Eingangstrombegrenzung

Sie wird üblicherweise in Schaltungen gefunden, wie solchen, die die Energieernte aus Photovoltaikzellen erlauben, bei denen die hohe Impedanz der Quelle erfordert, dass der Strom sorgfältig gesteuert wird, um zu verhindern, dass die Spannung zusammenbricht. Zusätzlich zum Schutz der vorgelagerten Elektronik vor Überlastung, kann sie auch als Sicherheitseigenschaft wie in Bild 2 gezeigt, für eine Backup-Stromversorgung verwendet werden, mit der große Kondensatoren geschützt und sicher geladen werden müssen. Der LT3128 enthält eine programmierbare +/- 2% genaue Durchschnittseingangsstrombegrenzung. In dieser Anwendung ist eine 3-A-Eingangsstrombegrenzung eingestellt und die Superkondensator-Backupschaltung zieht nur den „Reserve“-Strom, der nicht vom Hauptverbraucher über den Auf-/Abwärtswandler benötigt wird.

Bild 2: Auf dem LT3128 basierende Superkondensator-Backup-Schaltung

Schutz vor thermischer Überlastung

Thermischer Überlastschutz ist in der Mehrheit der Leistungswandler-ICs mit internen Leistungstransistoren implementiert. Im Falle des hier beschriebenen LT3128, wird die thermische Abschaltung bei rund 165 °C ausgelöst und das Bauteil bleibt solange abgeschaltet, bis die Temperatur wieder unter 155 °C fällt. Der Baustein enthält jedoch auch einen thermischen Regler, um zu verhindern, dass er in die thermische Abschaltung übergeht, wenn er einen sehr großen Kondensator mit hohem Strom auflädt. Diese arbeitet indem die Durchschnittsstrombegrenzung progressiv verringert wird, wenn die Temperatur 135 °C übersteigt. Andere Produkte, wie der Abwärtswandler mit acht Ausgängen LT3375 haben einen Temperaturausgang und für den Anwender die Möglichkeit, eine von drei Schaltschwellen für die Chiptemperatur einzustellen.

Steuern von mehrfachen Eingangsquellen

Stromversorgungssysteme, die eine Hauptstromversorgung und ein redundantes Backup-System mit vielleicht einer externen Hilfsversorgung enthalten, benötigen ein System, um zu entscheiden, welche Versorgung Priorität besitzt und um ihren Zustand zu überwachen. Darüber hinaus muss es das System vor Kreuzverbindungen und Rückkopplung schützen, während die Quelle schaltet. Einchip-ICs wie der LTC4417 sind eine Lösung, die automatisch die Quelle basierend auf der Validierung von Anwenderdefinierten Versorgungsschaltschwellen für jeden Eingang auswählt.

Eine alternative Methode ist es, die Last auf zwei Eingangsquellen zu verteilen, die simultan arbeiten. Dies steigert die Zuverlässigkeit indem die Belastung auf jede Quelle reduziert wird und gleichzeitig ein Schutz vor Fehlerverhalten einer Quelle geboten wird, wenn sie beide ausreichend dimensioniert sind, um die volle Last zu übernehmen. In der Vergangenheit konnte dazu ein einfaches aber uneffizientes Dioden-OR-Arrangement eingesetzt werden, dies erforderte aber, dass jede Versorgung eine aktive Steuerung zum Abgleich der Last besaß. Bild 3 zeigt, wie dies heute mit einer Einchip-Lösung erreicht werden kann. Der LTC4370 ist ein Strom verteilender Controller mit Verpolschutz, was einen Fehler in einer Versorgung verhindert, der das Stromversorgungssystem ausfallen lassen würde.

Bild 3: Zweifach-redundante Verteilung der Leistungsquelle mit dem LTC4370
Schutz vor Spannungsspitzen

Die Elektronik in militärischen Systemen und Flugzeugen muss den Überspannungsschutzspezifikationen wie MIL-STD-1275 (Fahrzeuge) und MIL-STD-704/DO-160 (Flugzeuge) entsprechen. Der Schutz vor Spannungsstößen, -spitzen und -welligkeit ist wünschenswert in jedem extrem zuverlässigen System und es gibt Produkte, die speziell auf diese Funktion ausgelegt sind. Da Fortschritte in der Halbleiter-Prozesstechnik es Regler-ICs nun erlauben mit Eingangsspannungen bis zu 100 V und mehr zu arbeiten, bieten die speziellen, vor Spannungsspitzen geschützten ICs einen größeren Funktionsumfang und mehr Kontrollmöglichkeiten. In Bild 4, liefert der LTC4364 einen auf 27 V geklemmten Ausgang (anwenderprogrammierbar), um die nachgelagerten Regler vor Spannungsspitzen zu schützen und auch den Ausgang aufrecht zu erhalten, wenn der Eingang kurzgeschlossen oder getrennt ist sowie bei Reset-Bedingungen.

Bild 4: Schutz vor Spannungsspitzen und Aufrechterhalten des Ausgangs

Digitales Management des Stromversorgungssystems

Neue Produkte verbinden die Vorzüge der analogen Leistungsregelung mit digitaler Steuerung, über ein auf einem Zweidraht-PMBus basierendes, digitales Schnittstellenprotokoll, um das Management von Stromversorgungssystemen aus der Ferne zu ermöglichen. Telemetrie- und Diagnosedaten können verwendet werden, um Lastbedingungen zu überwachen, Fehler-Aufzeichnungen auszulesen und Zugriff zum Trimmen und Margining mit +/- 0,25% Genauigkeit zu erhalten sowie dem Maximieren des Systemwirkungsgrads und der Zuverlässigkeit. Solche Systeme bieten die Möglichkeit, von einer zeitbasierten Wartung auf eine zustandsbasierte Wartung überzugehen und können potenziell eine Leistungsabnahme hervorheben, bevor Systemfehler einen Stillstand hervorrufen.

Isolierte Systeme

Extrem zuverlässige Stromversorgungssysteme in Flugzeugen enthalten eine Isolationsbarriere, um die Leistungsbusse des Flugzeugs vor Fehlern in den nachgelagerten austauschbaren Einheiten zu schützen, die üblicherweise für hunderte oder tausende von Watt ausgelegt ist. Die steigende Anzahl von Sensoren und Aktoren treiben ebenfalls die Nachfrage nach kleineren, lokal isolierten Stromversorgungen und Datenschnittstellen, um durch Rauschen hervorgerufene Probleme von Masseschleifen und Gleichtaktstörungen zu reduzieren.

Jüngste Entwicklungen in der drahtlosen Leistungsübertragung schließen ein 2-W-Batterieladesystem, das den LTC4120 verwendet mit ein, das zusammen mit Power-by-Proxi entwickelt wurde und deren patentierte DHC-Technik (dynamic harmonization control) verwendet, die ein kontaktloses Laden mit hohem Wirkungsgrad selbst bei maximalem TX-/RX-Spulenabstand und schlechter Justierung ermöglicht, ohne die thermischen oder Überspannungsprobleme, die üblicherweise in drahtlosen Leistungssystemen vorkommen.

Komponentenauswahl

Der Großteil dieses Artikels befasste sich mit neuen Funktionen, die die Entwicklung von extrem zuverlässigen Stromversorgungssystemen vereinfachen oder Produkteigenschaften, die das Bauteil vor Fehlern oder falscher Behandlung schützen. Es ist jedoch wichtig, die Bedeutung der Komponentenqualität nicht zu übersehen und bei der Auswahl die korrekte Auslegung der Komponenten für die gewünschten Umgebungsbedingungen zu berücksichtigen. Das militärische Plastikgehäuse von Linear Technology bietet z.B. eine 100% getestete und garantierte Leistung über den gesamten Temperaturbereich von – 55 °C bis + 125 °C, was die Notwendigkeit für kostenintensives Neuuntersuchen oder Charakterisierung der Komponenten in der Applikationsschaltung vermeidet, in der sehr raue Umgebungsbedingungen zu erwarten sind.

Zusammenfassung

Die Entwicklung von extrem zuverlässigen Stromversorgungen wurde durch anwenderprogrammierbare Eigenschaften und weiterentwickelte Schutzmechanismen auf dem Chip vereinfacht. Das digitale Management des Power-Systems bietet die Hilfsmittel, um die Stromversorgungssysteme aus der Ferne zu überwachen und zu steuern und den Wirkungsgrad und die Zuverlässigkeit weiter zu verbessern. Und schließlich, die korrekte Auslegung der Komponenten von einem seriösen Anbieter, minimiert die Möglichkeit von Qualitäts- und Zuverlässigkeitsproblemen.
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Autor: Steve Munns, Mil-Aero Marketing Manger, © Linear Technology Corporation

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