Integrierte Schaltkreise mit erhöhtem Schutz für hochzuverlässige Stromversorgungen

Im folgenden Beitrag geht es um Halbleiterlösungen zur Entwicklung von hochzuverlässigen Stromversorgungen einschließlich Redundanz, Schutzschaltungen und Remote-Systemmanagement. Erläutert wird, wie Verbesserungen in der Halbleitertechnologie und neue Sicherheitsmerkmale die Entwicklung vereinfachen und die Komponenten-Zuverlässigkeit erhöhen können. Anforderungen an hochzuverlässige Stromversorgungen Im Idealfall sollte ein hochzuverlässiges System so ausgelegt sein, dass Ausfälle durch Fehler an einem einzelnen Ausfallpunkt (Single Point of Failure) vermieden werden und es eine Möglichkeit zur Isolierung von Fehlern gibt, so dass der Betrieb mit reduziertem Funktionsumfang fortgesetzt werden kann. Das System sollte auch in der Lage sein, Fehler einzudämmen, um eine Ausbreitung auf vor- oder nachgeschaltete Elektronik zu vermeiden. In das System eingebaute Redundanz, entweder in Form von Parallelschaltungen, die sich die Last aktiv teilen oder im Standby-Modus warten, bis ein Fehler auftritt, ist eine mögliche Lösung. In jedem Fall erfordern Fehlererkennung und Management jedoch zusätzliche Reserveschaltungen, die die Systemkomplexität sowie die Kosten in die Höhe treiben. Einige Systeme enthalten auch unterschiedliche parallele Schaltungen, um die Diversität zu erhöhen und das Risiko eines gemeinsamen Ausfallmechanismus zu vermeiden. Bei manchen Flugzeugsteuerungssystemen ist dies der Fall. Zunehmende Systemkomplexität belastet die Leistungsfähigkeit der Stromversorgung, so dass ein hoher Wirkungsgrad bei der Wandlung und ein gutes Wärmemanagement von entscheidender Bedeutung sind, da sich bei jedem Anstieg der Sperrschichttemperatur um 10°C die Lebensdauer von ICs etwa halbiert. Wie im Folgenden beschrieben, bieten neue Stromversorgungs-ICs mit zahlreichen Funktionsmerkmalen und dedizierten Powermanagement-Funktionen jetzt einen höheren Schutz für den IC selbst und das umgebende System. Sicherheitsmerkmale des Stromversorgung Spannungsregler weisen zunehmend genauere und raffiniertere Möglichkeiten der Strombegrenzung auf, um zu vermeiden, dass zu hohe Ausgangsströme das Bauteil selbst oder nachgeschaltete Komponenten beschädigen. Interne Schutzschaltungen wie Verpolungsschutz für die Batterie, Strombegrenzung, Temperaturbegrenzung und Schutz vor Stromrückfluss sind ebenfalls üblich. Ein Produkt, das ein Beispiel für Verbesserungen in der Prozesstechnologie und bei den Sicherheitsmerkmalen darstellt, ist der DC/DC-Schaltregler LTC7801. Das Bauteil verkraftet Eingangsspannungen bis 150V und verfügt über eine Schutzfunktion, die das Schalten verhindert, wenn die Eingangsspannung über einen programmierbaren Betriebsbereich ansteigt. Diese Funktionalität vereinfacht den Schutz vor eingangsseitigen Transienten und reduziert die Anzahl der Bauteile und die Abmessungen der Lösung. Der Ausgang des LTC7801 enthält einen Überspannungskomparator, der vor Spannungsspitzen schützt. Eine Schaltung zur Strombegrenzung mit Foldback-Verhalten steuert die Verlustleistung bei Überstrom und Kurzschluss. Bild 1. Blockschaltung des für hohe Spannungen geeigneten DC/DC-Abwärtsschaltreglers LTC7801. Auch beim Gehäuse des LTC7801 wurden Sicherheitsaspekte berücksichtigt. Angeboten werden Gehäuse mit weit auseinanderliegenden Anschlüssen, um die mögliche Gefahr von Lichtbögen zwischen benachbarten Hoch- und Niedervoltpins zu vermeiden. Die Durchbruchspannung sinkt bei geringerem Luftdruck, so dass Entwickler für drucklose Flugzeuganwendungen den LTC3895 wählen können, der identische Funktionen und Leistungsdaten wie der LTC7801 bietet, jedoch in einem Gehäuse mit doppeltem Pin-Abstand von 0,68mm angeboten wird. Bestimmte Produkte, wie zum Beispiel der fehlertolerante Linearregler LT3007, sind auch mit FMEA-konformem Pinout (Failure Mode and Effects Analysis) erhältlich. Dies bedeutet, dass die Ausgangsspannung bei Kurzschlüssen von benachbarten Pins sowie bei einem nicht angeschlossenen Pin nicht wesentlich vom eingestellten Wert abweicht. Mehrere Eingangsquellen steuern Stromversorgungssysteme mit Hauptversorgung und redundantem Backup sowie eventuell einer externen Hilfsversorgung benötigen ein System, das entscheidet, welche Versorgungsspannung Vorrang hat und zugleich deren Status überwacht. Darüber hinaus muss das System vor Querschlüssen (Cross Conducting)und Rückspeisung (Back Feeding) beim Umschalten der Spannungsquelle schützen. ICs wie der LTC4417 bieten eine Lösung, bei der die Spannungsquelle automatisch auf der Grundlage der Validierung der benutzerdefinierten Versorgungsschwellenwerte für jeden Eingang ausgewählt wird. Ein alternativer Ansatz besteht darin, die Last auf zwei gleichzeitig arbeitende Eingangsquellen zu verteilen. Die Zuverlässigkeit wird erhöht, indem die Belastung für jede Quelle reduziert wird und gleichzeitig ein Schutz gegen den Ausfall einer Quelle geboten wird, falls diese jeweils geeignet dimensioniert sind und die Anforderungen für Volllast erfüllen. In der Vergangenheit wurde vielleicht eine einfache, jedoch ineffiziente Diode-OR-Anordnung verwendet, die jedoch eine aktive Steuerung jeder einzelnen Versorgung erforderte, um die Belastung auszugleichen. Bild 2 zeigt, wie sich dies nun mit einer Ein-Chip-Lösung erreichen lässt. Beim LTC4370 handelt es sich um einen Current-Sharing-Controller mit Rückwärtssperre (Reverse Blocking), der Fehler in einer Versorgung verhindert und das Stromversorgungssystem herunterfährt. Bild 2. Der Stromaufteilungs-Controller LTC4370 ist eine einfache Lösung für die Stromaufteilung zwischen zwei Netzteilen. Transienten- und Schaltungsschutz Militär- und Flugzeugelektronik muss die Spezifikationen hinsichtlich Transientenschutz, wie beispielsweise MIL-STD-1275 (Fahrzeuge) und MIL-STD-704/DO-160 (Flugzeuge), erfüllen. Funktionen, die vor Überspannung, Spannungsspitzen und Spannungswelligkeit schützen sind in jedem hochzuverlässigen System wünschenswert. Ein Produkt mit diesen Funktionen ist zum Beispiel der LT4364. Ferner stehen auch zahlreiche Schaltungsschutzfunktionen zur Verfügung, wie zum Beispiel der bidirektionale 100-V-Leistungsschalter LTC4368, der Schutz vor zu hohen, zu niedrigen oder negativen Versorgungsspannungen sowie vor Überstrom in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung bietet. Bild 3. Blockschaltung des bidirektionalen Leistungsschalters LTC4368 mit Schutzfunktionen. Diese Beispiele zeigen, wie neue Produkte mit zunehmend ausgefeilteren Schutz- und Sicherheitsfunktionen die Entwicklung vereinfachen und Lösungen mit geringeren Abmessungen ermöglichen können. Digitales Leistungssystemmanagement Neue Produkte vereinen die Vorteile der analogen Leistungsregelung mit der digitalen Steuerung über eine I2C-basierte PMBus-Schnittstelle und ermöglichen so das Remote Management von Stromversorgungssystemen. Telemetrie- und Diagnosedaten können verwendet werden, um den Lastzustand zu überwachen, die Temperatur zu erfassen und den Zugang für Trimming und Margining mit sehr hoher Genauigkeit zu ermöglichen. Dadurch werden die Stabilität, der Wirkungsgrad und die Zuverlässigkeit des Systems maximiert. Problematisch beim Management digitaler Stromversorgungen ist die Komplexität der Software. Da der Abwärtswandler LTC3815 jedoch einen vereinfachten PMBus-„Lite“-Befehlssatz nutzt und nicht über einen nichtflüchtigen Speicher oder Mikrocontroller verfügt, vereinfacht sich die Entwicklung mit den Vorteilen einer digitalen Steuerung und Überwachung. Wie bereits erwähnt, ist eine gute thermische Steuerung für die Zuverlässigkeit unerlässlich, und der LTC3815 verfügt über zwei Stufen von thermischen Schwellenwerten sowie über zwei Ansprechwerte. Sobald die interne Die-Temperatur +150°C überschreitet, wird die Übertemperatursituation an den PMBus gemeldet und der ALERT-Pin wird auf Low gezogen, um den PMBus-Master zu alarmieren. Steigt die Temperatur weiter an und überschreitet +170°C, schaltet der LTC3815 alle Schaltkreise einschließlich Ausgangsregelung bis zum Ende der Übertemperatursituation ab. Solche Systeme, die ihren Status melden können, bieten die Möglichkeit, von zeitbasierten Wartungsplänen zur zustandsbasierten Wartung überzugehen und können möglicherweise Funktionseinschränkungen aufzeigen, bevor Fehler im System eintreten. Isolierte Systeme Hochzuverlässige Stromversorgungssysteme enthalten oft eine Isolationsbarriere, um die Leistungsbusse vor Fehlern in nachgeschalteten, austauschbaren Einheiten zu schützen. Da in vielen Systemen die Anzahl von Sensoren und Betätigern steigt, erhöht sich die Nachfrage nach kleineren, lokal isolierten Stromversorgungen und Datenschnittstellen, um durch Rauschen verursachte Probleme durch Erdschleifen und Gleichtaktstörungen zu verringern. Es gibt heute komplette galvanisch isolierte BGA-Module, die die Entwicklung vereinfachen und die Zuverlässigkeit erhöhen. Der isolierte Schaltcontroller LTM9100 ist eine Komplettlösung, mit der sich Hochvolt-Stromversorgungen bis 1.000VDC steuern, schützen und überwachen lassen. Eine galvanische Isolationsbarriere für 5kVeff. trennt die digitale Schnittstelle vom Schaltcontroller und treibt einen externen N-Kanal-MOSFET- oder IGBT-Schalter. Die Ergebnisse von isolierten digitalen Messungen von Laststrom, Busspannung und Temperatur stehen über die I2C/ SMBus-Schnittstelle zur Verfügung, was eine Leistungs- und Energieüberwachung des Hochvolt-Busses ermöglicht. Bild 4. Blockschaltung des isolierten Schaltcontrollers LTM9100 mit Telemetrie. Komponentenauswahl Der größte Teil dieses Artikels ist neuen Funktionen gewidmet, welche die Entwicklung von hochzuverlässigen Stromversorgungen vereinfachen, oder beschreibt Produktmerkmale zum Schutz vor Fehlern. Entscheidend ist jedoch, die Bedeutung der Qualität der Bauteile nicht zu übersehen und die richtige Auswahl für die zu erwartenden Umgebungsbedingungen zu treffen. Zum Beispiel bieten Military-Grade-Plastikgehäuse von Analog Devices 100% getestete und garantierte Leistungsdaten über einen Temperaturbereich von -55°C bis +125°C, wodurch ein kostspieliges Rescreening oder eine Charakterisierung des Bauteils in der Anwendung, in der sehr raue Bedingungen zu erwarten sind, vermieden werden. Schlussbemerkung Die Entwicklung von hochzuverlässigen Stromversorgungen lässt sich durch vom Anwender einstellbaren Funktionen, anspruchsvolle On-Chip-Schutzmechanismen sowie eine erhöhte Integration, welche den Platzbedarf der Gesamtlösung verringert, vereinfachen. Das digitale Management von Stromversorgungssystemen ermöglicht die Fernüberwachung und -steuerung sowie die weitere Steigerung von Effizienz und Zuverlässigkeit. Hinzu kommt, dass sich durch die Auswahl der richtigen Qualität von Bauteilen eines renommierten Lieferanten die Wahrscheinlichkeit von Qualitäts- und Zuverlässigkeitsproblemen verringern lässt.

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Steve Munns, Mil-Aero Marketing Manager, Analog Devices