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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 L√∂sung. In jedem Falle erfordert das Auffinden und Management von Fehlern zus√§tzliche Schaltungen, die die Komplexit√§t und die Kosten insgesamt erh√∂hen. Einige Systeme kreieren auch artfremde parallele Schaltungen, um Vielf√§ltigkeit hinzuzuf√ľgen und das Risiko von einem allgemeinen Fehlermechanismus zu vermeiden; dies ist der Fall bei einigen Steuerungssystemen in Flugzeugen.

Besonders komplexe Systeme erh√∂hen die Anforderungen an die Leistungsf√§higkeit der Stromversorgung wobei ein hoher Wirkungsgrad der Wandlung und gutes thermisches Management wichtig sind, da mit je 10 ¬įC 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 f√ľr 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 zus√§tzliche Flexibilit√§t geboten, indem anwenderprogrammierbare Eigenschaften hinzugef√ľgt wurden. Als ein Beispiel, der in Bild 1 dargestellte LT3667 ist ein 40 V/400 mA-Abw√§rtsschaltregler mit zweifach fehlergesch√ľtzten linearen Low-Dropout-Reglern. Interne Schutzschaltungen beinhalten Schutz bei verpolter Batterie, Strombegrenzung, thermische Begrenzung und Schutzfunktion gegen verpolten Strom. Der Schaltreglerteil des ICs enth√§lt sowohl eine Schaltstrombegrenzung, als auch eine Freilaufdiodenstrombegrenzung, so dass der Ausgangsstrom w√§hrend 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 sch√ľtzen nicht nur das Bauteil selbst, sondern auch die nachgelagerte Elektronik, sollte ein Fehler auftreten.

Bild 1: Fehlergesch√ľtzter Schalt & Linearregler LT3667
Eingangstrombegrenzung

Sie wird √ľblicherweise in Schaltungen gefunden, wie solchen, die die Energieernte aus Photovoltaikzellen erlauben, bei denen die hohe Impedanz der Quelle erfordert, dass der Strom sorgf√§ltig gesteuert wird, um zu verhindern, dass die Spannung zusammenbricht. Zus√§tzlich zum Schutz der vorgelagerten Elektronik vor √úberlastung, kann sie auch als Sicherheitseigenschaft wie in Bild 2 gezeigt, f√ľr eine Backup-Stromversorgung verwendet werden, mit der gro√üe Kondensatoren gesch√ľtzt und sicher geladen werden m√ľssen. Der LT3128 enth√§lt eine programmierbare +/- 2% genaue Durchschnittseingangsstrombegrenzung. In dieser Anwendung ist eine 3-A-Eingangsstrombegrenzung eingestellt und die Superkondensator-Backupschaltung zieht nur den ‚ÄěReserve“-Strom, der nicht vom Hauptverbraucher √ľber den Auf-/Abw√§rtswandler ben√∂tigt wird.

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

Schutz vor thermischer √úberlastung

Thermischer √úberlastschutz ist in der Mehrheit der Leistungswandler-ICs mit internen Leistungstransistoren implementiert. Im Falle des hier beschriebenen LT3128, wird die thermische Abschaltung bei rund 165 ¬įC ausgel√∂st und das Bauteil bleibt solange abgeschaltet, bis die Temperatur wieder unter 155 ¬įC f√§llt. Der Baustein enth√§lt jedoch auch einen thermischen Regler, um zu verhindern, dass er in die thermische Abschaltung √ľbergeht, wenn er einen sehr gro√üen Kondensator mit hohem Strom aufl√§dt. Diese arbeitet indem die Durchschnittsstrombegrenzung progressiv verringert wird, wenn die Temperatur 135 ¬įC √ľbersteigt. Andere Produkte, wie der Abw√§rtswandler mit acht Ausg√§ngen LT3375 haben einen Temperaturausgang und f√ľr den Anwender die M√∂glichkeit, eine von drei Schaltschwellen f√ľr die Chiptemperatur einzustellen.

Steuern von mehrfachen Eingangsquellen

Stromversorgungssysteme, die eine Hauptstromversorgung und ein redundantes Backup-System mit vielleicht einer externen Hilfsversorgung enthalten, ben√∂tigen ein System, um zu entscheiden, welche Versorgung Priorit√§t besitzt und um ihren Zustand zu √ľberwachen. Dar√ľber hinaus muss es das System vor Kreuzverbindungen und R√ľckkopplung sch√ľtzen, w√§hrend die Quelle schaltet. Einchip-ICs wie der LTC4417 sind eine L√∂sung, die automatisch die Quelle basierend auf der Validierung von Anwenderdefinierten Versorgungsschaltschwellen f√ľr jeden Eingang ausw√§hlt.

Eine alternative Methode ist es, die Last auf zwei Eingangsquellen zu verteilen, die simultan arbeiten. Dies steigert die Zuverl√§ssigkeit 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 √ľbernehmen. 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 besa√ü. Bild 3 zeigt, wie dies heute mit einer Einchip-L√∂sung erreicht werden kann. Der LTC4370 ist ein Strom verteilender Controller mit Verpolschutz, was einen Fehler in einer Versorgung verhindert, der das Stromversorgungssystem ausfallen lassen w√ľrde.

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

Die Elektronik in milit√§rischen Systemen und Flugzeugen muss den √úberspannungsschutzspezifikationen wie MIL-STD-1275 (Fahrzeuge) und MIL-STD-704/DO-160 (Flugzeuge) entsprechen. Der Schutz vor Spannungsst√∂√üen, -spitzen und -welligkeit ist w√ľnschenswert in jedem extrem zuverl√§ssigen 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 gesch√ľtzten ICs einen gr√∂√üeren Funktionsumfang und mehr Kontrollm√∂glichkeiten. In Bild 4, liefert der LTC4364 einen auf 27 V geklemmten Ausgang (anwenderprogrammierbar), um die nachgelagerten Regler vor Spannungsspitzen zu sch√ľtzen 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 Vorz√ľge der analogen Leistungsregelung mit digitaler Steuerung, √ľber ein auf einem Zweidraht-PMBus basierendes, digitales Schnittstellenprotokoll, um das Management von Stromversorgungssystemen aus der Ferne zu erm√∂glichen. Telemetrie- und Diagnosedaten k√∂nnen verwendet werden, um Lastbedingungen zu √ľberwachen, Fehler-Aufzeichnungen auszulesen und Zugriff zum Trimmen und Margining mit +/- 0,25% Genauigkeit zu erhalten sowie dem Maximieren des Systemwirkungsgrads und der Zuverl√§ssigkeit. Solche Systeme bieten die M√∂glichkeit, von einer zeitbasierten Wartung auf eine zustandsbasierte Wartung √ľberzugehen und k√∂nnen potenziell eine Leistungsabnahme hervorheben, bevor Systemfehler einen Stillstand hervorrufen.

Isolierte Systeme

Extrem zuverl√§ssige Stromversorgungssysteme in Flugzeugen enthalten eine Isolationsbarriere, um die Leistungsbusse des Flugzeugs vor Fehlern in den nachgelagerten austauschbaren Einheiten zu sch√ľtzen, die √ľblicherweise f√ľr 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 Gleichtaktst√∂rungen zu reduzieren.

J√ľngste Entwicklungen in der drahtlosen Leistungs√ľbertragung schlie√üen 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 erm√∂glicht, ohne die thermischen oder √úberspannungsprobleme, die √ľblicherweise in drahtlosen Leistungssystemen vorkommen.

Komponentenauswahl

Der Gro√üteil dieses Artikels befasste sich mit neuen Funktionen, die die Entwicklung von extrem zuverl√§ssigen Stromversorgungssystemen vereinfachen oder Produkteigenschaften, die das Bauteil vor Fehlern oder falscher Behandlung sch√ľtzen. Es ist jedoch wichtig, die Bedeutung der Komponentenqualit√§t nicht zu √ľbersehen und bei der Auswahl die korrekte Auslegung der Komponenten f√ľr die gew√ľnschten Umgebungsbedingungen zu ber√ľcksichtigen. Das milit√§rische Plastikgeh√§use von Linear Technology bietet z.B. eine 100% getestete und garantierte Leistung √ľber den gesamten Temperaturbereich von ‚Äď 55 ¬įC bis + 125 ¬įC, was die Notwendigkeit f√ľr kostenintensives Neuuntersuchen oder Charakterisierung der Komponenten in der Applikationsschaltung vermeidet, in der sehr raue Umgebungsbedingungen zu erwarten sind.

Zusammenfassung

Die Entwicklung von extrem zuverl√§ssigen 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 √ľberwachen und zu steuern und den Wirkungsgrad und die Zuverl√§ssigkeit weiter zu verbessern. Und schlie√ülich, die korrekte Auslegung der Komponenten von einem seri√∂sen Anbieter, minimiert die M√∂glichkeit von Qualit√§ts- und Zuverl√§ssigkeitsproblemen.
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Autor: Steve Munns, Mil-Aero Marketing Manger, © Linear Technology Corporation
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2018.11.21 11:24 V11.9.8-2