工程師博客：電源功能安全

作者：Tom-M

最近，我在加利福尼亞州米爾皮塔斯參加了一個電力峰會，如果我之前沒有考慮升壓、降壓、降壓-升壓、SEPIC和反激式轉(zhuǎn)換器，那我一定會感到驚訝。作為此次訪問的一部分，我準備了一篇關(guān)于電源電路功能安全要求的演示文稿，下面我要與大家分享其中的部分內(nèi)容。

我將使用IEC 61800-5-2:2016附錄A中的這個電路來說明問題。這是變速驅(qū)動的功能安全標準。

所示輸入為工業(yè)領(lǐng)域常見的24V DC電源。即使發(fā)生故障，這些電源通常限制在60V DC以下。如果電壓監(jiān)視器未指定為60V，那么如圖所示的解決方案將保護帶有TVS和保險絲的電路。如果電壓超過電源監(jiān)控電路的最大指定工作電壓，那么電壓應(yīng)該箝位，并且應(yīng)該選擇能夠在該箝位電流下保持打開的保險絲。圖中還顯示了串聯(lián)MOSFET，在監(jiān)視器的控制下，MOSFET可以斷開剩余電路的電力。最后請注意，監(jiān)控范圍涵蓋輸入和所有調(diào)節(jié)電源。通過這種方式，電源監(jiān)視器負責執(zhí)行大部分重要安全提升工作，而實際電源的設(shè)計并沒有那么重要。

IEC 61800-5-2中的電源示例

該電路為一個雙通道系統(tǒng)供電，這一點沒有在上圖中體現(xiàn)出來。因此，電源電路的任何故障將為共因失效(CCF)，需要非常高的診斷覆蓋率。電壓監(jiān)視器將需要窗口化。傳統(tǒng)上，電源監(jiān)視器僅負責監(jiān)視低于預(yù)期的電源電壓。但是，出于功能安全，你需要確保所有組件均在其指定工作電壓范圍內(nèi)（無論是高端還是低端）工作。此類監(jiān)視器被稱為窗口化電源監(jiān)視器。上圖沒有體現(xiàn)的一點還包括，你可能需要對電源監(jiān)視器進行診斷。這聽起來可能像是基于你的診斷進行診斷，實則不然。舉個例子，雖然高電源可能表示故障，但低端的電源并不是故障，而是正常工作模式，因為在電源打開和關(guān)閉期間，電源將較低。因此，診斷工作至少需要能夠在低端進行監(jiān)視。這可能包括連接MOSFET以便從uC按需拉低UV（欠壓）電阻節(jié)點。

對于電源監(jiān)視器模塊，我尤其青睞 LTC4365。它能夠監(jiān)視過壓和欠壓（即，窗口化），這對于功能安全最為重要。雖然它可以使用2.5V至34V的輸入電源操作，但最高可承受60V，因此滿足PELV要求，適合使用保險絲/Zener組合提供保護，如IEC 61800-5-2示例所示。其額定溫度范圍為-40℃至125℃，因此保證能夠在工業(yè)領(lǐng)域常見的最大溫度范圍內(nèi)提供保護。它還可以控制串聯(lián)MOSFET，以斷開電源電壓（ISO 13849中的基本安全原則），它具備開集輸出，因此多個LTC4365可以相結(jié)合，用于監(jiān)視系統(tǒng)中的其他調(diào)節(jié)電壓。

小尺寸單一MOSFET應(yīng)用可提供60V保護

對于機械應(yīng)用，電源監(jiān)視器導(dǎo)致系統(tǒng)斷路后，應(yīng)避免在沒有人為干預(yù)的情況下重新啟動。對于過程控制應(yīng)用，你可能需要在電源回到規(guī)范后自動重新啟動。

另一個不得不提的有趣部分是ADP1031。該多裸片解決方案可以在4.5V至60V輸入電壓范圍內(nèi)運行，并為4/20mA DAC的AD5758生成+24V、+5V和-24V電源。但是，其中還包括多個數(shù)字隔離通道，額定溫度范圍為-40℃至+125℃，因此請勾選上方簡介中提到的方框。

ADP1031數(shù)據(jù)手冊中的典型應(yīng)用電路

通過盡量減少組件的總數(shù)量并在模塊/PCB級別簡化設(shè)計，此集成度可最大限度提高系統(tǒng)的可靠性。對于類似上述系統(tǒng)，它一定可以簡化FMEDA，并且需要可靠性預(yù)測和分析的組件數(shù)量比集成度較低的系統(tǒng)少得多。

審核編輯 黃昊宇