LTM4641μModuleレギュレータはどのように効率的に過電圧を防止しますか？

公称24V〜28Vの中間バス電圧は、直列接続されたバッテリがバックアップ電源になる可能性があり、配電損失のために12Vバスアーキテクチャが実用的でない傾向がある産業、航空宇宙、および防衛システムでは一般的です。 システムバスとデジタルプロセッサの電源入力の間の電圧ギャップの拡大は、電力供給、安全性、およびソリューションサイズに関連する設計上の課題を提示します。

幸い、LTM4641μModuleレギュレータは、入力サージ保護だけでなく、高速で信頼性の高い反応と回復によって上記の問題を解決します。 

この共有では、過去に直面したいくつかの問題と、直面したリスク、課題、業界の問題などの相対的な解決策について詳しく説明します。 これらの問題に悩まされている、または悩んでいる場合は、この共有を通じて、LTM4641μModuleレギュレーターを使用して問題を解決する方法をよりよく学ぶことができます。 読み続けましょう！

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コンテンツ

● 従来のDC / DCコンバータが過電圧Riに直面する理由sk？

● 安価な偽造部品は高価な頭痛を引き起こします

● リスク軽減計画には何を含める必要がありますか？

● 従来の保護回路の欠点は何ですか？

● LTM4641レギュレーターがどのように迅速で信頼できる反応を達成し、あちこちで回復するかm障害？

● よくある質問

● まとめ

従来のDC / DCコンバータが過電圧リスクに直面するのはなぜですか？

負荷点で単段非絶縁型降圧DC / DCコンバータを使用する場合は、非常に正確なPFM / PWMタイミングで動作する必要があります。 入力サージイベントは、DC / DCコンバータにストレスを与え、負荷に過電圧のリスクをもたらす可能性があります。 

製造時に導入された誤ったコンデンサまたは偽造コンデンサは、負荷の定格を超える出力電圧の変動を引き起こし、潜在的に FPGA、ASICなどの広く使用されているマイクロプロセッサ 着火する。

損傷の程度によっては、根本的な原因を特定するのが難しい場合があります。 顧客の不満を防ぐために、過電圧リスク軽減計画が絶対に必要です。 

ヒューズを使用する従来の過電圧保護方式は、特にアップストリーム電圧レールが公称24Vまたは28Vの場合、最新のFPGA、ASIC、およびマイクロプロセッサを保護するのに必ずしも十分に高速でも信頼性もありません。 POL DC / DCでのアクティブな保護が必要です。 

LTM4641は、38V定格の10A DC / DC降圧μModule®レギュレーターであり、出力過電圧を含む多くの障害から防御し、回復します。

正確なスイッチャーのタイミングの重要性は入力電圧とサージとともに増加します入力電圧と出力電圧の間に大きな差が存在する場合、DC / DCレギュレーターの切り替えは、効率がはるかに高いため、リニアレギュレーターよりも優先されます。 

●DC / DCレギュレータの許容誤差が減少します

小さなソリューションサイズを実現するには、非絶縁型降圧コンバーターが最適な選択肢であり、パワーマグネティックスとフィルターコンデンサーのサイズ要件を縮小するのに十分な高周波数で動作します。 

ただし、降圧比の高いアプリケーションでは、DC / DCスイッチングコンバータは3％までのデューティサイクルで動作する必要があり、正確なPWM / PFMタイミングが要求されます。 

さらに、デジタルプロセッサでは厳密な電圧レギュレーションが必要です。 高速過渡応答 電圧を安全な範囲内に保つために必要です。 比較的高い入力電圧では、DC / DCレギュレータのトップサイドスイッチのオン時間の誤差が減少します。

航空宇宙および防衛アプリケーションでよく見られるバス電圧サージは、DC / DCコンバータだけでなく、負荷にも危険をもたらします。 DC / DCコンバータは、十分なライン除去が達成されるように、高速制御ループで過電圧サージを介して調整する定格が必要です。 

DC / DCコンバータがバスサージの調整または存続に失敗した場合、負荷に過電圧が発生します。 負荷のバイパスコンデンサが経年変化や温度とともに劣化するため、過電圧障害が発生する可能性もあります。これにより、最終製品の寿命全体にわたって過渡負荷応答が緩くなります。 

●コンデンサは、制御ループの設計の限界を超えて劣化します

コンデンサが制御ループの設計の限界を超えて劣化した場合、次のXNUMXつのメカニズムによって負荷が過電圧にさらされる可能性があります。 

まず、制御ループが安定している場合でも、大きな過渡負荷ステップイベントは、設計の開始時に予想されていたよりも高い電圧変動を示します。 

第XNUMXに、制御ループが条件付きで安定した場合（または、さらに悪いことに不安定になった場合）、出力電圧は許容限界を超えるピークで発振する可能性があります。 

また、不適切な誘電体材料が使用された場合、または偽のコンポーネントが製造フローに入ると、コンデンサが予期せずまたは時期尚早に劣化する可能性があります。

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安価な偽造部品は高価な頭痛を引き起こすs

グレーマーケットまたはブラックマーケットの偽造部品は魅力的ですが、本物の基準を満たしていません（たとえば、リサイクル、電子廃棄物からの再生利用、または劣った材料からの製造など）。 偽造品が故障した場合、短期的な節約は莫大な長期的な費用になります。 たとえば、偽造コンデンサはさまざまな方法で故障する可能性があります。 問題は次のとおりです。 

1.偽造タンタルコンデンサは、熱暴走に達するまで正のフィードバックメカニズムで内部自己発熱することが確認されています。 

2.偽造セラミックコンデンサには、劣化した誘電体または劣った誘電体が含まれている可能性があり、経年変化や動作温度の上昇により静電容量の損失が加速します。 

3.コンデンサが壊滅的に故障したり、値が低下して制御ループが不安定になると、電圧波形の振幅が当初の設計よりもはるかに大きくなり、負荷が危険にさらされる可能性があります。 

業界にとって残念なことに、偽造部品は、最も機密性が高く安全なアプリケーションであっても、サプライチェーンや電子機器製造フローへの道をますます見つけています。 

2012年XNUMX月に公に発表された米国上院武装サービス委員会（SASC）の報告書は、軍用機および兵器システム（防衛産業のトップ請負業者によって構築されたシステム）の性能と信頼性を損なう可能性のある広範な偽造電子部品を発見しました。 

このようなシステムの電子部品の数の増加（新しい統合打撃戦闘機の3,500を超える集積回路）と相まって、偽造部品はシステムのパフォーマンスと信頼性のリスクをもたらし、もはや無視することはできません。 

リスク軽減計画コンタは何をすべきかに？

リスク軽減計画では、システムが過電圧状態にどのように対応し、回復するかを検討する必要があります。 以下を含む問題： 

1.過電圧障害による煙や火災の可能性は許容されますか？ 

2.根本原因を特定し、是正措置を実施するための努力は、過電圧障害に起因する損傷によって妨げられますか？ 

3.ローカルのオペレーターが、侵害されたシステムの電源を入れ直す（再起動する）場合、システムにさらに大きな害を及ぼすと、復旧作業がさらに妨げられますか？

4.障害の原因を特定し、通常のシステム操作を再開するために必要なプロセスと時間はどのくらいですか？

従来の保護回路の欠点は何ですか？

A 従来の過電圧保護方式 からなる ヒューズ、シリコン制御整流子（SCR）、およびツェナーダイオードの組み合わせ（図1）。 入力電源電圧がツェナー降伏電圧を超えると、SCRがアクティブになり、上流のヒューズを吹き飛ばすのに十分な電流が流れます。

 図1.ヒューズ、SCR、およびZeneで構成される従来の過電圧保護回路rダイオード

● 時間がかかる -安価ですが、この回路の応答時間は、特に上流の供給レールが中間電圧バスである場合、最新のデジタル回路を確実に保護するには不十分です。 さらに、過電圧障害からの回復は侵襲的で時間がかかります。 

● 欠点s -この単純な回路は比較的単純で安価ですが、このアプローチには欠点があります。 ツェナーダイオードの絶縁破壊電圧（锚文本、16px、蓝色、arial、加粗、下划線）、SCRゲートトリガーしきい値、およびヒューズを飛ばすために必要な電流により、応答時間が一貫しなくなります。 危険な電圧が負荷に到達するのを防ぐには、保護が遅すぎる可能性があります。 

● 回復するための多くの努力 -障害から回復するために必要な労力のレベルは高く、ヒューズを物理的に修理してシステムを再起動する必要があります。 検討中の電圧レールがデジタルコアに電力を供給する場合、大電流での順方向降下は最新のデジタルプロセッサのコア電圧と同等かそれ以上であるため、SCRの保護機能は制限されます。 

これらの欠点があるため、従来の過電圧保護方式は、数千ドルではないにしても数百ドルの価値があるASICやFPGAなどの高電圧から低電圧へのDC / DC変換電力負荷には適していません。

LTM4641レギュレータは、どのようにして迅速で信頼性の高い反応を実現し、障害から回復しますか？

より良い解決策は、差し迫った過電圧状態を正確に検出し、低インピーダンス経路の負荷で過剰な電圧を放電しながら入力電源をすばやく切断することによって応答することです。 これは、LTM4641の保護機能で可能です。 

●監視と保護のための完全なコンポーネント

デバイスの中心には、インダクタ、制御IC、電源スイッチ、および補償がすべて38つの表面実装パッケージに含まれている10V定格のXNUMXA降圧レギュレータがあります。 

また、ASIC、FPGA、マイクロプロセッサなどの高価値の負荷を保護するための広範な監視および保護回路も含まれています。 

LTM4641は、入力低電圧、入力過電圧、過熱、出力過電圧、および過電流状態を常に監視し、負荷を保護するために適切に機能します。 

●調整可能なトリガーしきい値

保護機能の誤った実行または時期尚早な実行を回避するために、これらの監視対象パラメーターのそれぞれには、電流モード制御でサイクルごとに確実に実装される過電流保護を除いて、グリッチ耐性とユーザー調整可能なトリガーしきい値が組み込まれています。 

出力過電圧状態の場合、LTM4641は障害検出から500ns以内に反応します（図2）。   

 

図2ns以内の過電圧状態に応答し、負荷を電圧ストレスから保護します。

LTM4641のプロジェクションソリューション

●LTM4641は、ダウンストリームデバイスを保護するために機敏かつ確実に応答し、ヒューズベースのソリューションとは異なり、障害状態が解消した後、自動的にリセットして再起動できます。 

●LTM4641は、内部差動センスアンプを使用して負荷の電源端子の電圧を調整し、LTM4641と負荷の間のコモンモードノイズおよびPCBトレース電圧降下に起因するエラーを最小限に抑えます。 

●負荷のDC電圧は、ライン、負荷、および温度に対して±1.5％を超える精度に調整されます。 この正確な出力電圧測定値は、LTM4641の保護機能をトリガーする高速出力過電圧コンパレータにも供給されます。 

●過電圧状態が検出されると、μModuleレギュレーターはいくつかの同時動作を迅速に開始します。 外部MOSFET（図3のMSP）は入力電源を切断し、レギュレータから高電圧パスと高値負荷を取り除きます。 別の外部MOSFET（図3のMCB）は、 低いです バール機能、負荷のバイパスコンデンサをすばやく放電します（図3のCOUT）。 

●LTM4641の内蔵DC / DC降圧レギュレータは、ラッチオフシャットダウン状態になり、HYSTピンによって示される障害信号を発行します。この信号は、システムが適切に管理されたシャットダウンシーケンスやシステムリセットを開始するために使用できます。 制御ループの基準電圧に依存しない専用の電圧基準を使用して、障害状態を検出します。 これにより、制御ループの参照に障害が発生した場合でも、単一点障害に対する回復力が提供されます。

 図3.LTM4641出力過電圧保護計画。 プローブアイコンは、図2の波形に対応しています。

●LTM4641の保護機能は、障害回復オプションによって強化されています。 従来の過電圧ヒューズ/ SCR保護方式では、電源を高価値の負荷から分離するためにヒューズが使用されていました。 ヒューズが飛んでいる障害からの回復には、人間の介入が必要です。ヒューズを取り外して交換するために物理的にアクセスできる人がいると、稼働時間の長いシステムやリモートシステムの障害回復に許容できない遅延が生じます。

●対照的に、LTM4641は、論理レベル制御ピンを切り替えるか、指定されたタイムアウト期間後に自律再起動するようにLTM4641を構成することにより、障害状態が解消されると通常の動作を再開できます。 LTM4641が動作を再開した後に障害状態が再発した場合、前述の保護がすぐに再作動して負荷を保護します。

LTM4641の入力サージ保護

場合によっては、出力過電圧保護だけでは不十分であり、入力過電圧保護が必要です。 LTM4641の保護回路は、入力電圧を監視し、ユーザーが設定した電圧しきい値を超えた場合にその保護機能をアクティブにすることができます。 

予想される最大入力電圧がモジュールの38V定格を超える場合、制御および保護回路を維持するために外部高電圧LDOを追加することにより、LTM80が完全に動作した状態で入力サージ保護を最大4641Vまで拡張できます（図4）。

 

図4.LTM80と外部LDOを使用した最大4641Vの入力サージ保護

よくある質問

1. Q：規制当局の役割は何ですか？

A：規制当局はシステム全体を監督しており、その主な責任は規制の枠組みへの準拠を確保することです。

2. Q：DC / DCコンバーターとレギュレーターの違いは何ですか？

A：DC / DCコンバーターは、スイッチング素子（FETなど）のオンとオフを切り替えることで電力を調整します。 一方、LDOレギュレータは、FETのオン抵抗を制御することによって電源を調整します。 DC / DCコンバーターは、スイッチング制御によって電気を変換するのに非常に効率的です。

3. Q：なぜDC-DCコンバータが必要なのですか？

A：DC-DCコンバーターは、特定の機器の高電圧DC入力を低電圧DC出力に低減するために使用されます。 また、損傷を避けるために、回路内の一部の高感度コンポーネントを回路内の他のコンポーネントから分離するためにも使用されます。

4. Q：DC / DC電圧レギュレーターとは何ですか？

A：DC-DCコンバーターは、直流（DC）ソースをある電圧レベルから別の電圧レベルに変換する電気システム（デバイス）です。 言い換えると、DC-DCコンバータは、入力としてDC入力電圧を受け取り、異なるDC電圧を出力します。 DC-DCコンバーターは、DC-DC電力コンバーターまたは電圧レギュレーターとも呼ばれます。

まとめ

この共有を通じて、過去の課題と業界の問題、および対応する解決策、およびLMT4641μModuleレギュレーターがそれらをどのように解決するかを学びます。 効率的なDC / DCレギュレータと高速で正確な出力過電圧保護回路を組み合わせ、過電圧のリスクを効率的に防止します。 この製品についてどう思いますか？ 以下にコメントを残して、あなたのアイデアを教えてください！

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