【技术分享-374】Vicor: 如何设计模块化DC-DC系统(4/5)-系统的安全保护

How to design modular DC-DC systems

2020年10月27日

如何设计模块化DC-DC系统(4/5)-系统的安全保护 

How to design modular DC-DC systems, Part 4: Safety protection systems

NOVEMBER 17, 2020 BY AIMEE KALNOSKAS

从去年到今年，Vicor一共发布了一个DC-DC设计指南，暂时共5篇，翻译有删节。英语强的朋友可以直接查看原文。

Vicor 模块化DC-DC系统设计前序

【技术分享-372】Vicor: 如何设计模块化DC-DC系统(3/5)-稳定性分析和解耦

【技术分享-362】Vicor: 如何设计模块化DC-DC系统(1/5)-基本的电源系统体系结构

【技术分享-369】Vicor: 如何设计模块化DC-DC系统(2/5)-滤波器设计

图1：需要保护设计良好的电源系统；保险丝限制了热损坏并隔离了故障系统，瞬变抑制电路将抑制电压浪涌尖峰，因为它们破坏系统的稳定性并危及电源模块。

保险丝要求和功能

保险丝选择的出发点是制造商的DC-DC模块文档中提供的安全机构可接受的合格条件。设计人员必须查阅最新的可用文档，并选择适当的熔断类型以确保符合代理商的要求。

保险丝是系统的关键安全要素。它们执行两个主要功能：

• 限制由过电流或短路事件引起的热损坏的程度。

• 隔离故障子系统。

首先，在未熔断的系统中，由严重故障引起的热损伤可能是很严重的：印刷电路板可以燃烧成木炭，而每个组件都被完全破坏，这取决于可用的故障电流。除了防止火灾，保险丝还可以在发生可能进行故障分析的故障时帮助保护整个系统。其次，保险丝起到了将故障子系统与整个系统隔离的作用，从而避免了不必要的停机时间。

为了确保保险丝充分发挥两种功能并满足安全机构的要求，每个电源模块必须在输入侧放置自己的保险丝。在图2中，任何一个非隔离的负载点转换器或与之相关的输入电路中的故障都会导致该特定的保险丝断开，同时使系统的其余部分能够继续运行。

图2：采用三个DC-DC模块的电源系统中的保险丝位置；

请注意，每个模块都有自己的保险丝以进行保护选择保险丝选择保险丝时要考虑的第一个也是最重要的参数是额定电流。额定电流必须大于受保护系统的最大连续工作电流。在稳压DC-DC模块中，最大连续工作电流条件发生在最小输入电压和满载功率下。包括在这些条件下模块的工作效率的估计值，以更精确地定义最大连续工作电流。

保险丝制造商通常建议设计人员在计算保险丝的必要额定电流值时还应考虑25％至50％的降额。这说明了正常的保险丝老化，但也防止了误跳闸和频繁更换保险丝的情况。

确定基本保险丝电流额定值后，设计人员需要考虑系统将在其下工作的环境条件。保险丝制造商的数据表包括一个温度降额图表，如图3所示。根据应用和预期的周围环境温度，可能有必要修改所需熔断器电流额定值的计算。

图3：典型的快速熔断器温度降额图表示例；特别要注意的是在25°C以上的温度下还会有额外的降额。

保险丝制造商表示的保险丝电流额定值通常在约25°C的温度下，但是升高的环境温度会降低保险丝的有效电流额定值。由于当环境温度高于25°C时，保险丝将以较低的电流跳闸，因此有必要使用此图表进行额外的降额，并相应地提高为系统选择的保险丝的额定电流。相同的重新计算有助于降低温度：如果环境温度通常低于25°C，请选择额定电流相应较低的保险丝。

保险丝的额定电压也是安全性至关重要的设计选择，因为它可确保保险丝在跳闸时保持开路，并且不允许重新击打电弧，否则会导致系统进一步损坏。选择合适的直流电压额定值的保险丝至关重要，该额定电压与系统可以承受的最大耐受电压相对应。换句话说，保险丝的额定电压必须达到或超过应用的最大电压。

接下来，考虑保险丝的最大中断电流额定值或分断能力。该参数必须满足或超过被保护电路的最大可用短路电流，它决定了在额定电压下过载情况下，保险丝可以中断的最大故障电流。此额定值可确保保险丝在过电流事件中清除系统故障，而不会损坏其自身的包装。清除事件也会损坏保险丝的包装，可能会损坏电路板上的相邻组件，这是一种不安全的故障模式。

请注意，保险丝的额定电压和中断电流规格可能取决于或不取决于应用是用于交流系统还是直流系统。仔细阅读保险丝数据表规格，以了解制造商的预期含义。

额定熔断I2T

接下来，考虑熔断器的额定熔断I2T额定值，以适应某些不应引起熔断器跳闸的预期事件。例如，DC-DC系统通常在启动时对电容充电，因此，在正常操作过程中，可能会遇到高峰值浪涌电流。这些较高的峰值电流也可能在系统正常预期范围内的外部引入瞬变过程中发生。

熔断器的标称熔化I2T参数与熔化内部熔断器元件本身所需的热能相对应。例如，在具有DC-DC转换器的应用中，脉冲电流过载很常见，并且实际上可能超过所选组件的额定熔断器电流。

要计算该值并选择合适的保险丝，请考虑预期的电流波形及其能量（以焦耳为单位）。图4示出了两个代表性的波形轮廓和每个的脉冲I2T。该计算得出保险丝必须通过而不会跳闸的预期能量，这意味着所选保险丝的I2T额定值必须高于该值。

图4：典型的脉冲形状和I2T方程-正弦（左）和脉冲（右）。

为了增加设计裕度并减少系统整个使用寿命内更换保险丝的频率，应将计算保险丝必须承受的浪涌事件次数的脉冲因子应用于计算出的I2T值。

其他熔断注意事项

在将熔断器设计到电源系统中时，还需要考虑其他重要因素。其中一些关键的是：

1. 保险丝应安装在电路的不接地侧，以确保保险丝断开时与低电位的连接不间断。

2. 一些高级冷却解决方案要求重新考虑保险丝的放置。例如，在液浸冷却应用中，不应将保险丝浸入水中，因为保险丝元件的温度将得到很好的控制，以至于过载情况下不会产生足够的热量来断开保险丝。

3. 根据所选保险丝的尺寸和额定值，必须确定载流导体和PCB走线的尺寸，以安全承受保险丝电流额定值的150％至200％，并且根据适用的安全标准可以接受可接受的温度上升。

4. 当模块由双电源供电时，其中两个串联电压源在中心连接到公共地，则需要分别对正端子和负端子进行熔断。在这种特殊情况下，可能会出现系统两侧的接地故障，因此需要两侧的保护。

瞬态抑制电路

在任何应用中，功率模块在其使用寿命期间都会遇到一些不利的工作条件。特别是，电源系统和电源模块必须能够承受浪涌或尖峰，这些浪涌或尖峰通常不在电源模块的指定工作范围内。

尖峰和浪涌通常是由于感性负载切换，系统中的电动机速度变化或故障清除或瞬时电源中断而发生的。尖峰型瞬变通常持续时间很短，但它们可能具有很高的电压峰值。另一方面，电涌通常会呈现出较低的峰值电压，但可能会持续较长的时间。

图5：瞬态尖峰和浪涌曲线。

要验证峰值和浪涌，请考虑应用以及处理这些瞬态事件的所有适用标准的要求。利用这些参数，可以在电源模块的输入端设计一个二级保护电路，如图6所示。

第一级使用瞬态电压抑制（TVS）二极管通过提供100μs数量级的快速瞬态能量阻尼来控制尖峰。这些可以防止高压和低能量尖峰，并且可以与下游LC滤波器耦合，该LC滤波器用于整合瞬态能量。

选择TVS二极管时要考虑四个主要参数：二极管的反向隔离电压，击穿电压，钳位电压和峰值脉冲电流。二极管的反向隔离电压（VR）必须在DC-DC转换器的工作范围内。换句话说，在TVS二极管进入反向击穿之前，不应超过被保护电路的最大工作电压。接下来，考虑指示TVS二极管工作的两个较高阈值：击穿电压和钳位电压，这两个阈值均应小于DC-DC模块可以承受的最大瞬时电压。击穿电压阈值，通常为VR的110-115％TVS二极管将进入雪崩击穿状态，并将瞬态能量从电源模块分流出来。仅当大量电流流过二极管时，才能达到第二个更高的钳位电压阈值（通常为VR的130-140％）。最后，考虑峰值脉冲电流额定值，这是TVS二极管可以承受的最大电流。

图6：由TVS二极管级和有源钳位级组成的两级瞬态抑制电路示例。

瞬态抑制电路的第二级处理时间更长的浪涌事件。串联FET用作线性稳压器，可将模块输入电压有效地钳位在可接受的范围内。同样，该FET的选择取决于模块可接受的输入电压范围。

选择FET时，请记住，如果必须将FET完全禁用，则其额定值应能承受峰值浪涌电压幅度。在正常操作期间完全增强时，还必须对其进行额定额定以传导整个模块的输入电流。此外，FET必须能够在输入侧传导满负载电流，并应具有尽可能低的R DS（ON），以最大程度地降低功率损耗。最后，根据FET将为电路执行的特定钳位条件，评估指定的工作区域（SOA）和瞬态热阻抗。

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关于本人：

Eric Wen (文天祥)

IEEE Senior Member,中国电子学会物联网青年专业技术组通信委员(AIoT),中国电源学会照明电源专业委员会委员,中国电源学会青年工作委员会委员

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