首席應用工程師 Jonathan Siegers 和應用工程師 Vamshi Domudala 撰寫的教程

如何設計模組化 DC DC 系統，第 4 部分：安全保護系統

本系列教程前面的內容詳細介紹了利用電源模組設計供電網絡 (PDN) 的實際設計注意事項。設計人員選擇合適的 DC-DC 模組，爲模組的輸入輸出設計濾波器並實現整體系統穩定性後，接下來要考慮的問題就是安全。系統中必須設計熔斷器和瞬態抑制電路，才能在不影響系統可靠性和效率的情況下，確保不發生災難性故障。

Well-designed power system image — 設計良好的電源系統需要得到保護，熔斷器可限制熱損壞並隔離故障系統，而瞬態抑制電路則會抑制可破壞系統穩定性並危及電源模組的浪涌及尖峰。

熔斷器的要求與功能

選擇熔斷器，得先考慮製造商 DC-DC 模組文件中提供的安全機構可接受條件。設計人員必須查閱所提供的最新版文件，選擇適當的熔斷類型，以確保符合安全機構。

熔斷器是系統至關重要的安全元件，有兩個主要功能：

限制由過流或短路事件引起的熱損害程度
隔離出故障的子系統

首先，未使用熔斷器的系統中的嚴重故障造成的熱損害可能非常大：印刷電路板可能被燒成炭，每個組件完全被破壞，具體情況取決於所提供的故障電流。除了防止火災外，熔斷器還有助於在故障發生時保護足夠的系統，以便進行故障分析。其次，熔斷器還能將故障子系統與整個系統隔開，防止不必要的停機。

爲了確保熔斷器不折不扣地執行這兩大功能，並滿足安全機構的要求，每個電源模組在輸入端都必須佈置有自己的熔斷器。在下圖中，任何一個非隔離負載點轉換器或與之相關的輸入電路出現故障時，都會導致相關熔斷器斷開，使系統的其餘部分能夠繼續工作。

Fuse placements in a power system diagram — 在有 3 個 DC-DC 模組的電源系統中佈置熔斷器時，請注意，每個模組都有自己的保護熔斷器。

選擇熔斷器

選擇熔斷器時要考慮的第一個也是最重要的一個參數是額定電流。額定電流通常大於所保護系統的最大持續工作電流。在穩壓 DC-DC 模組中，最大持續工作電流情況出現在最小輸入電壓和滿負載功率下。納入在這些條件下模組工作效率的估算值，以更精確地定義最大持續工作電流。

熔斷器製造商通常建議設計人員在計算熔斷器所需額定電流值時，也參考額定值的25 ~ 50%降額設計。這是熔斷器正常老化的原因，但這也可以防止意外跳閘，避免熔斷器的頻繁更換。

一旦確定了基本熔斷器的額定電流，設計人員就需要考慮系統工作的環境條件。熔斷器製造商的產品說明書中有一個溫度額定值降低圖，如下圖所示。可能需要修改所需熔斷器額定電流的計算，這主要取決於應用以及預期環境溫度。

Example offast-acting fuse temperature de-rating chart — 典型快速熔斷熔斷器溫度額定值降低圖的示例，特別要注意 25°C 以上工作的額外額定值降低。

熔斷器製造商聲明：熔斷器額定電流的典型溫度約爲 25°C，但環境溫度升高將降低熔斷器的有效電流額定值。環境溫度高於 25°C 時，熔斷器將在較低電流下跳閘，因此必須使用該圖表，應用額外降低額定值，並相應提高爲系統選擇的熔斷器的電流額定值。相同的重算對於較低的溫度也有幫助，如果環境溫度一般低於 25°C，選擇額定電流相對較低的熔斷器。

此外，熔斷器的額定電壓也是一個對安全很重要的設計選擇，因爲它不僅可確保熔斷器在跳閘時保持斷開狀態，而且也不允許電弧重擊，導致系統進一步損壞。選擇的熔斷器要有與系統能承受的最大耐受電壓相對應的適當 DC 電壓額定值，這一點非常重要。換句話說，熔斷器的額定電壓必須達到或超過應用的最大電壓。

接下來考慮熔斷器的最大斷流額定值或斷流容量。必須達到或超過被保護電路最大短路電流的這個參數，其規定了在額定電壓下，過載時熔斷器可中斷的最大故障電流。該額定值可確保在過流事件中，熔斷器在不損壞其自身封裝的情況下，清除系統故障。也會損壞熔斷器封裝的清除事件，可能會導致電路板上相鄰組件的損壞，這是一種不安全的故障模式。

請注意，熔斷器電壓額定值和中斷電流規範，可能還得看應用針對的是 AC 系統，還是 DC 系統。請仔細閱讀熔斷器產品說明書規範，看看製造商的意思。

標稱熔化 I²t

接下來考慮熔斷器的標稱熔化 I²t 額定值，以適應一些不應導致熔斷器跳閘的預期事件。例如，DC-DC 系統通常在啓動時爲電容充電，因此，正常工作時，可能會經歷高尖峰涌流。在系統正常預期範圍內的外部引入瞬態過程中，可能也會出現這些較高的峯值電流。

熔斷器的標稱熔化 I²t 參數與熔化內部熔斷器元件本身所需的熱能相對應。例如，在使用 DC-DC 轉換器的應用中，脈衝電流過載很常見，實際可能會超過所選組件的額定熔斷器電流。

要計算這個值並選擇適當的熔斷器，請考慮預期的電流波形及其能量（單位爲焦耳）。下圖是兩種具有代表性的波形輪廓及其各自的脈衝 I²t。該計算可得出熔斷器在不跳閘的情況下必須通過的預期能量，也就是說所選熔斷器的 I²t 額定值必須大於這個值。

Representative pulse shapes diagram — 具有代表性的脈衝形狀和 I2t 方程式 — 正弦（左）和雷電（右）。

爲了增加設計裕度並減少在系統整個生命週期內更換熔斷器的頻率，應將計算熔斷器必須完好的浪涌事件數量的脈衝因數用於計算出的 I²t 值。

熔斷器應用的其它注意事項

在電源系統中設計熔斷器時，還有其它重要因素需要考慮。其中最值得注意的是：

應在電路的非接地側安裝熔斷器，以確保熔斷器斷開時，有針對低電勢的不間斷連接。
一些高級散熱解決方案需要重新考慮熔斷器的佈置。例如，熔斷器不應浸沒在液浸製冷應用中，因爲要精確控制熔斷器元件的溫度，而浸沒在液體中，過載條件無法產生斷開熔斷器所需的熱量。
必須根據所選熔斷器的尺寸和額定值，調整帶電流的導體和 PCB 線跡的尺寸，才能安全承載熔斷器電流額定值 150% 至 200% 的電流，可接受的溫度升高具體取決於適用的安全標準。
當一個模塊由雙偏置電源（其中兩個串聯電壓源在中心位置連接至通用接地）供電時，需要對正負極進行單獨熔斷。在這種特殊情況下，系統的任何一側都有可能發生線路至接地的故障，因此兩側都必須有保護。

瞬態抑制電路

在任何應用中，電源模塊在其使用壽命中都會遇到一些不利的工作條件。具體而言，電源系統和電源模塊必須能夠承受通常超出電源模塊規定工作範圍的浪涌或尖峰。

尖峰和浪涌通常是因爲感應負載切換、系統電機轉速改變或故障清除或瞬間電源中斷而出現的。尖峰類瞬態通常持續時間很短，但其電壓峯值極高。另一方面，浪涌通常表現爲較低的峰值電壓，但可能持續的時間較長。

Transient spike and surge profiles diagram — 瞬態峰值與浪涌輪廓圖。

確定峰值和浪涌，請考慮應用類型以及應對這些瞬態事件的任何適用標準的要求。有了這些參數，隨後就可在電源模組的輸入端設計一款兩級保護電路，如下圖所示。

第一級保護使用瞬態電壓抑制二極管 (TVS) 通過提供 100μs 的快速瞬態能量阻尼來控制尖峰。這些不僅可防止高電壓和較低能量的尖峰，而且還可以與用於集合瞬態能量的下游 LC 濾波器耦合。

在選擇 TVS 二極管時，有四個主要參數需要考慮：二極管的反向對峙電壓、擊穿電壓、箝位電壓和峯值脈衝電流。二極管的反向對峙電壓 (VR) 必須在 DC-DC 轉換器的工作範圍內。換言之，在 TVS 二極管進入反向擊穿之前，電壓不應超過被保護電路的最大工作電壓。接下來考慮決定 TVS 二極管工作的兩個較高閾值：擊穿電壓和箝位電壓，這兩個閾值都必須小於 DC-DC 模塊容許的最大瞬態電壓。擊穿電壓閾值通常爲 VR 的 110 ~ 115%，出現在 TVS 二極管將進入雪崩擊穿並將瞬態能量從電源模塊分流。其次，只有在大量電流流過該二極管時，纔會達到較高的箝位電壓閾值（通常是 V_R 的 130 ~ 140%）。最後考慮峯值脈衝電流額定值，這是 TVS 二極管能夠承受的最大電流。

Two-stage transient-suppression circuit example diagram — 包括 TVS 二極管級和有源箝位級的兩級瞬態抑制電路示例。

第二級瞬態抑制電路主要應對更多持續時間較長的浪涌事件。串聯 FET 可作爲線性穩壓器，在可接受的範圍內主動箝位模組輸入電壓。這款 FET 的選擇主要看模組可接受的輸入電壓範圍。

選擇 FET 時，請記住，如果必須完全禁用 FET，則其額定值的設定應考慮能否承受峯值浪涌電壓幅值。此外，在正常工作中完全增強時，其額定值的設定還必須考慮能否傳導整個模塊的輸入電流。此外，FET 必須能夠在輸入端傳導滿負載電流，並且應該有能夠最大限度降低功耗的最低 R_DS(ON)。最後針對 FET 將爲電路執行的特定鉗位條件評估具體工作區域 (SOA) 及瞬態熱阻抗。