Det finns många olika  definitioner av spikar och stötar och en mängd olika skyddskrav. Steve Munns från Linear Technology Corporation gör här  en genomgång av de viktigaste kraven och hur man kan skydda flyg- och försvarstillämpningar.

LRUer (Line Replaceable Units) är modulära subsystem som delar fysiska och elektriska gränssnitt. LRUer utnyttjas brett inom militären och för civilt flyg eftersom underhåll på avlägsna platser kan förenklas genom enkelt utbyte av enheter. Samtliga LRUer måste vara utformade att uppfylla rigorösa specifikationer och standarder för att säkerställa kompatibilitet och tillförlitlig funktion i tuffa miljöer.
Den här artikeln behandlar LRUernas kraftgränssnitt och speciellt de krav som ställs på att DC/DC-omvandlare och linjära regulatorer nedströms skyddas mot kraftmatningsfel i form av spänningspikar, stötar och rippel.

Spikar, stötar och rippel
Definitionen av spikar och stötar varierar något mellan olika standarder. Enskilda länder har tagit fram sina egna nationella standarder för militären, medan flygplanstillverkare utgår från sina egna specifikationer och RTCA (Radio Technical Commission for Aeronautics) utvecklar internationella standarder för att överbrygga dessa båda världar. Tabell 1 visar tre viktiga referenser och sammanfattar deras krav för transienter.

Fig 1. En produkt i Linears µModule-familj

Av utrymmesskäl är det nödvändigt att här sammanfatta kraven; varje specifikation innehåller detaljerade diagram för prestandaföreskrifter och testförhållanden. Rippelspecifikationen för MIL-STD-1275Ds inställning för endast generator (“generator only”) visas som värsta tänkbara exempel, normalt driftsläge specificeras som ±2 V från jämvikten (“steady state”). Det finns många andra nationella specifikationer såsom exempelvis Storbritanniens DEFSTAN 61-5 (del 6) för militära fordon som i stort ställer krav liknande MIL-STD-1275D men för 12 V och 24 V system.
Systemet måste vara utformat att klara specificerade värsta tänkbara förhållanden men vanligtvis är målet att utveckla en krets som fortsätter att fungera vid specificerade transientförhållanden tills dess att en förbestämd punkt för säkerhetsavstängning nås. I vissa fall kan full kompatiblitet med specifikationen inte uppnås inom de för LRU-lådans tillåtna dimensioner på grund av den fysiska storleken på de dämpningskomponenter som behövs, vilket leder till att specifikationerna ändras enligt överenskommelse mellan kunden och leverantören.
Denna mångfald gör det svårt att utveckla en enda lösning som passar samtliga behov och dessutom varierar standardkraven från ett projekt till ett annat, med justeringar för kompatibilitetskrav som speglar driftsförhållandena för den LRU som ska utvecklas. Detta har resulterat i att konstruktörer brukar anta en “från-fall-till-fall”-strategi för skyddskretsar.

Problem
Om vi börjar med spänningsspikar brukar dessa karaktäriseras som flera hundra volt under tiondels mikrosekunder till följd av blixtnedslag eller induktiv koppling av laststeg. Nuvarande lösningar med en transientspänningsdämpare i LRUns anslutningssystem tillsammans med ett PI-filter och arrangemang av ferritpärlor är effektiva och utrymmessnåla.

Fig 2. Förenklat blockdiagram för LT4356

Ett mer problematiskt område är att förebygga fortplantning av spänningsstötar på typiskt mindre än 100 V under perioder om tiotals eller hundratals millisekunder som är en följd av “lastdumpning”. Detta uppstår när frånkopplingen av en lastkrets inducerar en kort och snabb ökning av spänningen över växelriktaren och därmed i andra laster som delar samma kraftmatning. En lösning är att utnyttja ett passivt nätverk bestående av en serieinduktor och elektrolytisk bypass-kondensator med högt värde tillsammans med en transientspänningsdämpare och en säkring. Sådana lösningar brukar vara klumpiga och viss överföring av högre spänning kan fortfarande förekomma, vilket gör att komponenter nedströms måste tåla högre inspänning än som annars vore nödvändigt.
Konstruktörer industrin över har oberoende av varandra utvecklat aktiva lösningar baserade runt diskreta komponenter med hjälp av en MOSFET-“pass”-del, men normalt kräver dessa betydande arbetstid för att optimera kretsarna för avkänning, styrslinga och “pass”-transistorer. Att förhindra att MOSFET-“pass”-delen överhettas samt att hålla denna inom säkert funktionsområde omnämns ofta som den svåraste delen av konstruktionen. Ibland krävs fortfarande en säkring för att skydda MOSFETen från utgående kortslutningsfel. Naturligtvis kan byte av brända säkringar ge ovälkomna logistikkomplikationer för civilt flyg, eller sätta viktig militär utrustning tillfälligt ur spel vid kritiska tidpunkter. En lösning på problemet med spänningsstötar är den integrerade “stötstopp”-kretsen LT4356, en komponent väl lämpad för uppgiften, vars funktion beskrivs mer i detalj nedan.

Fig 3. LT4356 tillämpningskrets

Slutligen kan spänningsrippel på den inkommande LRU-matningen ge ytterligare konstruktionsproblem, framför allt MIL-STD-1275D-specifikationen för militära fordon i generatormod är rätt extrem (se tabell 1). Olika metoder utnyttjas, inkluderande att låta skyddskretsen passera genom ripplet till spänningsregleringssteget eller där spänningsrippel finns närvarande vid mer blygsamma amplituder, så att det jämnas ut inom själva skyddskretsen. I det senare fallet måste skyddskretsen optimeras för att klara av de olika egenskaperna hos stora spänningsstötar och små amplituder hos långsamt varierande rippel.

Trender
Krav på mindre kostnad, utrymme och vikt, kombinerat med det ökade behovet av flera matningar med låg spänning och hög ström för att kraftmata komplicerade FPGAer och processorer har lett till en trend mot POL-(point-of-load)-baserade kraftarkitekturer.

Tabell 1. Sammanfattning av krav för transienter

Användningen av exotiska, stora, modulära, fasta isolerade regulatorer med flera utgångar som kraftmatar den slutliga spänningsförsörjningen på kortnivå håller på att ge vika för distribuerade och högeffektiva switchade POL-regulatorer såsom LTCs µModule-familj (se fig 1). Dessa kraftmatas normalt av en isolerad mellanliggande matningsbuss inom LRUn som i sin tur matas med 28 V DC eller mer från flygplanets eller fordonets kraftsystem.
En konsekvens av skiftet mot POL-baserade kraftarkitekturer är möjligheten att omfördela stötskyddet från ett centralt matningskort till de enskilda kretskorten i en LRU. Den lägre lasten möjliggör en mindre och effektiv lösning med en särskild integrerad krets för överspänningsskydd.

En LT4356-lösning
Den stötstoppande LT4356-kretsen skyddar laster från högspänningstransienter och överströmsfel. Fig 2 visar ett förenklat internt blockdiagram för kretsen. Vid normal drift går en extern N-kanals MOSFET fullt på och fungerar som en “pass”-komponent. Om inspänningen stiger över den regleringspunkt som är inställd av en motståndsdelare vid FB-benet blir MOSFETen linjär regulator som tillåter lastkretsen att fortsätta att fungera under transientförhållandet.
Vid överström styr den strömbegränsande slingan grindspänningen på MOSFETen för att begränsa avkänningsspänningen över Vcc- och SNS-benen till 50 mV.
Vid antingen överspänning eller överström startas en strömkälla som laddar upp TMR-benet. Laddningsströmmen står i relation till spänningspotentialen mellan in- och utgång så att timerperioden kortas allteftersom felen blir allvarligare, vilket tillser att MOSFETen stannar inom säkert driftsområde. När VTMR når 1,25 V dras felbenet ned lågt för att indikera detektionen av ett fel. Om felförhållandet består kommer MOSFETen att stängas av när VTMR når 1,35 V. Avsvalningsperioden ställs in genom att TMR-benet dras ned med en ström på 2 µA tills den når ett tröskelvärde för omstart på 0,5 V och MOSFETen sätts på igen.

Tabell 2. LT4356s produktalternativ

Fig 3a visar en typisk tillämpningskrets med 12 V inspänning och i fig 3b skyddar en 16 V “clamp”-nivå en DC/DC-omvandlare nedströms från inspänningsstötar på 80 V.
LT4356 kan fungera över ett inspänningsområde från 4 V till 80 V (100 V absolut max) och kan även dras ned under jordpotentialen med upp till 60 V utan att skadas. Tillägget av en liten transientspänningsdämpare kan om så behövs ge ökat skydd mot korta högspänningsspikar. Tre versioner av LT4356 finns tillgängliga (se tabell 2) och detaljerade exempel på tillämpningskretsar ges i databladen som finns på www.linear.com.
Militärplastklassade LT4356MP (Military Plastic) garanteras och är testade för drift från -55°C till +125°C och finns i MSOP-10- eller SO-16-kapslar. Samtliga MP-produkter genomgår också extra noga avsyning, övervakning av tillförlitligheten och mer rigorös processkontroll. I likhet med samtliga Linear Technologys produkter erbjuds MP-klassen med livstidsgaranti och produkterna är tillgängliga med antingen blyfria eller ten/bly-baserade terminaler.

Slutsatser
Användningen av robusta skyddskretsar i LRUer är nödvändig för att tillgodose de krav på tillförlitlighet som ställs för militär och flygplansbaserad utrustning. Mångfalden av standarder och specifikationer, utrustningstrender och övergången till POL-baserade kraftarkitekturer har lett till ett behov av mindre och effektiva skyddsåtgärder som kan vara fördelade runt på korten i en LRU. Sådana kretsar har traditionellt byggts med diskreta komponenter och är svåra och tidsödande att optimera. “Stötstopparen” LT4356 kan utgöra grunden för en effektiv skyddskrets mot överspänning och överström och ingår i en familj av säkringar och överspänningskretsar från Linear Technology.
Steve Munns, Linear Technology Corporation

Filed under: Militar