首席应用工程师 Jonathan Siegers 和应用工程师 Vamshi Domudala 撰写的教程

如何设计模块化 DC DC 系统，第 4 部分：安全保护系统

本系列教程前面的内容详细介绍了利用电源模块设计供电网络 (PDN) 的实际设计注意事项。设计人员选择合适的 DC-DC 模块，为模块的输入输出设计滤波器并实现整体整体系统稳定性后，接下来要考虑的问题就是安全。系统中必须设计熔断器和瞬态抑制电路，才能在不影响系统可靠性和效率的情况下，确保不发生灾难性故障。

Well-designed power system image — 设计良好的电源系统需要得到保护，熔断器可限制热损坏并隔离故障系统，而瞬态抑制电路则会抑制可破坏系统稳定性并危及电源模块的浪涌及尖峰。

熔断器的要求与功能

选择熔断器，得先考虑制造商 DC-DC 模块文件中提供的安全机构可接受条件。设计人员必须查阅所提供的最新版文件，选择适当的熔断类型，以确保符合安全机构。

熔断器是系统至关重要的安全元件，有两个主要功能：

限制由过流或短路事件引起的热损害程度
隔离出故障的子系统

首先，未使用熔断器的系统中的严重故障造成的热损害可能非常大：印刷电路板可能被烧成炭，每个组件完全被破坏，具体情况取决于所提供的故障电流。除了防止火灾外，熔断器还有助于在故障发生时保护足够的系统，以便进行故障分析。其次，熔断器还能将故障子系统与整个系统隔开，防止不必要的停机。

为了确保熔断器不折不扣地执行这两大功能，并满足安全机构的要求，每个电源模块在输入端都必须布置有自己的熔断器。在下图中，任何一个非隔离负载点转换器或与之相关的输入电路出现故障时，都会导致相关熔断器断开，使系统的其余部分能够继续工作。

Fuse placements in a power system diagram — 在有 3 个 DC-DC 模块的电源系统中布置熔断器时，请注意，每个模块都有自己的保护熔断器。

选择熔断器

选择熔断器时要考虑的第一个也是最重要的一个参数是额定电流。额定电流通常大于所保护系统的最大持续工作电流。在稳压 DC-DC 模块中，最大持续工作电流情况出现在最小输入电压和满负载功率下。纳入在这些条件下模块工作效率的估算值，以更精确地定义最大持续工作电流。

熔断器制造商通常建议设计人员在计算熔断器所需额定电流值时，也参考额定值的25 ~ 50%降额设计。这是熔断器正常老化的原因，但这也可以防止意外跳闸，避免熔断器的频繁更换。

一旦确定了基本熔断器的额定电流，设计人员就需要考虑系统工作的环境条件。熔断器制造商的产品说明书中有一个温度额定值降低图，如下图所示。可能需要修改所需熔断器额定电流的计算，这主要取决于应用以及预期环境温度。

Example offast-acting fuse temperature de-rating chart — 典型快速熔断熔断器温度额定值降低图的示例，特别要注意 25°C 以上工作的额外额定值降低。

熔断器制造商声明：熔断器额定电流的典型温度约为 25°C，但环境温度升高将降低熔断器的有效电流额定值。环境温度高于 25°C 时，熔断器将在较低电流下跳闸，因此必须使用该图表，应用额外降低额定值，并相应提高为系统选择的熔断器的电流额定值。相同的重算对于较低的温度也有帮助，如果环境温度一般低于 25°C，选择额定电流相对较低的熔断器。

此外，熔断器的额定电压也是一个对安全很重要的设计选择，因为它不仅可确保熔断器在跳闸时保持断开状态，而且也不允许电弧重击，导致系统进一步损坏。选择的熔断器要有与系统能承受的最大耐受电压相对应的适当 DC 电压额定值，这一点非常重要。换句话说，熔断器的额定电压必须达到或超过应用的最大电压。

接下来考虑熔断器的最大断流额定值或断流容量。必须达到或超过被保护电路最大短路电流的这个参数，其规定了在额定电压下，过载时熔断器可中断的最大故障电流。该额定值可确保在过流事件中，熔断器在不损坏其自身封装的情况下，清除系统故障。也会损坏熔断器封装的清除事件，可能会导致电路板上相邻组件的损坏，这是一种不安全的故障模式。

请注意，熔断器电压额定值和中断电流规范，可能还得看应用针对的是 AC 系统，还是 DC 系统。请仔细阅读熔断器产品说明书规范，看看制造商的意思。

标称熔化 I²t

接下来考虑熔断器的标称熔化 I²t 额定值，以适应一些不应导致熔断器跳闸的预期事件。例如，DC-DC 系统通常在启动时为电容充电，因此，正常工作时，可能会经历高尖峰涌流。在系统正常预期范围内的外部引入瞬态过程中，可能也会出现这些较高的峰值电流。

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，在使用 DC-DC 转换器的应用中，脉冲电流过载很常见，实际可能会超过所选组件的额定熔断器电流。

要计算这个值并选择适当的熔断器，请考虑预期的电流波形及其能量（单位为焦耳）。下图是两种具有代表性的波形轮廓及其各自的脉冲 I²t。该计算可得出熔断器在不跳闸的情况下必须通过的预期能量，也就是说所选熔断器的 I²t 额定值必须大于这个值。

Representative pulse shapes diagram — 具有代表性的脉冲形状和 I2t 方程式 — 正弦（左）和雷电（右）。

为了增加设计裕度并减少在系统整个生命周期内更换熔断器的频率，应将计算熔断器必须完好的浪涌事件数量的脉冲因数用于计算出的 I²t 值。

熔断器应用的其它注意事项

在电源系统中设计熔断器时，还有其它重要因素需要考虑。其中最值得注意的是：

应在电路的非接地侧安装熔断器，以确保熔断器断开时，有针对低电势的不间断连接。
一些高级散热解决方案需要重新考虑熔断器的布置。例如，熔断器不应浸没在液浸制冷应用中，因为要精确控制熔断器元件的温度，而浸没在液体中，过载条件无法产生断开熔断器所需的热量。
必须根据所选熔断器的尺寸和额定值，调整带电流的导体和 PCB 线迹的尺寸，才能安全承载熔断器电流额定值 150% 至 200% 的电流，可接受的温度升高具体取决于适用的安全标准。
当一个模块由双偏置电源（其中两个串联电压源在中心位置连接至通用接地）供电时，需要对正负极进行单独熔断。在这种特殊情况下，系统的任何一侧都有可能发生线路至接地的故障，因此两侧都必须有保护。

瞬态抑制电路

在任何应用中，电源模块在其使用寿命中都会遇到一些不利的工作条件。具体而言，电源系统和电源模块必须能够承受通常超出电源模块规定工作范围的浪涌或尖峰。

尖峰和浪涌通常是因为感应负载切换、系统电机转速改变或故障清除或瞬间电源中断而出现的。尖峰类瞬态通常持续时间很短，但其电压峰值极高。另一方面，浪涌通常表现为较低的峰值电压，但可能持续的时间较长。

Transient spike and surge profiles diagram — 瞬态峰值与浪涌轮廓图。

确定峰值和浪涌，请考虑应用类型以及应对这些瞬态事件的任何适用标准的要求。有了这些参数，随后就可在电源模块的输入端设计一款两级保护电路，如下图所示。

第一级保护使用瞬态电压抑制二极管 (TVS) 通过提供 100μs 的快速瞬态能量阻尼来控制尖峰。这些不仅可防止高电压和较低能量的尖峰，而且还可以与用于集合瞬态能量的下游 LC 滤波器耦合。

在选择 TVS 二极管时，有四个主要参数需要考虑：二极管的反向对峙电压、击穿电压、箝位电压和峰值脉冲电流。二极管的反向对峙电压 (VR) 必须在 DC-DC 转换器的工作范围内。换言之，在 TVS 二极管进入反向击穿之前，电压不应超过被保护电路的最大工作电压。接下来考虑决定 TVS 二极管工作的两个较高阈值：击穿电压和箝位电压，这两个阈值都必须小于 DC-DC 模块容许的最大瞬态电压。击穿电压阈值通常为 VR 的 110 ~ 115%，出现在 TVS 二极管将进入雪崩击穿并将瞬态能量从电源模块分流。其次，只有在大量电流流过该二极管时，才会达到较高的箝位电压阈值（通常是 VR 的 130 ~ 140%）。最后考虑峰值脉冲电流额定值，这是 TVS 二极管能够承受的最大电流。

Two-stage transient-suppression circuit example diagram — 包括 TVS 二极管级和有源箝位级的两级瞬态抑制电路示例。

第二级瞬态抑制电路主要应对更多持续时间较长的浪涌事件。串联 FET 可作为线性稳压器，在可接受的范围内主动箝位模块输入电压。这款 FET 的选择主要看模块可接受的输入电压范围。

选择 FET 时，请记住，如果必须完全禁用 FET，则其额定值的设定应考虑能否承受峰值浪涌电压幅值。此外，在正常工作中完全增强时，其额定值的设定还必须考虑能否传导整个模块的输入电流。此外，FET 必须能够在输入端传导满负载电流，并且应该有能够最大限度降低功耗的最低 RDS(ON)。最后针对 FET 将为电路执行的特定钳位条件评估具体工作区域 (SOA) 及瞬态热阻抗。