Conception de systèmes électriques à haute fiabilité

La conception de systèmes à haute fiabilité englobe l'utilisation de techniques de conception tolérantes aux pannes, la sélection de composants appropriés pour s'adapter aux conditions environnementales prévues et le respect des normes. 

Cet article se concentre sur les solutions de semi-conducteurs pour la mise en œuvre d'alimentations à haute fiabilité qui intègrent la redondance,  protection des circuits et gestion des systèmes à distance. Tout au long du texte, les nouvelles fonctionnalités du produit qui simplifient la conception et améliorent la fiabilité des composants seront mises en évidence. 

Exigences pour les systèmes électriques à haute fiabilité 

Dans un monde parfait, un système à haute fiabilité devrait être conçu pour supprimer les défaillances ponctuelles et fournir un chemin pour isoler les défaillances afin qu'il continue à fonctionner, peut-être avec un niveau de performances réduit. Il doit également être capable de contenir les défauts pour empêcher leur propagation à l'électronique en aval et en amont. L'ajout de redondance, soit sous la forme de circuits parallèles qui partagent activement la charge ou se tiennent prêts jusqu'à ce qu'une panne se produise, est une solution. Dans chaque cas, la détection et la gestion des pannes nécessitent des circuits supplémentaires qui augmentent la complexité et les coûts globaux. Certains systèmes créent également des circuits séparés en parallèle pour ajouter de la diversité et éviter le risque d'un mécanisme de défaillance commun ; c'est le cas de certains systèmes de commande de vol des avions. 

Les systèmes très complexes augmentent les exigences en termes de performances d'alimentation, et une efficacité de conversion élevée et une bonne gestion thermique sont essentielles car pour chaque augmentation de 10 °C de la température de jonction, la durée de vie opérationnelle du CI est réduite d'environ la moitié. Comme nous le verrons, de nouveaux CI riches en fonctionnalités, ainsi que des fonctions de gestion dédiées, offrent désormais une meilleure protection pour le CI lui-même et le système qui l'entoure. 

Caractéristiques de sécurité du régulateur de puissance 

Limitation du courant de sortie 

Ce n'est pas une nouvelle fonction, mais sa mise en œuvre, qui a été rendue plus précise et sophistiquée, tout en incorporant une plus grande flexibilité avec des fonctions programmables par l'utilisateur. Par exemple, le LT3667 illustré à la figure 1 est un régulateur à découpage abaisseur de 40 V, 400 mA avec des régulateurs linéaires LDO (faible chute de tension) dotés d'une double protection contre les défauts. Le circuit de protection interne comprend une protection contre les inversions de batterie, une limitation de courant, une limitation thermique et une protection contre les inversions de courant. 

Le régulateur à découpage qui fait partie du CI contient le limiteur de courant de commutation et le limiteur de courant à diode de serrage afin qu'il contrôle le courant de sortie en cas de défauts tels qu'une sortie court-circuitée. Les régulateurs linéaires doubles ont également des limitations de courant programmables par l'utilisateur, qui dans l'exemple d'application de la figure 1 ont été définies sur 100 mA via R7 et R8. 

Ces mesures protègent non seulement l'appareil lui-même, mais également l'électronique ultérieure en cas de panne. 

Limitation du courant d'entrée 

On le trouve couramment dans des circuits tels que ceux qui captent l'énergie des cellules photovoltaïques, où la source à haute impédance nécessite un contrôle minutieux du courant pour éviter une chute brutale de la tension de la source. En plus de protéger les anciens composants électroniques contre les surcharges, il peut également être utilisé comme fonction de sécurité, comme illustré à la figure 2, pour une alimentation de secours où les gros condensateurs doivent être protégés et chargés en toute sécurité. Le LTC3128 intègre une limitation programmable du courant d'entrée moyen avec une précision de ±2 %. Dans cette application, une limitation du courant d'entrée est établie à 3A et le circuit de réserve du supercondensateur n'absorbera que le courant "excédentaire" non consommé par la charge principale à travers le convertisseur buck-boost. 

Protection thermique 

La protection thermique est implémentée dans la plupart des circuits intégrés de régulateur de puissance avec des transistors de puissance internes. Dans le cas du LTC3128 décrit ci-dessus, l'arrêt thermique se déclenche à environ 165°C et l'appareil s'arrête jusqu'à ce que la température descende à environ 155°C. Cependant, le produit contient également un régulateur thermique pour l'empêcher de se mettre en arrêt thermique lors de la charge de très gros condensateurs à des courants élevés. 

Il fonctionne en diminuant progressivement la limite de courant moyenne lorsque la température de la puce semi-conductrice dépasse 135°C. 

D'autres produits tels que le régulateur abaisseur à 8 sorties LT3375 disposent d'une sortie de température de puce semi-conductrice et la possibilité pour l'utilisateur de définir l'un des trois seuils de température. 

Contrôle de plusieurs sources d'entrée 

Les systèmes d'alimentation qui contiennent une alimentation primaire et une réserve redondante, éventuellement avec une alimentation auxiliaire externe, ont besoin d'un système pour déterminer quelle alimentation est prioritaire et pour surveiller son état. De plus, il doit protéger le système contre la conduction croisée et la contre-réaction lors de la commutation de source. 

Les circuits intégrés à puce unique tels que le LTC4417 offrent une solution qui sélectionne automatiquement la source en fonction de seuils de puissance définis validés par l'utilisateur pour chaque entrée. 

Une approche alternative consiste à partager la charge entre deux sources d'entrée fonctionnant simultanément, augmentant ainsi la fiabilité en réduisant la charge sur chaque source tout en offrant une protection contre la défaillance d'une source si chacune est également capable de supporter la charge maximale. Dans le passé, une configuration simple mais inefficace avec des diodes OU aurait été utilisée, mais cela nécessiterait que chaque source ait un contrôle actif pour équilibrer les charges. La figure 3 montre comment cela peut être réalisé avec une solution à puce unique. Le LTC4370 est un contrôleur de partage de courant à blocage inverse qui empêche les défauts dans une source qui pourraient mettre le système hors service. 

Protection contre les transitoires 

L'électronique militaire et aéronautique doit répondre aux spécifications de protection contre les transitoires telles que MIL-STD-1275 (véhicules) et MIL-STD-704 / DO-160 (avions). Cependant, il est souhaitable qu'il offre une protection contre les surtensions, les pointes et les ondulations dans tout système à haute fiabilité et il existe des produits dédiés à cette fonction. Alors que les progrès de la technologie de traitement du silicium permettent désormais aux circuits intégrés régulateurs de fonctionner avec des tensions d'entrée de 100 V ou plus, les circuits intégrés de protection contre les transitoires dédiés offrent des niveaux supérieurs de fonctionnalité et de contrôle. Dans la Figure 4, le LTC4364 fournit une sortie fixe de 27 V (programmable par l'utilisateur) pour protéger les régulateurs en aval des transitoires ainsi qu'un verrouillage de sortie en cas de court-circuit à l'entrée ou de déclenchement/réinitialisation. 

Gestion numérique du système d'alimentation 

Il existe de nouveaux produits qui combinent les avantages de la régulation de puissance analogique et du contrôle numérique via un protocole d'interface numérique à 2 fils basé sur PMBus I2C pour permettre la gestion à distance des systèmes d'alimentation. Los datos de telemetría y diagnóstico se pueden utilizar para supervisar las condiciones de carga, leer los registros de fallo y ofrecer acceso para el ajuste y la definición de márgenes con una precisión de hasta el ±0,25%, maximizando así la eficiencia y fiabilidad du système. Ces systèmes offrent la possibilité de passer de programmes de maintenance basés sur le temps à une maintenance basée sur des conditions qui peuvent potentiellement exposer une dégradation des performances avant qu'une panne ne se produise. 

systèmes isolés 

Les systèmes d'alimentation d'avion à haute fiabilité intègrent une barrière d'isolation pour protéger les bus d'alimentation de l'avion contre les pannes dans les unités remplaçables en aval, généralement avec une puissance de l'ordre de centaines ou de milliers de watts. 

Le nombre croissant de capteurs et de variateurs entraîne également une demande pour des alimentations plus petites, avec une isolation locale et des interfaces de données pour réduire les problèmes induits par le bruit des boucles de masse et les interférences de mode commun. Il existe actuellement de nouvelles solutions dans les modules BGA avec une isolation galvanique complète pour simplifier la conception et augmenter la fiabilité. 

Les développements récents dans le transfert d'énergie sans fil incluent un système de charge de batterie de 2 W utilisant le LTC4120, qui a été développé avec PowerbyProxi et applique sa technique brevetée de contrôle d'harmonisation dynamique (DHC) qui permet une charge sans contact à haute efficacité avec une distance maximale et TX-to-RX inadéquation des bobines et sans les surtensions ou les problèmes thermiques généralement associés aux systèmes d'alimentation sans fil. 

Sélection des composants 

La majeure partie de cet article a été consacrée aux nouvelles fonctionnalités qui simplifient la conception d'alimentations électriques hautement fiables, ou aux fonctionnalités du produit qui protègent l'appareil contre les pannes ou les mauvaises manipulations. Cependant, il est essentiel de ne pas négliger l'importance de la qualité des composants et la sélection de la bonne qualité de composant en fonction des conditions environnementales de fonctionnement attendues. 

Par exemple, le grade Military Plastic de Linear Technology offre des performances éprouvées et garanties à 100 % entre -55 °C et +125 °C, évitant ainsi la nécessité d'une réévaluation ou d'une caractérisation coûteuse du composant dans un circuit d'application où il est utilisé. conditions de fonctionnement très défavorables. 

Conclusions 

La conception des alimentations à haute fiabilité a été simplifiée grâce à des fonctions programmables par l'utilisateur et à l'intégration de mécanismes de protection plus sophistiqués. 

La gestion du système d'alimentation numérique permet de surveiller et de contrôler les systèmes d'alimentation à distance et d'améliorer encore l'efficacité et la fiabilité. Enfin, la sélection de la bonne qualité de composant auprès d'un fournisseur réputé réduira les risques de problèmes de qualité et de fiabilité. 

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