工程师博客：电源功能安全

作者：Tom-M

最近，我在加利福尼亚州米尔皮塔斯参加了一个电力峰会，如果我之前没有考虑升压、降压、降压-升压、SEPIC和反激式转换器，那我一定会感到惊讶。作为此次访问的一部分，我准备了一篇关于电源电路功能安全要求的演示文稿，下面我要与大家分享其中的部分内容。

我将使用IEC 61800-5-2:2016附录A中的这个电路来说明问题。这是变速驱动的功能安全标准。

所示输入为工业领域常见的24V DC电源。即使发生故障，这些电源通常限制在60V DC以下。如果电压监视器未指定为60V，那么如图所示的解决方案将保护带有TVS和保险丝的电路。如果电压超过电源监控电路的最大指定工作电压，那么电压应该箝位，并且应该选择能够在该箝位电流下保持打开的保险丝。图中还显示了串联MOSFET，在监视器的控制下，MOSFET可以断开剩余电路的电力。最后请注意，监控范围涵盖输入和所有调节电源。通过这种方式，电源监视器负责执行大部分重要安全提升工作，而实际电源的设计并没有那么重要。

IEC 61800-5-2中的电源示例

该电路为一个双通道系统供电，这一点没有在上图中体现出来。因此，电源电路的任何故障将为共因失效(CCF)，需要非常高的诊断覆盖率。电压监视器将需要窗口化。传统上，电源监视器仅负责监视低于预期的电源电压。但是，出于功能安全，你需要确保所有组件均在其指定工作电压范围内（无论是高端还是低端）工作。此类监视器被称为窗口化电源监视器。上图没有体现的一点还包括，你可能需要对电源监视器进行诊断。这听起来可能像是基于你的诊断进行诊断，实则不然。举个例子，虽然高电源可能表示故障，但低端的电源并不是故障，而是正常工作模式，因为在电源打开和关闭期间，电源将较低。因此，诊断工作至少需要能够在低端进行监视。这可能包括连接MOSFET以便从uC按需拉低UV（欠压）电阻节点。

对于电源监视器模块，我尤其青睐 LTC4365。它能够监视过压和欠压（即，窗口化），这对于功能安全最为重要。虽然它可以使用2.5V至34V的输入电源操作，但最高可承受60V，因此满足PELV要求，适合使用保险丝/Zener组合提供保护，如IEC 61800-5-2示例所示。其额定温度范围为-40℃至125℃，因此保证能够在工业领域常见的最大温度范围内提供保护。它还可以控制串联MOSFET，以断开电源电压（ISO 13849中的基本安全原则），它具备开集输出，因此多个LTC4365可以相结合，用于监视系统中的其他调节电压。

小尺寸单一MOSFET应用可提供60V保护

对于机械应用，电源监视器导致系统断路后，应避免在没有人为干预的情况下重新启动。对于过程控制应用，你可能需要在电源回到规范后自动重新启动。

另一个不得不提的有趣部分是ADP1031。该多裸片解决方案可以在4.5V至60V输入电压范围内运行，并为4/20mA DAC的AD5758生成+24V、+5V和-24V电源。但是，其中还包括多个数字隔离通道，额定温度范围为-40℃至+125℃，因此请勾选上方简介中提到的方框。

ADP1031数据手册中的典型应用电路

通过尽量减少组件的总数量并在模块/PCB级别简化设计，此集成度可最大限度提高系统的可靠性。对于类似上述系统，它一定可以简化FMEDA，并且需要可靠性预测和分析的组件数量比集成度较低的系统少得多。

审核编辑 黄昊宇