Електронні запобіжники

У статті наведена коротка інформація про ІМС електронних запобіжників, що випускаються компанією Analog Devices. Наведені приклади моделей для випробувань електронних запобіжників на базі ІМС LTC4381. Результати моделювання підтверджують заявлені компанією параметри цих пристроїв.

В. Макаренко

Вступ

Захист джерел живлення від перевантаження по струму необхідний для запобігання їх виходу з ладу і, як наслідок, відмови систем, які вони живлять. Автомобільна, промислова та авіаційна електроніка повинна виживати і працювати в умовах стрибків напруги, характерних для їх режимів роботи. Традиційний захист від перенапруги (OV – Over Voltage) і перевантаження по струму (OC – Over Current) заснований на конденсаторах, обмежувачах перехідної напруги (TVS), запобіжниках, діодах і котушках індуктивності, але ці рішення або мають великі габарити і мають малу точність, або виходять з ладу (перегорають) при тривалій несправності. Крім того, час спрацьовування таких пристроїв часто виявляється недопустимо великим.

Електронні обмежувачі перенапруги і захисту від короткого замикання замінюють ці пасивні компоненти контролером і послідовно включеним захисним МОП-транзистором. Швидке відключення несправної підсистеми від загальної шини живлення дозволяє іншим підсистемам продовжувати роботу без перезавантаження або переходу в автономний режим.

Обмежувачі перенапруги з низьким струмом спокою забезпечують надійний захист автомобільних джерел живлення відповідно до стандартів ISO 7637-2 і ISO 16750-2.

Перехідні процеси в автомобільних джерелах живлення

В автомобільних джерелах живлення часто мають місце перехідні процеси, що створюють значні кидки напруги, які можуть легко вивести з ладу бортову електроніку. Виробники автомобілів незалежно один від одного розробляли стандарти і процедури випробувань, щоб запобігти виходу з ладу чутливої електроніки при таких подіях. Однак останнім часом виробники автомобілів об’єднали зусилля з міжнародною організацією зі стандартизації (ISO) для розробки стандартів ISO 7637-2 і ISO 16750-2, що описують можливі перехідні процеси і регламентують методи тестування для їх імітації .

Хоча стандарт ISO 7637 в основному є специфікацією з електромагнітної сумісності, до 2011 року він також включав перехідні процеси, пов’язані з якістю електроживлення. У 2011 році ті розділи, які стосуються якості електропостачання, а не електромагнітної сумісності, були перенесені в стандарт ISO 16750 «Дорожні транспортні засоби – умови навколишнього середовища і випробування електричного і електронного обладнання» у другу з п’яти частин «Частина 2: Електричні навантаження».

У той час як більшість виробників як і раніше дотримуються своїх власних специфікацій і вимог, а не приймають ISO 7637-2 і ISO 16750-2 повністю, спостерігається тенденція до більш точної відповідності стандартам ISO, при цьому специфікації виробників відповідають міжнародним стандартам з незначними змінами.

Стандарти ISO 7637-2 і ISO 16750-2 містять специфікації як для систем 12 В, так і для систем 24 В. Розглянемо особливості роботи схем захисту в різних режимах.

Скидання навантаження

Скидання навантаження є найбільш складним з перехідних процесів у джерелі живлення автомобілів через значну витрату енергії в цьому випадку. Це відбувається, коли генератор змінного струму заряджає акумулятор, і в цей час з’єднання з батареєю втрачається.

Генератори змінного струму без внутрішніх обмежувачів напруги

Спочатку генератори змінного струму в автомобілях не мали вбудованих пристроїв обмеження напруги і могли формувати надзвичайно великі кидки напруги при скиданні навантаження, близько 100 В для систем 12 В. Нові генератори змінного струму містять обмежувачі, що забезпечують нижче значення напруги під час скидання навантаження. У зв’язку з тим, що в даний час використовуються як старі генератори змінного струму і деякі сучасні генератори змінного струму, що не містять обмежувачів напруги, специфікація при скиданні навантаження в стандарті ISO 16750-2 розділена на «Тест A – без централізованого придушення скидання навантаження» і «Тест B – з централізованим придушенням скидання навантаження».

На рис. 1 показана схема з’єднання 3-фазних обмоток статора генератора змінного струму і випрямляча, який формує постійний струм для заряду акумулятора. При обриві з’єднання з акумулятором результуючий струм протікає так, як показано на рис. 2. Без батареї, що поглинає струм статора, вихідна напруга зростає до дуже високих напруг, що спостерігаються при скиданні навантаження, як показано на рис. 3 (специфікація ISO 16750-2).

Це відповідає ситуації з використанням генератора змінного струму без вбудованого обмежувача напруги в «Тесті А – без централізованого придушення скидання навантаження».

Генератори змінного струму з внутрішніми обмежувачами напруги

У нових генераторах змінного струму використовуються лавинні діоди, які мають чітко задані напруги зворотного пробою і обмежують максимальну напругу при скиданні навантаження. На рис. 3 показаний викид напруги в генераторі зі вбудованою системою обмеження напруги при скиданні навантаження відповідно до ISO 16750-2 (Тест В).

Проблеми захисту за допомогою TVS-діодів

Внутрішній опір Ri генератора змінного струму (рис. 4) як у тесті A, так і в тесті B вказано в стандарті ISO 16750-2 у діапазоні від 0.5 Ом до 4 Ом. Це обмежує максимальну енергію, що віддається в ланцюги захисту.

Якщо бортова електроніка локально захищена шунтуючим пристроєм, таким як TVS-діод з напругою пробою менше 35 В, то цей діод повинен поглинати енергію генератора змінного струму. У цьому випадку внутрішня схема захисту в генераторі приносить мало користі. Вся енергія, що виділяється під час скидання навантаження, надходить на TVS-діод у бортовій електроніці.

Іноді і в бортовій електроніці включають баластний резистор, але це призводить до падіння напруги і розсіювання потужності на ньому навіть при нормальній роботі.

Переваги активного захисту з обмежувачем перенапруги

Кращим рішенням є використання послідовних пристроїв активного захисту, таких як електронні запобіжники. Компанія Analog Devices випускає велику кількість електронних запобіжників , призначених як для захисту автомобільної електроніки, так і для захисту інших пристроїв. Діапазон вхідних напруг таких пристроїв знаходиться в діапазоні від 0 до 500 В. У табл. 1 наведені основні характеристики пристроїв захисту, що випускаються компанією.

Розглянемо коротко основні характеристики деяких електронних запобіжників.

Обмежувач перенапруги з низьким струмом спокою LTC4380

Обмежувач перенапруги з низьким струмом спокою LTC4380 захищає навантаження від перехідних процесів з високим значенням максимальної напруги. Захист від перенапруги забезпечується шляхом обмеження напруги затвора зовнішнього N-канального МОП-транзистора для обмеження вихідної напруги до безпечного значення під час кидків напруги на вході при скиданні навантаження в автомобілях. Фіксована напруга затвора вибирається для систем 12 В і 24/28 В. Для систем з піковими напругами до 72 В необхідно використовувати запобіжники з регульованою напругою на затворі. У цій ІМС передбачений захист від перевантаження по струму.

Структурна схема LTC4380 наведена на рис. 5. Внутрішній генератор формує струм виводу TMR, пропорційний VDS і ID, так що час роботи як в умовах перевантаження по струму, так і в умовах перенапруги обмежений відповідно до напруги на МОП-транзисторі.

Для версій ІМС LTC4380-1 і LTC4380-2 доступні два різних напруги на затворі – 31,5 В, що обмежує вихідну напругу значенням приблизно 27 В для використання в системах 12 В, і 50 В, що обмежує вихідну напругу значенням 45 В для використання в системах 24 В і 28 В. Напруга затвора вибирається за допомогою подачі сигналу управління на вивід SEL. Напруга на затворі обмежена значенням на 13.5 В вище напруги на виводі VCC.

Точний компаратор, підключений до контакту ON, контролює рівень напруги вхідного джерела живлення і при зниженні напруги нижче заданого рівня відключає вихід, знижуючи струм споживання до 6 мкА.

Контроль перевантаження по струму здійснюється компаратором IA, підключеним до виводів датчика струму RSNS. При перевищенні напруги, заданої опорним джерелом, компаратор спрацьовує і закриває транзистор М1, відключаючи навантаження. У наведені співвідношення для розрахунку опору резисторів RSNS і RDRN для отримання потрібних значень спрацьовування схем захисту. Більш детально з описом функціональної схеми LTC4380 можна ознайомитися в .

Типова схема включення LTC4380-2 наведена на рис. 6, а результати її роботи – на рис. 7 . Як слідує з рис. 7, напруга на виході схеми захисту обмежена величиною 27 В.

Для захисту електроніки від зворотної напруги зазвичай використовується блокувальний діод. Але використання діода призводить до додаткових втрат потужності і знижує напругу, що віддається на навантаження. В автомобілях під час холодного пуску двигуна додаткове падіння напруги на діоді особливо небажане. ІМС LTC4380 спроектована так, що може витримувати зворотну напругу на вході. До виводів VCC, ON і SEL можна прикладати від’ємну напругу величиною до 60 В.

При використанні двох МОП-транзисторів, включених зустрічно, можна побудувати обмежувач перенапруги з захистом від зворотної напруги на вході, як показано на рис. 8.

Приклади інших пристроїв з використанням LTC4380 можна знайти в .

Таблиця 1. Основні характеристики електронних запобіжників компанії Analog Devices

LTC4381

LTC4381 працює при напрузі живлення до 72 В, споживаючи всього 6 мкА в режимі спокою. Напруга пробою внутрішнього МОП-транзистора 100 В (BVDSS), опір відкритого каналу (RDS(ON)) не більше 9 мОм. Максимальний струм через вбудований транзистор 10 А. LTC4381 має чотири режими повторної спроби включення після збою.

Функціональність обмежувача перенапруги LTC4381 може бути легко розширена для роботи в якості електронного запобіжника . На рис. 10 показана схема підключення LTC4381-4 для використання в якості електронного запобіжника 48 В, 10 А, який захищає джерело живлення від перевантаження або короткого замикання на виході.

Під час нормальної роботи вихід VOUT підключається до входу живлення VIN через внутрішній силовий МОП-транзистор і зовнішній резистор RSNS, що виконує функцію датчика струму. Коли падіння напруги на резисторі RSNS перевищує граничний поріг 50 мВ під час перевантаження або короткого замикання на виході, напруга на конденсаторі CTMR починає збільшуватися. У початковому стані (при відсутності короткого замикання) напруга на цьому конденсаторі дорівнює нулю. Внутрішній МОП-транзистор закривається, коли напруга на конденсаторі CTMR досягає 1,215 В. При значенні опору резистора RSNS = 4 мОм типовий поріг перевантаження по струму становить 12,5 А (50 мВ/4 мОм) і мінімальний поріг 11,25 А (45 мВ/4 мОм), забезпечуючи достатній запас по струму навантаження 10 А.

Через паразитну індуктивність доріжки або кабелю, що з’єднують джерело живлення з входом LTC4381, вхідна напруга значно перевищує нормальну робочу напругу всякий раз, коли внутрішній МОП-транзистор закривається при спрацьовуванні захисту. Стабілітрон D1 захищає вивід VCC ІМС LTC4381 від абсолютної максимальної напруги 80 В, у той час як D2 захищає внутрішній МОП-транзистор від лавиноподібного руйнування. D1 також обмежує напругу на виході величиною 66,5 В (56 В + 10,5 В) у випадку, якщо D2 не використовується. Фільтр R1, C1 згладжує кидки напруги VIN. Якщо на платі є ємність, розташована близько до LTC4381, то вивід VCC може бути безпосередньо підключений до VIN. У цьому випадку D1, D2, R1 і C1 можуть бути виключені зі схеми.

При струмі 10 А, що протікає через внутрішній МОП-транзистор під час нормальної роботи, початкове падіння напруги між входом і виходом LTC4381 становить 90 мВ, а розсіювана потужність становить 900 мВт, що призводить до підвищення температури корпусу LTC4381 приблизно до 100 °C на оціночній платі DC2713A-D при кімнатній температурі навколишнього середовища. При такій температурі опір відкритого транзистора RDS зростає в 2 рази і, як наслідок, падіння напруги між входом і виходом ІМС збільшується до 180 мВ. На резисторі RSNS падіння напруги становить ще 40 мВ при струмі 10 А. Щоб знизити підвищення температури LTC4381 необхідно збільшити площу міді. Для довідки, площадка міді під вузлом SNS DC2713A-D має площу 2,5 см² і рівномірно розподілена по двох зовнішніх шарах плати.

Поведінка LTC4381 при пуску

При відключенні виводу ON від загального проводу починається зарядка вихідного конденсатора CLOAD (рис. 10), як показано на рис. 11. Передбачається, що максимальна напруга джерела живлення 48 В не перевищує 60 В. Ємність навантаження не повинна перевищувати 220 мкФ (за умови відсутності додаткового струму навантаження під час включення), щоб ІМС почала нормально функціонувати.

Якщо ємність конденсатора CLOAD = 220 мкФ заряджається до 60 В при максимальному струмі 12.5 А, час включення становить (220 мкФ × 60 В)/12,5 А = 1.06 мс. Графік безпечної робочої зони (SOA) МОП-транзистора LTC4381, як показано на рис. 12, показує, що він може витримувати 12.5 А і 30 В протягом 1 мс.

Оскільки конденсатор на виводі GATE (Затвора) відсутній, вихідний конденсатор заряджається протягом 2 мс, а пусковий струм досягає 17 А, перевищуючи порогове значення межі струму, перш ніж його можна буде контролювати (рис. 2). LTC4381 має порогове значення обмеження струму 12,5 А з чутливим резистором 4 мОм, коли напруга на виводі OUT перевищує 3 В. Але при напрузі на виході ІМС менше 1.5 В падіння напруги на резисторі RSNS збільшується до 62 мВ, що відповідає струму 15.5 А, як показано на рис. 13.

Форми сигналів на рис. 11 показують, що імпульси пускового струму не регулюються через відсутність конденсатора затвора, необхідного для стабільності контуру. Фактично, струм відключається приблизно через 0.5 мс під час стрибка напруги 60 В. Напруга на виводі TMR LTC4381 пропорційна розсіюваній потужності у внутрішньому МОП-транзисторі. Отже, напруга на виводі TMR збільшується під час пуску, навіть якщо вихідний струм нижче граничного значення струму. Конденсатор затвора навмисно відключений, а режим включення забезпечує конденсатор, підключений до виводу TMR. Одночасно цей конденсатор дозволяє захистити МОП-транзистор під час короткого замикання.

Мінімальне значення ємності конденсатора CTMR – 68 нФ. При такому значенні ємності напруга на виводі TMR зростає приблизно до 0.7 В при включенні і формуванні на виході напруги 60 В. При значенні ємності 47 нФ напруга на виводі TMR досягає 1.15 В при пуску, що дуже близько до порогу відключення затвора 1.215 В. Пікова напруга на виводі TMR рівна 0.7 В вибрана таким чином, щоб забезпечити достатній запас порівняно з порогом відключення затвора 1.215 В з урахуванням наступних допусків: ±50% для струму спрацьовування, ±10% для конденсатора CTMR і ±3% для порогу відключення затвора при VTMR = 1.215 В.

У табл. 2 наведені рекомендовані значення ємності конденсатора CTMR при максимальному навантаженні, щоб обмежити підвищення напруги TMR приблизно до 0,7 В при пуску з напругою 60 В.

Таблиця 2. Рекомендовані значення CTMR для заданого значення CLOAD

Поведінка LTC4381 при короткому замиканні на виході

Основне призначення схеми, наведеної на рис. 10 – захист джерела живлення від перевантаження по струму і короткого замикання, як при включенні, так і при нормальній роботі. На рис. 14 показано, як LTC4381 включає МОП-транзистор при наявності короткого замикання на виході. Напруга на затворі (синя крива) збільшується. Коли вона перевищує порогову напругу 3 В, включається МОП-транзистор, і починає текти струм (зелена крива).

Через коротке замикання на виході і відсутність конденсатора затвора струм МОП-транзистора швидко зростає, перевищуючи поріг обмеження струму 15.5 А, і досягає максимального значення 21 А, перш ніж LTC4381 відреагує, щоб знизити напругу на затворі МОП-транзистора і закрити його.

Стрибок струму вище 15.5 А триває менше 50 мкс. Через короткочасне розсіювання потужності в МОП-транзисторі напруга на виводі TMR (червона крива) збільшується приблизно на 200 мВ. Оскільки TMR набагато нижче порогу відключення затвора 1.215 В, затвор знову включається, що призводить до ще одного стрибка струму. З кожним стрибком струму напруга на виводі TMR наближається до 1.215 В.

Після кількох таких стрибків струму напруга на виводі TMR досягає порогу відключення затвора 1.215 В, і МОП-транзистор відключається. Після цього ІМС входить у цикл охолодження і МОП-транзистор залишається закритим до закінчення циклу охолодження.

Для конденсатора CTMR ємністю 68 нФ цикл охолодження становить 33.3 × 0.068 = 2.3 с, згідно з технічними характеристиками LTC4381 . Оскільки LTC4381-4 повторює спробу автоматично, то цикли включення і охолодження будуть повторюватися нескінченно, поки не буде усунуто коротке замикання на виході. Аналогічний процес відбувається, якщо коротке замикання на виході виникає під час нормальної роботи, тобто, коли вихід вже включений.

Моделювання в LTspice

Перевірити реакцію запобіжника на основі LTC4381 при різних випробувальних сигналах можна шляхом моделювання в LTspice. На рис. 15 наведена модель для випробування запобіжника відповідно до вимог стандарту ISO7637-2 при використанні випробувального імпульсу Pulse3b_12V.

На рис. 16 наведені часові діаграми сигналів на виході генератора випробувальних сигналів і на виході запобіжника. Там же показаний вихідний сигнал запобіжника у збільшеному масштабі.

Як слідує з рис. 16, імпульс амплітудою 145 В на вході блокується запобіжником. Крім імпульсу Pulse3b_12V для аналізу на відповідність стандарту ISO7637-2 доступні випробувальні імпульси, перелік яких показаний на рис. 17.

Результати перевірки на відповідність стандарту ISO7637-2 при використанні одиночного імпульсу Pulse2a_12V наведені на рис. 18. Як слідує з рисунка, робота запобіжника відновлюється через 2 мс після закінчення випробувального сигналу – напруга на вході і на виході збігаються починаючи з 10-ї мілісекунди.

Модель для випробувань запобіжника на відповідність стандарту ISO16750-2 при впливі від’ємної напруги на вході наведена на рис. 19. Для випробувань використовується генератор, що формує імпульс 4-7_24V_Reversed-VoltageCase2. Крім цього імпульсу генератор дозволяє формувати імпульси, перелік яких наведений на рис. 20.

Результати випробування на вплив на вхід запобіжника від’ємної напруги наведені на рис. 21.

Як слідує з рис. 21, на виході запобіжника від’ємна напруга не перевищує -1.06 В при впливі на вхід напруги -28 В.

Для перевірки реакції запобіжника на основі LTC4381 на коротке замикання в навантаженні використана модель, наведена на рис. 22. Коротке замикання створюється за допомогою, керованого напругою, ключа SW. Ключ замикається через 10 мс після початку моделювання. Інтервал часу, на якому підтримується коротке замикання, встановлений рівним 10 мс. Сигнал управління ключем формується за допомогою генератора V2. Для відстеження реакції запобіжника на відновлення нормального стану навантаження час аналізу встановлений рівним 3 с.

Результат дослідження реакції запобіжника на коротке замикання в навантаженні наведений на рис. 23.

Початковий ділянка часових діаграм вхідного і вихідного сигналів у збільшеному часовому масштабі показаний у полі рисунка. Сигнал генератора, що керує ключем, показаний синім кольором. Як слідує з рисунка запобіжник автоматично відновив свою нормальну роботу через 2.3 мс (червона крива), що повністю збігається з розрахованим значенням.

Напруга на виході запобіжника становить 47.86 В при вхідній напрузі 48 В і струмі в навантаженні 10 А. Запобіжник на ІМС LTC4381 дозволяє здійснювати захист ланцюгів, включених на його виході, у широкому діапазоні напруг. Мінімальна напруга, при якій зберігається працездатність з елементами, вказаними на рис. 23, становить 4 В.

Проведені експерименти показують, що такий пристрій можна використовувати не тільки в автомобільній або авіаційній електроніці, але і в багатьох інших додатках.

Висновки

Наявність внутрішнього силового МОП-транзистора LTC4381 дозволяє реалізувати компактний пристрій захисту від перенапруги, від від’ємної напруги на вході і від короткого замикання в навантаженні в діапазоні вхідних напруг від 4 до 48 В і максимальному струмі 10 А. При необхідності збільшення значення максимального струму можна використовувати зовнішній силовий МОП-транзистор.

У розглянутій схемі відсутні пульсуючі струми під час короткого замикання. Однак у момент включення виникають короткочасні перехідні процеси, що тривають менше кількох мілісекунд. Наявність вихідної ємності дозволяє знизити перешкоди в ланцюгах живлення, особливо якщо джерело живить кілька плат одночасно – наприклад, на об’єднавчій платі.

З іншими ІМС для побудови електронних запобіжників можна ознайомитися в і на сайті компанії Analog Devices.

ЛІТЕРАТУРА

1. https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/technical-articles/M139_EN- Surge_Stopper.pdf
2. https://www.analog.com/en/parametric- search/11394#/
3. https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/LTC4380.pdf
4. https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ltc4381.pdf
5. Pinkesh SACHDEV 10 A Electronic Fuse En­ables Compact Overcurrent Protection for 48 V Power Supplies / https://www.analog.com/media/en/tech- nical-documentation/tech-articles/compact-overcur- rent-protection-for-48-v-power-supplies.pdf
6. https://www.analog.com/media/en/techni- cal-documentation/product-selector-card/Surge- Stoppers.pdf