Електронні запобіжники

У статті наведено коротку інформацію про ІМС електронних запобіжників, що випускаються компанією Analog Devices. Наведено приклади моделей для випробувань електронних запобіжників на базі ІМС LTC4381. Результати моделювання підтверджують заявлені компанією параметри цих пристроїв.

В. Макаренко

Захист джерел живлення від перевантаження та електронні запобіжники Analog Devices

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

Електронні обмежувачі перенапруги та захисту від короткого замикання замінюють ці пасивні компоненти контролером і послідовно увімкненим 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 та ISO 16750-2.

Стандарти ISO для автомобільної електроніки

В автомобільних джерелах живлення часто виникають перехідні процеси, які створюють значні стрибки напруги, що можуть легко вивести з ладу бортову електроніку. Виробники автомобілів незалежно один від одного розробляли стандарти та процедури випробувань, щоб запобігти виходу з ладу чутливої електроніки під час таких подій. Однак останнім часом виробники автомобілів об’єднали зусилля з Міжнародною організацією зі стандартизації (ISO) для розробки стандартів ISO 7637-2 та ISO 16750-2, які описують можливі перехідні процеси та 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 розділи, що стосуються якості електроживлення, а не електромагнітної сумісності, були перенесені до стандарту ISO 16750 “Дорожні транспортні засоби — умови навколишнього середовища та випробування електричного та електронного обладнання” у другу з п’яти частин “Частина 2: Електричні навантаження”.

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

Стандарти ISO 7637-2 та 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 найскладнішим із перехідних процесів у джерелі живлення автомобілів через значний витік енергії в цьому випадку. Це відбувається, коли генератор змінного струму заряджає акумулятор, і в цей час втрачається з’єднання з батареєю.

Генератори змінного струму без внутрішніх обмежувачів напруги

Спочатку генератори змінного струму в автомобілях не мали вбудованих пристроїв обмеження напруги і могли створювати надзвичайно великі стрибки напруги при скиданні навантаження, приблизно 100 В для систем 12 В. Нові генератори змінного струму містять обмежувачі, які забезпечують нижче значення напруги під час скидання навантаження. Оскільки нині використовуються як старі генератори змінного струму, так і деякі сучасні генератори, що не містять обмежувачів напруги, специфікація при скиданні навантаження в стандарті ISO 16750-2 поділена на “Тест А — без централізованого придушення скидання навантаження” і “Тест В — із централізованим придушенням скидання навантаження”.

На рис. 1 показана схема з’єднання трифазних обмоток статора генератора змінного струму та 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 значень, які 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 у “Тесті A – без централізованого подавлення скидання навантаження”.

Генератори змінного струму з внутрішніми обмежувачами напруги

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

Проблеми захисту за допомогою TVS-діодів

Внутрішній опір Ri генератора змінного струму (рис. 4) як у тесті A, так і у тесті B, вказаний у стандарті ISO 16750-2 у діапазоні від 0,5 Ом до 4 Ом. Це обмежує максимальну енергію, що віддається у ланцюг 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, потрапляє на TVS-діод у бортовій електроніці.

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

Переваги активного захисту з обмежувачем перенапруги

Найкращим рішенням є використання послідовних пристроїв активного захисту, таких як електронні запобіжники. Компанія Analog Devices випускає велике число електронних запобіжників , призначених як для захисту автомобільної електроніки, так і для захисту інших пристроїв. Діапазон вхідних напруг таких пристроїв знаходиться у діапазоні від 0 до 500 В. У таблиці 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 із 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 стрибків напруги на вході при скиданні навантаження в автомобілях. Фіксована напруга затвора обирається 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 та 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 та LTC4380-2 доступні два різних напруження на затворі – 31,5 В, що обмежує вихідну напругу до приблизно 27 В для використання в системах 12 В, та 50 В, що обмежує вихідну напругу до 45 В для систем 24 В і 28 В. Напруга затвора обирається 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 споживаний струм 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 опорів резисторів RSNS і RDRN для отримання потрібних значень спрацьовування схем захисту. Детальніше 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 видно 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 та 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 та 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 із використанням LTC4380 можна знайти в .

Таблиця 1. Основні характеристики електронних запобіжників компанії Analog Devices

LTC4381 працює при напрузі живлення до 72 В, споживаючи всього 6 мкА у 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 та 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 зростати. На початковому етапі (при відсутності короткого замикання) напруга на конденсаторі дорівнює нулю. Внутрішній МОП-транзистор закривається, коли напруга на конденсаторі CTMR досягає 1,215 В. При опорі 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 для навантаження 10 А.

Через паразитну індуктивність доріжки або кабелю, що з’єднує джерело живлення з входом LTC4381, вхідна напруга значно перевищує нормальне робоче значення щоразу, коли внутрішній МОП-транзистор закривається при спрацьовуванні захисту. Стабілітрон D1 захищає висновок VCC ІМС LTC4381 від абсолютного максимального напруження 80 В, тоді як D2 захищає внутрішній МОП-транзистор від лавинного руйнування. D1 також обмежує напругу на виході величиною 66,5 В (56 В + 10,5 В) у разі, якщо D2 не використовується. Фільтр R1, C1 згладжує стрибки напруги VIN. Якщо на платі є ємність, розташована близько до LTC4381, висновок VCC може бути підключений безпосередньо 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 – 900 мВт, що призводить до підвищення температури корпуса LTC4381 приблизно до 100 °C на оцінювальній платі DC2713A-D при кімнатній температурі. При такій температурі опір відкритого транзистора RDS зростає у 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, майданчик міді під вузлом SNS DC2713A-D має площу 2,5 см² і рівномірно розподілений по двох зовнішніх шарах плати.

Поведінка LTC4381 при пуску

При відключенні висновку ON від загального проводу починається заряд 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 складає:

$$(220\text{ мкФ}\times 60В)/12,5А=1,06\text{ мс}$$

Графік безпечної робочої зони (SOA) МОП-транзистора LTC4381, показаний на рис. 12, демонструє, що він може витримувати 12,5 А і 30 В протягом 1 мс.

Через відсутність конденсатора на висновку GATE (Затвора) вихідний конденсатор заряджається протягом 2 мс, а пусковий струм досягає 17 А, перевищуючи порогове значення обмеження струму, перш ніж його можна буде контролювати (рис. 11). LTC4381 має поріг обмеження струму 12,5 А із чутливим резистором 4 мОм, коли напруга на висновку OUT перевищує 3 В. 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 висновку TMR LTC4381 пропорційна розсіюваній потужності у внутрішньому МОП-транзисторі. Таким чином, напруга на висновку TMR зростає під час пуску, навіть якщо вихідний струм нижче граничного значення.

Мінімальне значення ємності конденсатора CTMR – 68 нФ. При такому значенні ємності напруга на висновку TMR зростає приблизно до 0,7 В під час включення і формування на виході напруги 60 В. При ємності 47 нФ напруга на висновку TMR досягає 1,15 В при пуску, що дуже близько до порогу відключення затвора 1,215 В. Пікова напруга на висновку TMR 0,7 В вибрана так, щоб забезпечити достатній запас порівняно з порогом відключення затвора 1,215 В із урахуванням допусків: ±50% для струму спрацьовування, ±10% для конденсатора CTMR і ±3% для порога відключення затвора при VTMR = 1,215 В.

У таблиці 2 наведені рекомендовані значення ємності конденсатора CTMR для максимальної навантаження, щоб обмежити підвищення напруги TMR приблизно до 0,7 В під час пуску з напругою 60 В.

Таблиця 2. Рекомендовані значення CTMR для заданої 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 під час включення, так і під час нормальної роботи. На рис. 14 показано, як LTC4381 включає МОП-транзистор при наявності короткого замикання на виході. Напруга на затворі (синя крива) зростає. Коли вона перевищує порогову напругу 3 В, вмикається МОП-транзистор, і починає текти струм (зелена крива).

Через коротке замикання на виході та 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 та закрити його.

Стрибок струму вище 15,5 А триває менше 50 мкс. Через короткочасне розсіювання потужності в МОП-транзисторі напруга на висновку TMR (червона крива) збільшується приблизно на 200 мВ. Оскільки TMR набагато нижче порога відключення затвора 1,215 В, затвор знову вмикається, що призводить до ще одного стрибка струму. З кожним стрибком струму напруга на висновку TMR наближається до 1,215 В.

Після кількох таких стрибків струму напруга на висновку TMR досягає порога відключення затвора 1,215 В, і МОП-транзистор відключається. Після цього ІМС входить у цикл охолодження, і МОП-транзистор залишається закритим до завершення цього циклу.

Для конденсатора CTMR ємністю 68 нФ цикл охолодження складає 33,3 × 0,068 = 2,3 с згідно з технічними характеристиками LTC4381. Оскільки LTC4381-4 автоматично повторює спробу, цикли включення та охолодження повторюватимуться нескінченно, поки не буде усунено коротке замикання на виході. Аналогічний процес відбувається, якщо коротке замикання на виході виникає під час нормальної роботи, тобто коли вихід вже включений.

На рис. 16 показані часові діаграми сигналів на виході генератора випробувальних сигналів (зелена) і на виході запобіжника (червона) при використанні імпульсу Pulse3b_12V. У збільшеному масштабі показано вихідний сигнал запобіжника.

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

Результати перевірки на відповідність стандарту ISO7637-2 при використанні одиночного імпульсу Pulse2a_12V наведені на рис. 18. Як видно з рисунка, робота запобіжника відновлюється через 2 мс після завершення випробувального сигналу — напруга на вході та на виході збігається починаючи з 10-ї мілісекунди.

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

Результати випробування на вплив негативної напруги на вхід запобіжника наведені на рис. 21.

Як видно з рис. 21, на виході запобіжника негативна напруга не перевищує -1,06 В при впливі на вхід напруги -28 В.

Перевірка реакції запобіжника при короткому замиканні в навантаженні

Для перевірки реакції запобіжника на основі LTC4381 при короткому замиканні в навантаженні використана модель, наведена на рис. 22. Коротке замикання створюється за допомогою керованого напругою ключа SW, який замикається через 10 мс після початку моделювання. Інтервал часу підтримки короткого замикання встановлений рівним 10 мс. Сигнал керування ключем формується генератором V2. Для відстеження реакції запобіжника на відновлення нормального стану навантаження час аналізу встановлено рівним 3 с.

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

Початковий фрагмент часових діаграм вхідного та вихідного сигналів у збільшеному масштабі показано в полі рисунка. Сигнал генератора, що керує ключем, показано синім кольором. Як видно з рисунка, запобіжник автоматично відновив свою нормальну роботу через 2,3 мс (червона крива), що повністю збігається з розрахунковим значенням.

Напруга на виході запобіжника становить 47,86 В при вхідній напрузі 48 В і струмі навантаження 10 А. Запобіжник на ІМС LTC4381 забезпечує захист ланцюгів, підключених до його виходу, у широкому діапазоні напруг. Мінімальна напруга, при якій зберігається працездатність із елементами, показаними на рис. 23, становить 4 В.

Проведені експерименти демонструють, що таке пристрій можна використовувати не лише в автомобільній або авіаційній електроніці, але й у багатьох інших застосуваннях.

Висновки

Наявність внутрішнього силового МОП-транзистора в ІМС LTC4381 дозволяє реалізувати компактний пристрій захисту від перенапруги, від негативної напруги на вході та від короткого замикання в навантаженні в діапазоні вхідних напруг від 4 до 48 В і максимальному струмі 10 А.

У разі необхідності збільшення значення максимального струму можна використовувати зовнішній силовий МОП-транзистор.

У розглянутій схемі відсутні пульсуючі струми під час короткого замикання. Однак у момент увімкнення виникають короткочасні перехідні процеси, тривалістю менше декількох мілісекунд. Наявність вихідної ємності дозволяє зменшити перешкоди в ланцюгах живлення, особливо якщо джерело живлення забезпечує живлення кількох плат одночасно, наприклад на об’єднувальній платі.

Інформацію про інші ІМС для побудови електронних запобіжників можна знайти в та на сайті компанії Analog Devices.