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 .