ЯК ЗАХИСТИТИ СИСТЕМУ ЖИВЛЕННЯ ВІД ВІДМОВ АБО ЗБОЇВ

У статті наведена коротка інформація про способи захисту джерел живлення від несприятливих факторів.

Т.Х’юнх, R. Назаді

Питання:

Чи є простий спосіб захистити систему живлення від відмов або збоїв?

Відповідь:

Так, наприклад, за допомогою багатофункціо­нальних ІМС, таких як MAX17613 і MAX17526.

Час безвідмовної роботи є критично важливим показником надійності, продуктивності та рента­бельності у таких застосуваннях, як промислова ав­томатика, автоматизація будівель, управління ру­хом, виробничими процесами і т.і. Простої облад­нання, як правило, викликані необхідністю обслуго­вування, людськими помилками та збоями і відмо­вами.

Вартість ремонту та втрата продуктивності, яка пов’язана з простоями, може бути дуже високою за­лежно від галузі та характеру відмов. Простоям, пов’язаним з обслуговуванням і людськими помил­ками, важко запобігти, але більшості відмов, пов’язаних з обладнанням, запобігти можливо. Ця стаття присвячена простоям облання, які спричине­ні збоями чи відмовами живлення, та способам їх усунення за допомогою багатофункціональних ІМС захисту систем живлення.

Системи живлення піддаються різним стресам і збоям. Це можуть бути стрибки напруги та перехідні процеси через удари блискавки чи перемикання на­вантаження, пускові струми через початкову заряд­ку накопичувальних конденсаторів та зворотні на­пруги через помилки проводки або випадкові КЗ, перевантаження по струму та перегрів, які викли­кають деградацію або незворотні пошкодження. Не­обхідно створювати систему захисту навколо наван­таження, щоб протистояти цим подіями. Розгляне­мо типи збоїв в системах живлення, традиційні рі­шення протидії цим збоям і відмовам, а також особ­ливості нових ІМС для захисту систем живлення.

Існує безліч інтегрованих рішень, які забезпе­чують однофункціональний захист систем живлен­ня. Наприклад, захист від перенапруги, який захи­щає від стрибків напруги; контролер гарячої заміни (або обмежувач пускового струму), який може захи­стити від підвищення пускового струму; контролер ORing (або ідеальний діодний контролер), який може захистити від зворотної напруги, а також за­безпечити розподіл джерел живлення; eFuse (або запобіжник чи обмежувач струму), який може захи­стити від КЗ або перевантаження; обмежувач потуж­ності (перемикач навантаження або USB-переми- кач, або селектор живлення), який забезпечує управління системою з декількома вхідними джере­лами живлення або кількома навантаженнями. На рис. 1 показано всі ці засоби, які мають спільну мету: забезпечити захист системи живлення. Однак кож­ний з них забезпечує захист лише частково, наприк­лад, від перепадів напруги або струму, або температури і т.д. Щоб забезпечити повний захист системи живлення, необхідне комплексне рішення.

Рис. 1.Ооднофункціональні засоби захисту системи живлення

На рис. 2 показано загальний розподіл живлення системної плати. Плата отримує живлення від трьох окремих джерел живлення, заряджає накопичуваль­ний конденсатор великої ємності, організує живлен­ня для власного використання та передає живлення ще двом периферійним пристроям. Ця плата потре­бує кількох функцій захисту та розподілу живлення на входах і на виходах.

Захист на вході плати включає: захист від пере­напруги, зниження напруги, запобіжник, обмеження пускової напруги, захист від зворотної напруги.

Рис. 2. Розподіл живлення системної плати

Якщо ця плата живиться від джерела з обмеженою потужністю, то їй теж потрібна функція обмеження потужності. Оскільки плата отримує живлення від трьох різних джерел, вона потребує мультиплексу- вання живлення або використання так званої систе­ми PowerORing, яка автоматично вибирає джерело живлення для плати з найвищою напругою, тоді як мультиплексування живлення забезпечує вибір будь-якого джерела живлення, незалежно від на­пруги, якщо вона знаходиться в межах робочого діа­пазону. Плата також потребує захисту від зворотної напруги.

Захист на виході плати включає: захист від пере­вантаження або КЗ, захист від зворотної напруги від випадкового КЗ на шину більш високої напруги. Щоб керувати розподілом вихідної потужності, платі по­трібен перемикач навантаження, система ORing і обмеження потужності.

Три основні типи системних збоїв живлення. Існує три основні типи відмов або збоїв системи живлення, як показано на рис. 3, відхилення напру­ги, відхилення струму, відхилення температури від заданих параметрів. Розглянемо кожний вид відмо­ви окремо.

Рис. 3. Три основні типи системних збоїв або відмов

Збої напруги: вхідна напруга може бути вищою та/або нижчою за звичайний діапазон напруги по­стійного струму через низку випадків, таких як удари блискавки, перегорання запобіжників, КЗ, гаряча заміни та індуктивний дзвін кабелю. Удар блискавки може спричинити стрибок напруги високої потужно­сті, який зазвичай ослабляється TVS-діодами і вхід­ним фільтром. TVS-діоди – це кремнієві пристрої, призначені для захисту апаратури від стрибків на пруги, що перевищують заданий максимальний рі­вень. На рис. 4 наведено діаграму тесту на стійкість апаратури до швидких електричних перехідних про­цесів згідно стандарту IEC 61000-4-4. Слід відміти­ти, що після TVS і вхідного фільтра залишковий стрибок напруги на рівні системної плати все ще може бути досить великим, іноді в 2-3 рази вищий від номінальної вхідної напруги постійного струму.

Рис. 4. Діаграма тесту на стійкість апаратури до швидких електричних перехідних процесів згідно стандарту IEC 61000-4-4

На рис. 5 показано результат дії КЗ, яка призво­дить до дзвону на кінці 10-футового кабелю при максимальному рівні напруги до 50.4 В, що у двоє перевищує номінальну напругу 24 В постійного струму. Напруга дзвону знижується приблизно до 11 В. Захищена система, як правило, продовжува­тиме працювати протягом цього дзвону. Подібний дзвін напруги може статися під час перемикання ін­дуктивного навантаження, під час гарячої заміни плати під напругою, або коли перегорає запобіжник в системі.

Рис. 5. Дзвін кабелю внаслідок КЗ

Помилкове підключення системи трапляється рідко, але, тим не менш, може статися. Наприклад, у системі для монтажу в стійку користувач може під­ключити плату навпаки або підключити кабель жив­лення, помилившись з полярністю. Коли вхідна на­пруга раптово падає внаслідок КЗ, вихідний конден­сатор буде мати вищий потенціал, що спричиняє появу зворотної напруги. Зворотна напруга також може виникнути, коли вихід раптово замикається на шину з вищою напругою. Хоча несправності, що призводять до зворотної напруги, трапляються рід­ко, у разі, якщо вони трапляються, то можуть при­звести до важкого пошкодження системи.

Відмови у каналі струму – перевантаження вихо­ду та КЗ є дві складові відмов у каналі струму. Пере- навантаження призводить до перевищення гранич­ної для системи потужності. КЗ може призвести до виходу зі строю компонентів системної плати. Коли периферійна плата з розрядженими конденсатора­ми підключається до об’єднувальної плати під на­пругою, виникає стрибок струму, який заряджає конденсатор. Неконтрольований стрибок струму можна представити рівнянням:

I = CdV/dt,

де: I – надлишковий струм; C – ємність, dV/dt – швидкість зміни напруги конденсатора з часом.

Якщо розряджений конденсатор (при напрузі 0 В) підключити до об’єднувальної плати під напругою 24 В, dV/dt у цьому випадку є миттєвим, тобто I = ∞. Цей стрибок струму може пошкодити роз’єми, призве­сти до вибуху запобіжників та спричинити дзвін на­пруги на об’єднувальній платі. Коли виникає зворот­на напруга, струм у зворотному напрямку може за­вдати серйозної шкоди системі. Рис. 6 ілюструє дію КЗ та зворотного струму.

Рис. 6. Приклад дії КЗ та зворотного струму

Температурний збій: якщо система спроекто­вана належним чином, вона повинна працювати без будь-яких температурних збоїв. Але тривале пере­вантаження, відмова системного вентилятора, ви­падкове блокування входу/виходу повітря в системі або відмова кондиціонера у приміщенні можуть ви­кликати температурний збій у роботі системи. Щоб запобігти пошкодженню та потенційним пробле­мам, пов’язаним із пожежею, захист від перегріву вимикає систему, коли її температура або темпера­тура одного із її компонентів досягає небезпечного рівня. Порівняно з відключенням від перегріву, теп ловий захист (термозахист) більш гнучкий.

Коли температура перевищує норму під час ро­боти системи через відмови, термозахист надає си­стемі попереджувальні команди. Наприклад, систе­ма може автоматично відключитись від некритичних навантажень, щоб розсіювати менше потужності. У результаті вона може уникнути повного відключення через перегрів за рахунок зниження продуктивності, доки не буде усунено причину, яка викликала пере­грів.

Через те, що більшість електричних систем пе­ріодично зазнають збоїв чи відмов, нехтування на­дійним захистом може перешкодити успішному просуванню проєкту системи вже на етапі випробу­вань. Ще гірший наслідок від помилки проектування може, наприклад, викликати зупинку конвеєру на заводі. Схеми захисту для забезпечення комплекс­ного захисту від відмов та збоїв, що призводять до пошкоджень обладнання, спрямовані на підвищення часу безвідмовної роботи системи.

Розробники, які займаються захистом своїх ви­робів, стикаються з проблемами проєктування за­собів захисту. Для реалізації захисту крім ІМС вико­ристовується багато зовнішніх компонентів.

На рис. 7 показано рішення системи захисту живлення з використанням 40 окремих компонентів. Набір допусків на параметри для такої кількості ком­понентів важко проаналізувати. Крім того, важко пе­ревірити та гарантувати їх безвідмовність з часом, а також досягти необхідної точності роботи в системі та швидкого реагування на збої та відмови такої кількості компонентів.

Рис. 7. Схема захисту живлення з використанням 40 дискретних компонентів та малих ІМС

Тому традиційні способи реалізації захисту за допомогою дискретних схем або ІМС малої інтегра­ції зараз відходять у минуле. Сучасні системи мають коротші терміни розробки та обмежені бюджетні кошти. З огляду на це, яке ж рішення захисту є най­більш прийнятним для сучасних систем? Це рішення на сьогодні являє собою високоінтегровану велику ІМС захисту (рис. 8), яка включає такі функції як ви значення/обмеження струму, обмеження потужно­сті, тепловий захист та захист від зниженої напруги або перенапруги. Крім того, така ІМС повинна відпо­відати вимогам до безпеки Міжнародної електро­технічної комісії (UL/IEC). Таким чином, більш висока інтеграція в поєднанні з відповідним сертифікатом безпеки забезпечує надійний захист сучасних си стем.

Мікросхеми MAX17613 і MAX17526 є прикладом комплексного захисту, який відповідає вимогам су­часних систем. ІМС MAX17613 – це мікросхема за­хисту у діапазоні 60 В/3 А (рис. 8), яка має всі не­обхідні компоненти та функції, такі як програмова­ний датчик струму, захист від перегріву, програмо ване блокування від зниженої напруги (UVLO) і бло­кування від перенапруги (OVLO). ІМС також має кон­такт CLMODE для вибору режиму реагування на по­точні збої та відмови, а саме для вибору між безпе­рервним режимом, режимом блокування та автома­тичним перезапуском усіх чи тільки тих функцій си­стеми, в яких виявлено збій.

Рис. 8. Велика ІМС для багатофункціонального захисту системи

Рис. 9. Функції захисту ІМСMAX17613

ІМС MAX17526 (рис. 10) – це мікросхема захисту у діапазоні 60 В/6 А, яка також є повністю інтегрова­ною багатофункціональною мікросхемою. Крім того, вона має додаткові функції захисту, такі як обмежен ня потужності та температурний контроль струму.

Рис. 10. Функції захисту ІМСMAX17526

Як показано на рис. 11, ІМС MAX17526 вимірює споживний струм системи, результати виміру по­ступають до системного контролера. Передбачено, що резистором RSETI можна налаштувати рівень обмеження струму відповідно до системних вимог.

Рис. 11. ІМС MAX17526 з функціями моніторингу збоїв і відмов та з можливістю обмеження струму на вході системної плати

На рис. 12. наведені діаграми роботи ІМС MAX17526 з функцією обмеження пускового струму під час увімкнення живлення системної плати. У мо­мент увімкнення живлення конденсатор COUT ємні­стю 1000 мкФ заряджається струмом з граничним значенням (діаграма ліворуч) і струмом, у двічі біль­шим проти граничного значення (діаграма право­руч), без збою чи відмови напруги джерела живлення.

Рис. 12. Діаграми захисту від пускового струму системної плати під час увімкнення живлення

На рис. 13 наведено приклад обмеження потуж­ності за допомогою ІМС MAX17526. Це використо струму для забезпечення обмеження вхідної або ви­хідної потужності.

Рис. 13. Приклад обмеження потужності системної плати за допомогою ІМС MAX17526

На рис. 14 наведено діаграму обмеження вихід­ної потужності системної плати на рівні 10 Вт за до­помогою ІМС MAX17526.

Рис. 14.Діаграма обмеження вихідної потужності системної плати за допомогою ІМС MAX17526

Таким чином, у сучасних системах можуть успіш­но використовуватися переваги багатофункціональ­них ІМС, які забезпечують їх захист від збоїв та від­мов. ІМС для забезпечення захисту, які відповідають вимогам стандартів UL 2367, IEC 60950 або IEC 62368, крім того, дають можливість зменшити вит­рати та терміни, пов’язані з сертифікацією нового виробу. До таких ІМС відносяться розглянуті мікро­схеми MAX17608 і MAX17613.

ВИСНОВКИ

Системи живлення є критично важливими вузла­ми будь-якого обладнання. Відмовам та збоям в електроживленні можна запобігти, запровадивши належний апаратний або програмно-апаратний за­хист. Це необхідно для ефективного використання та продуктивної роботи обладнання різного призна­чення. У порівнянні з традиційними дискретними або однофункціональними мікроелектронними ком­понентами захисту, сучасні багатофункціональні ІМС підтримують комплексний захист систем. Крім того, деякі з цих ІМС захисту, забезпечують не тіль­ки контроль працездатності, але й виконують функ­ції моніторингу та діагностики системи у цілому. Ви­користання сучасних ІМС захисту обладнання є на­дійною гарантією від його виходу із строю або до­вготривалого простою.