Компоненты Analog Devices для защиты от перенапряжений в цепях питания

12 октября

автоматизацияответственные примененияAnalog Devicesстатьяинтегральные микросхемыSurge StopperSurge ProtectionIntegrated MOSFET

Александр Русу (г. Одесса)

Поломка оборудования из-за перенапряжений в силовых цепях или неправильного подключения источника питания часто обходится слишком дорого, а активные ограничители напряжения требуют дополнительных затрат и места на плате. Компания Analog Devices выпустила на рынок новое решение с повышенным уровнем интеграции – микросхему LTC4381 для систем электропитания постоянного тока с номинальным напряжением 12, 24 и 48 В. Помимо защиты от перенапряжения LTC4381 могут использоваться в качестве коммутаторов нагрузки, контроллеров горячей замены, а также плавких предохранителей.

Любая система электроснабжения работает в динамическом режиме, создаваемом как внутренними процессами, такими как переменный характер энергопотребления питаемого оборудования, так и внешними явлениями, например, искровыми разрядами. Из-за этого в распределительных сетях системы постоянно происходят сложные переходные процессы, результатом которых может стать значительное отклонение величины питающего напряжения от номинального значения. Если не принимать никаких мер, то подобные колебания в лучшем случае могут стать причиной сбоев в работе оборудования, а в худшем – вывести его из строя. Поэтому функция защиты от перенапряжений в цепи питания обосновано входит в число ключевых функций любого оборудования, в первую очередь – промышленной, автомобильной и авиационной техники, работающей в сложных условиях.

Основной проблемой, возникающей при использовании традиционных методов защиты от перенапряжений, является необходимость поглощения большого количества энергии, из-за чего этот узел достаточно сложно сделать компактным. Выходом из этой ситуации может стать переход на активный способ ограничения напряжения, позволяющий значительно уменьшить размеры системы с сохранением требуемых уровней надежности и функциональности.

На сегодняшний день активные ограничители напряжения присутствуют в каталогах многих ведущих производителей электронных компонентов, в том числе и у компании Analog Devices. Тем не менее до недавнего времени большинству из них требовалось для работы определенное количество внешних силовых компонентов, в частности, мощных полевых транзисторов, что не позволяло в полной мере использовать все преимущества интегральных технологий. Недавно компания Analog Devices выпустила на рынок новое решение с повышенным уровнем интеграции – микросхему LTC4381.

Принципы защиты цепей питания

В реальных системах электроснабжения напряжение на питающих шинах может значительно отличаться от номинального значения. Например, в 12-вольтовой автомобильной бортовой сети напряжение при запуске двигателя может уменьшаться до 6 В, а при коммутации мощных нагрузок из-за наличия паразитных индуктивностей проводов оно может кратковременно достигать 120 В (рисунок 1). Во время работы в цепях питания также может присутствовать высокочастотный шум с амплитудой до 85 В, создаваемый, например, коллекторными электродвигателями или системой зажигания, а при запуске двигателя внутреннего сгорания от внешнего источника бортовое напряжение может ненадолго увеличиться до 24 B. Также не следует забывать и о возможности ошибочного подключения аккумуляторной батареи, в результате которого напряжение в бортовой сети будет иметь противоположную полярность.

На сегодняшний день для защиты от перенапряжений обычно используются мощные TVS-диоды (рисунок 2). Однако для того, чтобы подобные приборы не шунтировали шину питания при запуске двигателя от внешнего источника, их пороговое напряжение, с учетом всех допусков и отклонений, для 12-вольтовых систем должно быть не менее 26 В. В качестве такого диода можно использовать, например, TVS-диод SMBJ28A, имеющий пороговое напряжение 28 В. Однако в рабочем режиме напряжение на выводах этого прибора достигает 45 В, а при воздействии коротких импульсов (8/20 мкс) – 59 В. Таким образом, все узлы, работающие от этого ограничителя, должны выдерживать как минимум четырехкратное превышение напряжения питания, что не всегда удается реализовать технически.

Рис. 1. Диаграммы напряжения в бортовой сети автомобиля с напряжением 12 В

Рис. 1. Диаграммы напряжения в бортовой сети автомобиля с напряжением 12 В

Рис. 2. Традиционный ограничитель напряжения на основе TVS-диодов

Рис. 2. Традиционный ограничитель напряжения на основе TVS-диодов

Использование TVS-диодов не решает проблемы защиты от неправильного подключения аккумулятора. Если использовать двухсторонние TVS-диоды, имеющие, как правило, симметричные характеристики, то уровень ограничения отрицательного напряжения будет приблизительно таким же, как и для положительного – не менее двойного напряжения питания, что для оборудования, чувствительного к переполюсовке питающего напряжения, в большинстве случаев недопустимо. Если же использовать односторонние TVS-диоды, то уровень ограничения отрицательного напряжения, конечно, будет в пределах допустимых значений (приблизительно –1 В). Однако при этом в цепи питания возникнут токи большой величины, способные вывести из строя TVS-диод за считанные секунды и привести к аварийному отключению этого участка плавким предохранителем. Из-за этого в цепь питания устанавливают диоды Шоттки (рисунок 3), использование которых приводит к дополнительным потерям энергии.

Рис. 3. Ограничитель напряжения с защитой от переполюсовки

Рис. 3. Ограничитель напряжения с защитой от переполюсовки

Также не следует забывать, что подобные ограничители никак не защищают оборудование от флуктуаций напряжения питания с амплитудой, меньшей порога открытия TVS-диодов, например, высокочастотных шумов. Из-за этого в цепях питания чувствительных нагрузок приходится устанавливать дополнительные фильтры на основе дросселей и конденсаторов, использование которых приводит к увеличению и размеров, и стоимости системы питания, а также к еще большему уменьшению КПД.

Таким образом, традиционные решения на основе TVS-диодов или аналогичных элементов, таких как варисторы и разрядники, принципиально не могут обеспечить ни требуемое качество напряжения, ни высокие технико-экономические показатели: КПД и удельную мощность. Поэтому единственным способом реализации высококачественных защитных устройств является переход на активные методы функционирования.

Принцип активного ограничения выходного напряжения широко используется в технике, например, в компенсационных стабилизаторах или активных сглаживающих фильтрах. Основным узлом активного ограничителя является полупроводниковый регулирующий элемент, в качестве которого в настоящее время обычно используются мощные полевые транзисторы (рисунок 4). Схема управления регулирующим элементом может контролировать как выходное напряжение, так и ток, потребляемый нагрузкой, что позволяет обеспечить защиту не только от перенапряжения, но и от перегрузки по току и коротких замыканий в выходных цепях.

Рис. 4. Активный ограничитель напряжения

Рис. 4. Активный ограничитель напряжения

В отличие от компенсационных стабилизаторов, регулирующий элемент которых постоянно находится в активном режиме, силовой транзистор активных ограничителей большую часть времени находится в режиме насыщения, переходя в активный режим лишь при возникновении аварийных ситуаций. Кроме того, в отличие от импульсных стабилизаторов напряжения, силовой транзистор в рабочем режиме обычно не переключается с высокой частотой, что позволяет использовать в этих схемах низкочастотные полевые транзисторы с меньшим сопротивлением канала.

В традиционных схемах вся «лишняя» энергия импульсов рассевается на элементах ограничителя, в частности, на кристаллах TVS-диодов. Из-за этого данные элементы следует выбирать из расчета возможности длительной работы в аварийных режимах, ведь иначе они могут выйти из строя по причине перегрева. В активных ограничителях при возникновении подобной ситуации питание на нагрузку может подаваться в течение некоторого заранее предустановленного времени, после чего силовой транзистор будет автоматически закрыт схемой управления. Это позволяет значительно снизить уровень рассеиваемой мощности и максимально уменьшить размеры устройства.

Таким образом, использование активных методов ограничения напряжения позволяет реализовать в одном компактном узле функции защиты от высокого и низкого напряжений, переполюсовки, перегрузки по току, а также короткого замыкания в цепи нагрузки. Ключевыми преимуществами активных ограничителей являются:

  • высокое быстродействие, позволяющее не только эффективно ограничивать выходное напряжение, но и использовать этот узел в качестве активного фильтра для подавления высокочастотных шумов;
  • возможность регулировки порогов ограничения напряжения и тока, что позволяет максимально адаптировать этот узел под параметры конкретной нагрузки;
  • возможность использования гибких алгоритмов поведения в аварийных ситуациях (например, защелкивание или автоматическое возобновление подачи питания) с регулируемыми временными интервалами;
  • высокая точность и повторяемость установки порогов срабатывания защит по перенапряжению и перегрузке по току, что упрощает массовое производство;
  • высокое значение удельной мощности, достигаемое за счет применения низкопрофильных радиоэлементов, предназначенных для поверхностного монтажа;
  • упрощение сертификации устройства, что особенно актуально для приложений, применяемых во взрывоопасных средах.

Активные ограничители напряжения Analog Devices

Большинство активных ограничителей, выпускаемых компанией Analog Devices, рассчитано на использование внешних полевых транзисторов. Это расширяет возможности их применения, поскольку путем выбора внешнего транзистора можно обеспечить требуемый уровень максимального входного напряжения. Например, микросхема LT4356 (рисунок 5) имеет диапазон рабочих напряжений 4…80 В с возможностью кратковременного увеличения до 100 В. Таких характеристик вполне достаточно для, например, большинства автомобильных бортовых систем электропитания с напряжениями 12 или 24 В. Однако эту микросхему также можно использовать в приложениях, где могут возникать и более высоковольтные переходные процессы.

Рис. 5. Активный ограничитель напряжения на основе LT4356 для автомобильных 12-вольтовых систем питания

Рис. 5. Активный ограничитель напряжения на основе LT4356 для автомобильных 12-вольтовых систем питания

Для этого необходимо использовать более высоковольтный транзистор и ограничить напряжение питания микросхемы с помощью параметрического стабилизатора (рисунок 6). Однако при этом придется отключить функцию контроля тока, поскольку напряжение на выводе SNS выше 100 В может повредить микросхему.

Рис. 6. Активный ограничитель напряжения на основе LT4356 для автомобильных 12-вольтовых систем с расширенным диапазоном входных напряжений

Рис. 6. Активный ограничитель напряжения на основе LT4356 для автомобильных 12-вольтовых систем с расширенным диапазоном входных напряжений

Если же функция ограничений тока все же необходима, то можно использовать каскадное включение транзисторов (рисунок 7). В этом случае первый каскад, собранный на транзисторе Q2, ограничивает напряжение питания микросхемы на безопасном уровне, приблизительно равном 80 В (определяется напряжением стабилитрона D2), а второй каскад, собранный на микросхеме LT4356 и транзисторе Q1, уже ограничивает выходное напряжение до номинального значения.

При отсутствии перенапряжений на шине питания встроенный зарядовый насос микросхемы LT4356 формирует на затворе транзистора Q1 напряжение на 12,5 В больше входного. Таким образом, благодаря наличию диода D3, в нормальном режиме работы напряжение на затворе транзистора Q1 приблизительно равно 24 В (для 12-вольтовых систем). Этого вполне достаточно для удержания его канала в открытом состоянии и, соответственно, уменьшения величины статических потерь. В момент подачи питания, пока микросхема LT4356 не вышла на рабочий режим, транзистор Q1 открывается, благодаря наличию цепочки R3D1.

Рис. 7. Активный ограничитель напряжения на основе LT4356 для автомобильных 12-вольтовых систем с расширенным диапазоном входных напряжений и функцией защиты от перегрузки по току

Рис. 7. Активный ограничитель напряжения на основе LT4356 для автомобильных 12-вольтовых систем с расширенным диапазоном входных напряжений и функцией защиты от перегрузки по току

Диапазон входных напряжений ограничителя (рисунок 7) во многом определяется параметрами полевого транзистора и в данной схеме может достигать 300 В. Несмотря на достаточно сложную схему, общие размеры такого решения могут быть меньше, чем при использовании традиционных подходов, а качество выходного напряжения – выше.

Тем не менее, для приложений с высоким уровнем входных напряжений лучше использовать другие, более специализированные решения, предлагаемые компанией Analog Devices, например, микросхемы LT4363 (рисунок 8) или LTC4380 (рисунок 9). Особенностью этих ограничителей является измерение выходного тока на стороне нагрузки, что позволяет работать с повышенным входным напряжением без риска повредить микросхему. Кроме этого, микросхема LTC4380 имеет ультрамалый ток собственного потребления, не превышающий 8 мкА, что позволяет использовать в параметрическом стабилизаторе питания микросхемы резисторы с высоким сопротивлением, тем самым уменьшая уровень рассеиваемой мощности при высоких входных напряжениях.

Рис. 8. Высоковольтный ограничитель напряжения на основе микросхемы LT4363

Рис. 8. Высоковольтный ограничитель напряжения на основе микросхемы LT4363

Рис. 9. Высоковольтный ограничитель напряжения на основе микросхемы LTC4380

Рис. 9. Высоковольтный ограничитель напряжения на основе микросхемы LTC4380

Точность ограничения выходного напряжения во многом определяется внутренней схемотехникой микросхем. Например, у рассмотренных выше компонентов LT4356 и LT4363 управление силовым транзистором осуществляется так же, как в компенсационных стабилизаторах – с помощью усилителя ошибки, сравнивающего выходное напряжение со стабильным опорным напряжением, формируемым внутренними узлами (рисунок 10). А в микросхемах LTC4380 внешний силовой транзистор включен по схеме истокового повторителя, напряжение на затворе которого ограничивается внутренним стабилитроном. Из-за этого точность выходного напряжения микросхем LTC4380 оказывается хуже (приблизительно 5%) из-за технологического разброса параметров стабилитронов и порогового напряжения полевых транзисторов.

Рис. 10. Варианты управления внешними полевыми транзисторами

Рис. 10. Варианты управления внешними полевыми транзисторами

Еще одним оригинальным решением, способным работать в сетях с теоретически неограниченной амплитудой импульсов, является микросхема LTC4366 (рисунок 11). Ее особенностью является работа с плавающим потенциалом общего вывода VSS, подключенного к отрицательной шине с помощью резистора. При поступлении высоковольтной помехи потенциалы всех узлов микросхемы автоматически увеличиваются («подтягиваются») до уровня помехи, в то время как выходное напряжение остается практически неизменным. При таком подходе максимальное входное напряжение всего узла ограничивается лишь параметрами полевого транзистора, в том числе и максимально допустимым уровнем мощности, рассеиваемым на его кристалле.

Рис. 11. Высоковольтный ограничитель напряжения на основе микросхемы LTC4366

Рис. 11. Высоковольтный ограничитель напряжения на основе микросхемы LTC4366

Все рассмотренные выше схемы активных ограничителей прекрасно справляются с базовым списком функций, требуемых от них. Однако ни одна из этих схем не обеспечивает защиту от переполюсовки и протекания обратного тока, который может беспрепятственно замыкаться через паразитный диод полевого транзистора. Причем появление обратных токов возможно и при нормальной полярности питающего напряжения, например, в цепи питания автомобильного компьютера в момент запуска двигателя. В этом случае напряжение в бортовой сети может уменьшиться практически до нуля, в зависимости от состояния аккумулятора, а напряжение на аварийных накопителях процессора, таких как конденсаторы, ионисторы или аккумуляторы, все еще остается равным номинальному напряжению. Если не принимать никаких мер, то аварийные накопители могут очень быстро отдать энергию в другие нагрузки, что приведет к сбоям в работе компьютера, а это в большинстве случаев недопустимо.

Для защиты от переполюсовки и обратного тока можно установить в цепи питающей шины дополнительный диод, как показано на рисунке 3, однако в этих случаях лучше использовать специализированные решения, например, микросхему LTC4364 (рисунок 12). Особенностью этой микросхемы является наличие двух полевых транзисторов в силовой цепи, образующих ключ, способный блокировать протекание тока в обоих направлениях. При этом полевой транзистор, подключенный к выводу HGATE, ограничивает уровень перенапряжений, как в рассмотренных выше схемах, а транзистор, подключенный к выводу DGATE, выполняет функцию идеального диода и выключается лишь при обнаружении обратного тока. Использование полевого транзистора вместо диода Шоттки позволяет уменьшить общее падение напряжения в силовых цепях ограничителя и, соответственно, увеличить КПД системы.

Рис. 12. Ограничитель напряжения на основе микросхемы LTC4364 с защитой от переполюсовки и протекания обратного тока

Рис. 12. Ограничитель напряжения на основе микросхемы LTC4364 с защитой от переполюсовки и протекания обратного тока

В рассмотренных выше схемах силовые транзисторы большую часть времени находятся в режиме насыщения, что обеспечивает их минимальный нагрев. При возникновении аварийных ситуаций, в том числе при перегрузке по току и перенапряжении, полевые транзисторы переходят в активный режим, при котором к кристаллу подается повышенное напряжение, из-за которого на нем начинает выделяться достаточно большое количество тепла. Длительное нахождение в этом режиме может привести к перегреву и выходу из строя этих элементов, поэтому при большой продолжительности аварийных ситуаций схема управления прекращает подачу питания в нагрузку. Однако для некоторых приложений, например, для устройств, отвечающих за безопасность движения автомобиля, такой способ электроснабжения крайне нежелателен. В этом случае следует обратить внимание на микросхему LTC7860 (рисунок 13), особенностью которой является импульсный способ ограничения напряжения.

Рис. 13. Ограничитель напряжения на основе микросхемы LTC7860 с импульсным методом ограничения перенапряжения

Рис. 13. Ограничитель напряжения на основе микросхемы LTC7860 с импульсным методом ограничения перенапряжения

В данной схеме полевой транзистор вместе с дросселем и диодом Шоттки образуют понижающий импульсный преобразователь. В нормальном режиме работы силовой транзистор постоянно открыт, поэтому уровень выделения тепла на нем незначителен. При увеличении входного напряжения схема управления начинает переключать полевой транзистор с высокой частотой, поддерживая выходное напряжение в требуемых пределах с помощью импульсных методов регулирования. Поскольку полевой транзистор работает в ключевом режиме, то уровень выделения тепла на нем намного меньше чем в рассмотренных выше схемах, что позволяет этому ограничителю дольше находиться в аварийных режимах без прерывания питания нагрузки. Еще одной особенностью данной схемы является меньший уровень высокочастотных шумов в выходных цепях в рабочем режиме, поскольку дроссель и выходной конденсатор образуют фильтр нижних частот.

Ряд приложений, таких как устройства, питающиеся от внешних сетевых адаптеров, не требует подавления импульсных помех, однако подвергается риску повреждения из-за подключения к источникам питания с напряжением, выходящим за пределы допустимых значений, в том числе и к источникам переменного напряжения. В этом случае для защиты цепей питания можно использовать микросхемы LTC4365 или LTC4367, имеющие подобные структурные схемы и отличающиеся лишь диапазоном рабочих напряжений (рисунок 14). Эти микросхемы имеют два компаратора, включающих внешние силовые транзисторы только в случае, когда входное напряжение находится в заданных пределах, устанавливаемых внешним резистивным делителем, причем входное напряжение может находиться в широком диапазоне, в том числе принимать отрицательные значения.

Рис. 14. Ограничитель напряжения на основе микросхемы LTC4365

Рис. 14. Ограничитель напряжения на основе микросхемы LTC4365

Дополнительным преимуществом этих моделей ограничителей является длительная задержка подачи питания, которая для модификаций без суффикса в обозначении микросхемы равна 36 мс (LTC4365) или 32 мс (LTC4367). Наличие столь большой задержки позволяет полностью блокировать подачу напряжения питания на устройство при подключении его к источникам переменного (50/60 Гц) или пульсирующего (100/120 Гц) напряжения. Эта особенность является важной для приложений, питающихся от сетевых адаптеров, поскольку позволяет обойтись без дополнительных входных фильтрующих конденсаторов и TVS-диодов, имеющих, как правило, большие размеры. Микросхемы LTC4365 и LTC4367 не защищают цепь питания от перегрузки по току, поэтому при необходимости реализации этой функции следует использовать аналогичные микросхемы LTC4368 (рисунок 15), способные отключать источник питания при превышении как прямого, так и обратного тока.

Рис. 15. Ограничитель напряжения на основе микросхемы LTC4368 с защитой от перегрузки по току

Рис. 15. Ограничитель напряжения на основе микросхемы LTC4368 с защитой от перегрузки по току

Следует отметить, что для компактных устройств с небольшим напряжением питания, например, для питающихся от интерфейса USB смартфонов, цифровых камер и другого оборудования, лучше всего использовать специализированные решения, например, LTC4361 (рисунок 16). Эти микросхемы имеют диапазон рабочих напряжений 2,5…5,5 В, однако способны выдерживать входное напряжение, достигающее 80 В. При этом выходное напряжение ограничивается на уровне 5,8 В. В базовом варианте микросхемы LTC4361 обеспечивают защиту от пониженного и повышенного напряжений, а также перегрузки по току. При необходимости обеспечения защиты от обратного напряжения можно добавить внешний P-канальный полевой транзистор, для подключения которого предназначен отдельный вывод GATEP.

Рис. 16. Ограничитель напряжения для USB-устройств на основе микросхемы LTC4361

Рис. 16. Ограничитель напряжения для USB-устройств на основе микросхемы LTC4361

Особенности микросхем LTC4381

Ключевым недостатком всех рассмотренных выше схем является наличие относительно большого количества внешних компонентов, в том числе и мощных полевых транзисторов. С одной стороны, это расширяет сферу применения активных ограничителей, позволяя максимально адаптировать этот узел под требования конкретного технического задания. Однако с другой, при использовании в стандартных приложениях, лишь увеличивается стоимость производства и размеры, занимаемые этим узлом на печатной плате. Откликнувшись на это, компания Analog Devices разработала микросхему LTC4381 (рисунок 17) – новое решение с интегрированным силовым транзистором, требующее для своей работы меньшего количества внешних компонентов.

Рис. 17. Ограничитель напряжения на основе микросхемы LTC4381 с интегрированным силовым транзистором

Рис. 17. Ограничитель напряжения на основе микросхемы LTC4381 с интегрированным силовым транзистором

Микросхемы LTC4381 являются активными ограничителями напряжения с ультрамалым током собственного потребления, не превышающим 6 мкА, в кристалл которых интегрирован N-канальный полевой транзистор с сопротивлением канала в открытом состоянии, равным 9 мОм (типовое значение). Для надежного управления транзистором такого типа необходимо, чтобы напряжение, подаваемое на его затвор, было больше напряжения, присутствующего на его истоке. Это обеспечивается интегрированным зарядовым насосом с выходным током около 20 мкА, с помощью которого транзистор поддерживается в открытом состоянии во всем диапазоне рабочих напряжений (рисунок 18). Выходное напряжение зарядового насоса ограничивается внутренним стабилитроном на уровне 13,5 В относительно входного напряжения VCC.

Рис. 18. Структурная схема микросхем LTC4381

Рис. 18. Структурная схема микросхем LTC4381

Поскольку силовой транзистор включен по схеме с общим стоком, то напряжение на его истоке равно разнице напряжения на затворе VGATE и порогового напряжения открытия транзистора (Threshold Voltage), типовое значение которого составляет Vth = 3 В. Таким образом, максимально возможное значение выходного напряжения микросхем LTC4381-3 и LTC4381-4 автоматически ограничивается на следующем уровне (формула 1):

$$V_{OUT}=V_{GATE}-V_{th}=(V_{CC}+13.5)-3=V_{CC}+10.5\:В\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

Для этих микросхем порог ограничения выходного напряжения задается путем подбора стабилитрона в цепи питания микросхемы. Этот стабилитрон выполняет двойную функцию: задает максимальное значение выходного напряжения и защищает внутренние узлы микросхемы от повреждений высоким напряжением. Максимальное выходное напряжение микросхем LTC4381 не может превышать 72 В, поэтому для микросхем LTC4381-3 и LTC4381-4 напряжение стабилитрона в цепи VCC должно находиться в диапазоне 4…61,5 В.

В микросхемах LTC4381-1 и LTC4381-2 абсолютное значение напряжения на затворе транзистора дополнительно ограничено двумя последовательно соединенными стабилитронами, к их средней точке соединения подключен ключ, управление которым связано с выводом SEL. Если соединить вывод SEL с общим проводом, то абсолютное напряжение на затворе транзистора будет ограничиваться на уровне 31,5 В, при этом максимальное значение выходного напряжения будет на 3 В меньше: 28,5 В. Такое напряжение ограничения является наиболее оптимальным для систем питания с напряжением 12 В. Если на вывод SEL подать сигнал с высоким уровнем, например, соединив его с выводами VCC или OUT, то напряжение затвора будет ограничиваться на уровне 50 В, а выходное напряжение – на уровне 47 В, что является оптимальным для систем с номинальным напряжением питания 24 или 28 В.

Рабочий диапазон входного напряжения всех модификаций микросхем LTC4381 находится в диапазоне 4…80 В, поэтому если в системе появление импульсов с амплитудой более 80 В невозможно, то при использовании микросхем LTC4381-1 и LTC4381-2 вывод VCC может быть соединен напрямую с выводом IN, необходимости в установке дополнительного стабилизатора в цепи VCC не будет, а выходное напряжение будет ограничиваться внутренними стабилитронами на уровне 28,5 или 47 В. Очевидно, что для узлов, рассчитанных на работу в системах с напряжением 12, 24 или 28 В, такое решение позволяет еще больше сократить количество внешних компонентов. Для микросхем LTC4381-3 и LTC4381-4 использование стабилизатора в цепи VCC является обязательным.

Если в системе возможно появление импульсов с амплитудой 80…100 В (100 В – максимально допустимое напряжение на выводе IN), то установка ограничителя в цепи VCC является обязательной. В противном случае микросхема может быть повреждена. Также, применяя микросхемы LTC4381-1 и LTC4381-2, не следует забывать, что использование стабилитронов с малым напряжением стабилизации может привести к уменьшению порога ограничения выходного напряжения, которое не может превышать напряжение VCC более чем на 10,5 B. Максимальное же напряжение стабилитрона в цепи VCC для микросхем LTC4381-1 и LTC4381-2 может быть выше чем для моделей без внутренней защиты цепи затвора силового транзистора (рекомендуется 68 В).

В нормальном режиме работы напряжение на выводе TMR, к которому подключен внешний времязадающий конденсатор, удерживается на уровне меньше 100 мВ. Аварийная ситуация, будь то увеличение входного напряжения или перегрузка по току, определится соответствующими компараторами, и конденсатор, подключенный к выводу TMR, начнет заряжаться некоторым количеством стабильного тока. Ток заряда конденсатора определяется внешним резистором, подключенным к выводу DRN, и внутренними узлами микросхемы. При этом, благодаря наличию внутреннего умножителя, ток вывода TMR пропорционален мощности, рассеиваемой на кристалле силового транзистора: чем больше мощность, тем быстрее будет заряжаться внешний конденсатор.

Как только напряжение на выводе TMR достигнет 1,215 В, силовой транзистор будет отключен, а вывод FLT будет соединен с общим проводом, позволяя сформировать сигнал о прекращении питания нагрузки. После этого микросхемы LTC4381-1 и LTC4381-3 заблокируются («защелкнутся»). Возобновить подачу напряжения на нагрузку можно будет только после полного отключения питания микросхемы или формирования на управляющем выводе ON напряжения низкого уровня на время не менее 100 мкс с последующей установкой на нем напряжения больше 1 B. В микросхемах LTC4381-2 и LTC4381-4 после перехода в состояние блокировки конденсатор, подключенный к выводу TMR, будет 15 раз заряжен до напряжения 3,4 В и разряжен до напряжения 1,215 В небольшим током, формируемым внутренними узлами микросхемы. За это время кристалл силового транзистора успеет остыть и появится возможность безопасно возобновить подачу питания на нагрузку. В конце 15-го цикла времязадающий конденсатор будет разряжен до напряжения менее 100 мВ, микросхема разблокируется, а вывод FLT будет переведен в состояние с высоким импедансом. Для ускорения разблокировки микросхем LTC4381-2 и LTC4381-4 можно установить на выводе ON сигнал с низким уровнем на время не менее 10 мс на каждый микрофарад емкости конденсатора, подключенного к выводу TMR.

Максимальное значение выходного тока микросхем LTC4381 определяется величиной внешнего резистора датчика тока, подключаемого между выводами SNS и OUT. Когда напряжение на выводе OUT превышает 3 В, порог срабатывания компаратора защиты от перегрузки по току равен 50 мВ. Такое же напряжение будет поддерживаться между выводами SNS и OUT в режиме ограничения выходного тока. При коротком замыкании в цепи нагрузки напряжение на выводе OUT будет меньше 1,5 В, в этом случае порог срабатывания компаратора увеличивается до 62 мВ. Такой алгоритм защиты облегчает запуск системы и нагрузки, а также препятствует блокировке микросхемы вследствие протекания пусковых токов.

Основной областью применения микросхем LTC4381 являются системы электропитания постоянного тока с номинальным напряжением 12, 24 и 48 В. Кроме своего прямого назначения, заключающегося в защите от перенапряжения (рисунок 19), микросхемы LTC4381 могут использоваться в качестве коммутаторов нагрузки, контроллеров горячей замены (рисунок 20), а также плавких предохранителей (рисунок 21). Микросхемы LTC4381 не имеют функции защиты от переполюсовки напряжения питания, однако при необходимости этот вид защиты можно реализовать путем добавления нескольких внешних компонентов (рисунок 22).

Рис. 19. Пример ограничителя напряжения для 12-вольтовых систем при пороге ограничения напряжения 20 В, токе 1 А, максимальном входном напряжении 100 В и времени блокировки 2 мс

Рис. 19. Пример ограничителя напряжения для 12-вольтовых систем при пороге ограничения напряжения 20 В, токе 1 А, максимальном входном напряжении 100 В и времени блокировки 2 мс

Рис. 20. Пример контроллера горячей замены для 12-вольтовых систем при пороге ограничения напряжения 28,5 В, токе 2 А, максимальном входном напряжении 60 В, времени блокировки 3,5 мс

Рис. 20. Пример контроллера горячей замены для 12-вольтовых систем при пороге ограничения напряжения 28,5 В, токе 2 А, максимальном входном напряжении 60 В, времени блокировки 3,5 мс

Рис. 21. Пример эквивалента плавкого предохранителя для 48-вольтовых систем с порогом ограничения тока 10 А

Рис. 21. Пример эквивалента плавкого предохранителя для 48-вольтовых систем с порогом ограничения тока 10 А

Рис. 22. Пример ограничителя перенапряжения на основе LTC4381 с защитой от переполюсовки

Рис. 22. Пример ограничителя перенапряжения на основе LTC4381 с защитой от переполюсовки

Для быстрой оценки всех возможностей ограничителей напряжения LTC4381 можно приобрести специализированные отладочные платы DC2713A (рисунок 23), содержащие предустановленные микросхемы со всеми внешними компонентами, конфигурационные перемычки, а также разъемы для подключения источника питания, нагрузки, управляющих устройств и контрольно-измерительной аппаратуры. На момент написания статьи для приобретения доступны четыре модификации плат DC2713A с разными техническими характеристиками (таблица 1), с помощью которых можно оценить возможности всех моделей микросхем LTC4381.

Рис. 23. Внешний вид отладочной платы DC2713A

Рис. 23. Внешний вид отладочной платы DC2713A

Таблица 1. Основные технические характеристики отладочных плат DC2713A

Наименование DC2713A-A DC2713A-B DC2713A-C DC2713A-D
Микросхема LTC4381-1 LTC4381-2 LTC4381-3 LTC4381-4
Номинальное напряжение, В 12 или 24/28 12 или 24/28 48 48
Диапазон рабочего напряжения, В 8…20/8…38 8…20/8…38 8…60 8…60
Максимальное входное напряжение, В 100 100 60 (ограничено TVS-диодом на плате) 60 (ограничено TVS-диодом на плате)
Порог ограничения напряжения, В 28,5/47 28,5/47 66,5 66,5
Порог ограничения тока, мА 625 625 12,5 12,5
Порог ограничения тока при коротком замыкании, мА 775 775 15,5 15,5
Максимальный выходной ток, мА 500 500 10 10
Характер срабатываний защиты Блокировка Автоматическое восстановление Блокировка Автоматическое восстановление
Время восстановления, с 560 560 733 733

Выход из строя оборудования из-за перенапряжений в силовых цепях или неправильного подключения источника питания является серьезным инцидентом, на восстановление которого может уйти достаточно большое количество времени. Особенно критичны к этому автомобильные и авиационные приложения, в которых отказ оборудования может создать угрозу для жизни и здоровья людей. Поэтому узлы защиты, рассмотренные в этой статье, рекомендуется использовать даже при самой малой вероятности возникновения подобных ситуаций. Их реализация на основе компонентов производства компании Analog Devices существенно не отразится ни на размерах конечного оборудования, ни на итоговой стоимости.

•••

Наши информационные каналы

О компании Analog Devices

  Компания Analog Devices (AD, ADI) основана в 1965 году в Кембридже, штат Массачусетс, США двумя инженерами – выпускниками Массачусетского Технологического института (MIT) Рэем Стейтой (Ray Stata – первый президент и CEO) и Мэттью Лорбером (Matthew Lorber) с целью разработки и производства интегральных операционных усилителей (ОУ) – новых в тот момент на бурно развивающемся рынке полупроводниковой электроники изделий. Уже через три года продажи компании достигли 5,7 млн. USD. К 1970 AD о ...читать далее

Товары
Наименование
LT4356CS-1#TRPBF (AD)
LT4356HDE-1#TRPBF (AD)
LT4363CMS-1#PBF (AD)
LT4363HMS-1#TRPBF (AD)
LTC4361CDC-2#TRMPBF (AD)
LTC4361CDC-2#TRMPBF (AD-LTC)
LTC4361HTS8-1#TRMPBF (AD)
LTC4364CMS-2#PBF (AD)
LTC4364HDE-2#PBF (AD)
LTC4364HDE-2#PBF (AD-LTC)
LTC4365CTS8#TRPBF (AD)
LTC4366HTS8-1#TRMPBF (AD)
LTC4366HTS8-1#TRMPBF (AD-LTC)
LTC4367CDD#TRPBF (AD)
LTC4367HMS8-1#TRPBF (AD)
LTC4367HMS8-1#TRPBF (AD-LTC)
LTC4368HMS-2#WPBF (AD)
LTC4368IMS1 (AD)
LTC4380HMS-1#WPBF (AD)
LTC4380HMS-4#WPBF (AD)
LTC4381CDKE-4#PBF (AD)
LTC7860MPMSE#PBF (AD)