Как eFuse может помочь обеспечить надёжную защиту тракта подачи электропитания в промышленных системах

Абхишек Кумар (Abhishek Kumar)

В статье представлен обзор нескольких подходов к созданию надёжной защиты силового тракта промышленного назначения, включая реализацию на дискретных элементах, метод с контроллером горячего резервирования + MOSFET и полностью интегрированное решение.

Любые электронные системы часто подвергаются воздействию жёстких внешних условий и опасных факторов, таких как электростатические разряды (ЭСР), быстрые переходные процессы в электроцепях (ЭБПП) и грозовые перенапряжения. Защита цепей должна быть приоритетной задачей для проектировщиков силового оборудования, чтобы предотвратить отказ системы, что особенно важно для промышленных применений с шиной питания 24 В.

Схемы защиты цепей питания способны защитить как источник питания, так и всю систему от таких явлений, как перегрузка по току, короткое замыкание, бросок пускового тока на входе, перенапряжение, обратная полярность на входе (обычно вызываемая неправильным монтажом) и обратный ток.

Реализация на дискретных элементах

Схемы на дискретных элементах являются наиболее традиционным способом защиты силового тракта (рисунок 1).

 Схема защиты на дискретных элементах

Рисунок 1. Схема защиты на дискретных элементах

В такой реализации для защиты системы от обратной полярности (неправильного монтажа) и обратного тока используется включённый последовательно мощный диод. Если цепь потребляет ток величиной 2 А, она рассеивает ~1 Вт мощности на диоде, в результате чего повышается температура платы. Резонансный контур (L-C) осуществляет фильтрацию, а несколько TVS-диодов подавляют переходные процессы во входной цепи во время испытания импульсными напряжениями (Международная электротехническая комиссия (МЭК) 61000-4-5).

В данной реализации для выполнения требований по защите используется PFET-транзистор (ключ верхнего плеча) вместе с биполярным транзистором BJT, операционные усилители, зенеровские диоды, резисторы и конденсаторы. Это системное решение весьма громоздкое и отличается довольно обширным перечнем материалов (ПМ). Кроме того, данная реализация не решает вопроса тепловой защиты и дрейфа точности ограничения тока при изменениях температуры.

Схема на дискретных элементах обеспечивает защиту от коротких замыканий с помощью традиционного плавкого предохранителя. Во время короткого замыкания предохранителю для перегорания требуется от нескольких миллисекунд до нескольких секунд, что может вызвать повреждение нагрузки.

Метод с контроллером горячего резервирования

Другим распространенным подходом (рисунок 2) к защите по питанию является метод с контроллером горячей замены и контроллером «идеального диода» на базе MOSFET. В этой схеме для придания ей большей эффективности и надёжности используются внешние полевые транзисторы (FET). К сожалению, в этой реализации остаются такие проблемы, как необходимость управления внешними полевыми транзисторами, наличие внешнего измерительного сопротивления и необходимость дополнительной цепи защиты от обратной полярности на входе. В этой реализации осуществляется попытка организовать тепловую защиту и защиту зоны надёжной работы (SOA) на базе архитектуры с внешними полевыми транзисторами. Несмотря на то, что это решение лучше дискретной реализации, оно не всегда подходит для ограниченных по пространству систем, таких как модули ввода/вывода (I/O).

 Схема защиты с контроллером + MOSFET

Рисунок 2. Схема защиты с контроллером + MOSFET

Интегрированная реализация (eFuse)

А теперь представьте, что вся ваша дискретная реализация сворачивается в одно интегрированное устройство, за исключением нескольких компонентов, таких как диоды подавления переходных процессов (TVS), и нескольких резисторов и конденсаторов, как показано на рисунке 3. Это было бы отлично, не правда ли? Предохранитель eFuse эффективно объединяет в одном устройстве все упомянутые выше функции защиты, минимизируя тем самым трудоёмкость проектирования. Предохранители eFuse, помимо защиты силовых цепей, также обеспечивают выполнение таких функций, как мониторинг напряжения и тока и индикация отказов для системной диагностики.

 Схема интегрированной защиты

Рисунок 3. Схема интегрированной защиты

Обеспечение зоны надёжной работы (SOA) полевых транзисторов (FET) и надёжная тепловая защита гарантируют безотказную работу eFuse, а также защиту нагрузки в жёстких условиях. Такие предохранители также пригодны для применений в условиях ограниченного пространства, поскольку помогают сократить размеры системного решения больше чем наполовину.

Одним из примеров таких решений является микросхема TPS2660, первый в отрасли интегрированный электронный предохранитель eFuse на 60 В со встречным включением полевых транзисторов. Это устройство определённо стоит рассмотреть в качестве варианта для ваших новых проектов, поскольку оно поддерживает защиту от пускового тока, перегрузки по току, короткого замыкания, обратной полярности на входе (неправильного монтажа), перенапряжения и недостаточного входного напряжения. TPS2660 также обеспечивает мониторинг тока и индикацию отказов для целей системной диагностики. Интегрированная архитектура на 60 В со встречным включением полевых транзисторов позволяет вам проектировать надёжные схемы и защитить нагрузки в таких стандартных для отрасли тестах, как броски (МЭК 61000-4-5), EFT (быстрые переходные процессы) (МЭК 61000-4-4) и просадки напряжения, а также испытания прерываниями подачи питания в соответствии со стандартом МЭК 61131-2.

Надёжная и эффективная схема защиты источника питания чрезвычайно важна для проектирования электронных систем. Используя интегрированные устройства защиты, проектировщики смогут создавать свои системы с большей лёгкостью и эффективностью, а также будут быстрее выводить их на рынок. Если у вас есть проект, в котором используется защита силового тракта для шины питания 24 В, будьте на шаг впереди и начните уже сегодня проектирование с использованием типового проекта Input Protection and Backup Supply Reference Design for a 25W PLC Controller Unit (защита входов питания и резервирование источника питания для 25-Вт блока питания ПЛК).

Дополнительные источники

Для получения более подробных сведений о том, как TPS2660 помогает во время прохождения стандартных для отрасли испытаний:

  • Смотрите руководство по применению "The TPS2660 Simplifies Surge and Power-Fail Protection Circuits in PLC Systems."