3/2017
Как eFuse может помочь обеспечить надёжную защиту тракта подачи электропитания в промышленных системах
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).
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)
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).
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.
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
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."