Включение зажигания при запуске автомобиля или выброс большого количества энергии в электронику при выключении двигателя — это источники опасных скачков напряжения в сети авто 12 В. Такие состояния делятся на пониженное напряжение (UV) и повышенное (OV); они могут иметь значительные параметры вольтажа и повреждать цепи, не предназначенные для работы в таких экстремальных условиях. Для защиты чувствительной электроники от переходных состояний питания были разработаны специальные устройства.
Микросхема LTC4368 является примером такого специализированного устройства защиты от недо- и перенапряжения в электросети авто. Она использует компаратор для контроля. Напряжение питания контролируется резистивным делителем напряжения, подключенным к выводам мониторинга UV и OV. Выход компаратора управляет затворами двух N-канальных полевых МОП-транзисторов, которые в свою очередь управляют соединением тока между АКБ и нагрузкой.
Компаратор LTC4368 разработан с гистерезисом всего 25 мВ на выводах монитора для улучшения помехозащищенности. Гистерезис может предотвратить ложное включение или выключение MOSFET из-за, например, пульсаций или высокочастотных колебаний в линии питания. Гистерезис 25 мВ в LTC4368 соответствует 5% пороговых значений выводов монитора и является общим для защиты как от недо-, так и от перенапряжения.
Для безопасности или для снижения нагрузки на линию зажигания некоторые автомобильные вспомогательные цепи должны быть отключены от бортсети при запуске или остановке авто. Из-за больших амплитуд переходных процессов для этих схем может потребоваться ещё больший гистерезис, чем для самой LTC4368. В таких устройствах повышенные требования к гистерезису могут быть удовлетворены путем установки LTC4368 на мониторинг питания чипа с регулируемым гистерезисом, таким как LTC2966. На рисунке показан пример защиты автомобильной цепи с широким диапазоном напряжений. В этой схеме LTC2966 действует как компаратор, а LTC4368 отвечает за подключение нагрузки к сети.
Устройство защитного контроля питания в автомобиле
Управление силовой линией с широким гистерезисом мониторинга напряжения — схема
Решение, показанное на рисунке выше, защищает электронику, чувствительную к переходным состояниям — провалам, скачкам и перегрузкам по току, возникающим в источнике питания авто.
Микросхема LTC2966 отслеживает как обратное напряжение, так и слишком низкое или слишком высокое прямое напряжение. Пороги контроля и уровни гистерезиса настраиваются цепями резисторов на выводах INH и INL и напряжениями на выводах RS1 и RS2. OUTA — это выход компаратора UV, а OUTB — выход компаратора OV. Полярность этих выходов может быть выбрана обратной или нормальной по отношению к входам, использующим контакты PSA и PSB. На рисунке они настроены как не инвертирующие. Выходы OUTA и OUTB от LTC2966 подключены к выводу REF LTC2966 и подаются непосредственно на выводы UV и OV LTC4368.
LTC4368 обеспечивает защиту от обратного тока и перегрузки по току. Размер резистора измерения тока R11 определяет допустимые уровни обратного тока и перегрузки. LTC4368 решает, следует ли включить нагрузку, на основании состояния его компараторов максимального тока, а также информации мониторинга от LTC2966. Контакты UV, OV и SENSE (перегрузка по току) как раз и участвуют в процессе принятия решения. Если эти условия выполнены для всех трех выводов, вывод GATE будет подтянут выше напряжения VOUT, и нагрузка будет подключена к источнику питания через двойной N-канальный MOSFET в линии питания. Если любой из трех выводов имеет неправильный уровень напряжения, вывод GATE опускается ниже VOUT и нагрузка обесточивается.
Автомобиль, питаемый напрямую от аккумулятора, подвержен сильным колебаниям напряжения при запуске и остановке двигателя. В этом защитном решении пороги контроля напряжения основаны на номинальных рабочих напряжениях и ожидаются во время запуска автомобиля или разрядки схемы, при этом защищая находящуюся далее по пути электронику.
Пусковые переходные процессы генерируются, когда зажигание запитывается для запуска автомобиля. В этом включении канал A LTC2966 настроен на обнаружение переходного состояния при запуске. Переходные процессы во время сброса энергии возникают при выключении двигателя. На клемме аккумуляторной батареи возникают скачки большой амплитуды, когда ток в линии автомобиля внезапно прекращается. В этом случае канал LTC2966 настроен на обнаружение переходного процесса сброса энергии при остановке двигателя.
График Vout к Vin
На графике показаны входные напряжения во время работы. Запуск двигателя (канал A) обнаруживается таким образом, что он активируется при падении напряжения ниже 7 В и повторно активируется напряжением выше 10 В. Вторая защита (канал B), предназначенная для обнаружения остановки двигателя, настроена на активацию в момент, когда напряжение превышает 18 В, и должна отключаться, когда оно падает ниже 15 В. Эти напряжения возникают непосредственно из кривой запуска и остановки машины, определяемой стандартами производителя.
При необходимости можно выбрать другие диапазоны напряжения, которые легко настраиваются путем изменения значений сопротивления элементов делителя напряжения на линиях INH и INL микросхемы LTC2966.
Делитель сопротивления для выбора пороговых значений напряжения
На рисунке выше показано, как это устройство вычисляет значения компонентов для делителя напряжения, который настраивает пороги напряжения отключения схемы. REF вывод LTC2966 подает опорное напряжение 2.404 В.
Выбор диапазона и полярности выхода компаратора
Рисунок показывает конфигурацию диапазона и выходной полярности схемы. Выбор диапазона для каждого канала основан на диапазоне напряжений конкретного канала, который необходимо контролировать. Диапазон настраивается контактами RS1A / B и RS2A / B. Полярность выходных контактов LTC2966, вне зависимости от того, установлены ли они на высокий или низкий уровень, определяется совмещением контактов PSA и PSB. В этом включении входные контакты LTC4368 определяют полярность выходных контактов LTC2966. Чтобы нагрузка была запитана, вывод UV должен быть больше 0,5 В, а вывод OV меньше 0,5 В.
Ограничение скорости нарастания тока di/dt
При наличии на тиристоре прямого напряжении в момент подачи управляющего импульса происходит открывание тиристора и через него начинает протекать ток. Этот ток начинает протекать в непосредственной близости от управляющего электрода и постепенно распространяется на всю площадь перехода. Поэтому если в начальный момент времени открытия тиристора скорость нарастания тока будет слишком велика, то его плотность вблизи управляющего перехода будет слишком высока, что вызовет перегрев, который может привести к выходу элемента из строя. Для того предотвращения подобных ситуаций скорость нарастания тока di/dt необходимо ограничивать. Поэтому в цепь анодную тиристора могут включатся небольшие реакторы. Для большинства тиристоров di/dt лежит в пределах 20-500 А/мкс.
Защита от перегрузки и Пускового тока
Применение защиты от перегрузки и пускового тока
Защита LTC4368 отвечает за перегрузки по току и также пускового тока. Компараторы внутри LTC4368 отслеживают падение напряжения на резисторе датчика тока R11. Компаратор максимального тока отключится, когда напряжение SENSE к VOUT превысит 50 мВ. При обратном прохождении потенциала, VOUT к VIN, компаратор максимального тока отключится, когда напряжение SENSE к VOUT превысит –3 мВ. В этом включении используется измерительный резистор 20 мОм, который настраивает пределы тока на +2,5 А и –150 мА.
Ограничение пускового тока позволяет запускать устройства без срабатывания максимальной токовой защиты в прямом направлении. R10 и C1 — элементы, ограничивающие пусковой ток. В этом случае пусковой ток ограничен до 1 А, что значительно ниже предельного значения прямого тока 2,5 А. Выбор C1 основан на желаемом предельном пусковом токе. R10 не позволяет C1 замедлить защиту от обратной полярности, стабилизирует схему быстрого понижения и предотвращает колебания во время короткого замыкания.
C4 — это конденсатор, который устанавливает задержку для повторного включения (сброса защиты) после перегрузки по току. Задержка повторной попытки — это время, в течение которого MOSFET остается на низком уровне после обнаружения перегрузки по току. В этом случае задержка повторной попытки составляет 250 мс. Резисторы на 10 Ом — R14 и R15 — добавлены к затворам MOSFET, чтобы предотвратить паразитные колебания схемы.
Ограничение скорости нарастания напряжения du/dt
При прямом падении напряжения к внешним переходам J1 и J3(структурная схема здесь) приложено прямое напряжение, а к переходу внутреннему J3 – обратное. Эквивалентной емкостью обладает J3, следствием чего станет протекание тока при подаче напряжения:
Где: СJ – емкость перехода.
Если скорость изменения напряжения на тиристоре будет слишком высокой, то ток перехода может достигнуть значения, которое достаточно для включения без подачи управляющего импульса. Такой эффект включения без управляющего импульса под действием du/dt может приводить к очень серьезным сбоям в работе не только преобразователя, но и устройств управляемых преобразователем.
Скорость изменения du/dt, допустимая, обычно находится в пределах 20-500 В/мкс. для защиты тиристора от непреднамеренных включений при больших du/dt применяют параллельные RC цепи.
Демонстрация работы защиты
Проведены лабораторные исследования прототипа и результаты показаны на графике. Перед активацией зажигания VIN превышает порог мониторинга 10 В, настроенный для канала A. Вывод UV LTC4368-2 подтягивается выше порога 500 мВ выводом OUTA LTC2966, что позволяет активировать путь питания и VOUT = VIN.
Полная нагрузка. Пуск машины
Во время запуска шина 12 В понижается до напряжения 6 В. Порог контроля падения напряжения (7 В) превышается, и OUTA немедленно отключает вывод UV LTC4368-2. LTC4368-2 в ответ подтягивает вывод GATE к низкому уровню, что вызывает отключение переключающего элемента и падение напряжения VOUT до 0 В. Гистерезис 3 В, запрограммированный резистивным делителем мониторинга напряжения, позволяет LTC2966 игнорировать пульсации на шине при включении стартера. В результате переключающий элемент остается выключенным до конца цикла запуска. Когда цикл запуска завершен, напряжение батареи восстанавливается до номинального значения превышающего пороговое значение 10 В. Вывод OUTA подтягивает вывод UV LTC4368-2 к питанию, и переключающий элемент снова подключается.
Защита от обратного напряжения
Тест защиты от обратного напряжения
На графике показано значение для резистора 1,96 кОм, ограничивающего ток на выходе силовых контактов LTC2966 при обратном напряжении. Входное напряжение было снижено с 0 В до -40 В. Выходной ток с контактов VINA и VINB ограничен до 20 мА, а напряжение на контактах VINA и VINB поддерживается на несколько сотен милливольт ниже уровня массы. Чип LTC2966 благополучно пережил это событие.
Ограничение пускового тока
На графике показан предел пускового тока, определяемый R10 и C1. Как и ожидалось, пусковой ток ограничен 1 А, а VOUT достигает 12 В без отключения предела перегрузки по току.
Активация защиты от перегрузки по току и отложенная повторная попытка
На графике далее показано, как LTC4368 реагирует на перегрузку по току в прямом направлении. Положительный ток перегрузки активирует компаратор в схеме, когда напряжение между линиями SENSE и VOUT превышает 50 мВ. Измерительный резистор там имеет сопротивление 20 мОм, что означает токовое ограничение до 2,5 А.
В этом примере ток продолжает увеличиваться до тех пор, пока не сработает максимальная токовая защита. Как и ожидалось, защита срабатывает при 2,5 А. LTC4368 отключает нагрузку от источника питания и ток падает до нуля. По истечении времени таймера, установленного LTC4368, схема повторно подключает нагрузку. Если перегрузки по току больше нет, нагрузка остается подключенной. В противном случае ситуация повторяется. Задержкой перед повторным подключением можно управлять с помощью контакта RETRY через конденсатор. Если не хотим, чтобы схема повторно подключала нагрузку, просто подключите контакт RETRY к земле. Тут время повтора установлено на 250 мс.
Пример расчета цепей ограничения di/dt и du/dt
Для регулирования выделяемой на резисторе мощности используют тиристор. Необходимо определить параметры защитных цепей. Uc = 400В, di/dt = 50 А/мкс, du/dt = 200 В/мкс. Схема показана ниже:
Итак, мы знаем, что напряжение на конденсаторе не меняется мгновенно, а также то, что полупроводниковый элемент имеет довольно большое внутреннее сопротивление в зоне низкой проводимости. Поэтому при замыкании Q схему можно заменить на эквивалентную:
Уравнения напряжений будут иметь вид:
Откуда:
Где Rш – сопротивление резистора в шунтирующей цепи.
Из предыдущей формулы следует, что di/dt будет иметь максимальное значение при i = 0:
Отсюда:
Напряжение на тиристоре:
Продифференцировав это уравнение по времени получим:
Или:
Выполнив преобразования получим:
Таким образом:
Если сопротивление Rш будет слишком малым, то это приведет к довольно большим потерям в нем. Из схемы выше можно увидеть, что в момент замыкания ключа Q абсолютно все напряжения источника питания до открытия тиристора будет приложено к конденсатору С. Это приведет к тому, что в момент открытия вентильного ключа произойдет резкий бросок тока, и его пиковое значение будет тем выше, чем меньше будет значение сопротивления Rш. Таким образом, сопротивление Rш может быть достаточным (с точки зрения токового ограничения), но слишком большим для ограничения du/dt. Емкость Сш, в свою очередь, то же выбирают небольшой, для того что бы предотвратить выход вентиля из строя при его открытии. Довольно частые значения Rш и Сш составляют 10 Ом и 0,1 мкФ. При известном значении Rш можно найти индуктивность реактора L:
Защита от обратной перегрузки по току
На графике показана реакция LTC4368 на переходной процесс от перегрузки по току. Компаратор обратного максимального тока определяет напряжение между выводами VOUT и SENSE. Пороговое значение напряжения для подтверждения обратной перегрузки по току зависит от версии чипа. Например LTC4368-1 будет работать при 50 мВ, а LTC4368-2 — при 3 мВ. Это устройство было разработано с использованием LTC4368-2. Измерительный резистор R11 имеет сопротивление 20 мОм, что устанавливает предел обратной перегрузки по току на 150 мА.
Срабатывание токовой защиты в обратном направлении
Когда на нагрузку идёт ток 100 мА, на VOUT подается скачок напряжения, так что VOUT больше, чем VIN. По мере увеличения VOUT ILOAD уменьшается. Шаг напряжения достаточно велик, чтобы заставить ток течь от нагрузки к источнику питания. Это продолжается до тех пор, пока обратный ток не достигнет 150 мА и не сработает компаратор обратного максимального тока. Когда он работает, вывод GATE опущен. Это изолирует нагрузку от сети и предотвращает дальнейшее протекание нагрузки по направлению к сети. LTC4368 будет поддерживать низкий уровень ключей, пока не обнаружит, что VOUT на 100 мВ ниже VIN.
Подведём итоги
Использование специализированных устройств может упростить реализацию схем безопасности в автомобилях. С минимальным количеством дополнительных цепей, микросхемы LTC2966 и LTC4368-2 были объединены для обеспечения точной, надежной и универсальной защиты от перенапряжения. А гибкость этих устройств позволяет настраивать их для использования во многих типах бортовых сетей авто. В простейшем же случае можно применить вот такую самодельную схему защиты, хотя конечно дорогое автомобильное оборудование и бортовой компьютер требуют более профессионального подхода.
Обзор семейств защитных тиристоров Pxxx0FNL и Pxxx0ME
Pxxx0FNL – серия защитных тиристоров SIDACtor с пиковым импульсным током 3 кА (импульсы 8/20 мкс IPP) и пиковым током 300 А в сетях 50/60 Гц (таблица 2). Диапазон рабочих напряжений (VDRM) для Pxxx0FNL составляет 58…350 В. Все тиристоры данной группы выпускаются в корпусном исполнении TO-262M.
Таблица 2. Характеристики защитных тиристоров SIDACtor серии Pxxx0FNL
| Наименование | VDRM (lDRM = 5 мкА), мин., В | VS (100 В/мкс), мин., В | Ih мин., мА | Is мин., мА | It мин., А | Vt (при lt = 2,2 А), мин., В | Емкость, пФ | di/dt, А/мкс | IPP (8/20 мкс), мин., А | ITSM (50/60 Гц), мин., А |
| P0640FNL | 58 | 77 | 50 | 800 | 2,2 | 4 | 250…550 | 330 | 3000 | 300 |
| P0720FNL | 65 | 88 | 50 | 800 | 2,2 | 4 | 250…550 | |||
| P0900FNL | 75 | 98 | 50 | 800 | 2,2 | 4 | 250…550 | |||
| P1100FNL | 90 | 130 | 50 | 800 | 2,2 | 4 | 250…450 | |||
| P1300FNL | 120 | 160 | 50 | 800 | 2,2 | 4 | 250…450 | |||
| P1500FNL | 140 | 180 | 50 | 800 | 2,2 | 4 | 250…450 | |||
| P1900FNL | 155 | 220 | 50 | 800 | 2,2 | 4 | 250…450 | |||
| P2300FNL | 180 | 260 | 50 | 800 | 2,2 | 4 | 250…450 | |||
| P2600FNL | 220 | 300 | 50 | 800 | 2,2 | 4 | 250…450 | |||
| P3100FNL | 275 | 350 | 50 | 800 | 2,2 | 4 | 250…450 | |||
| P3500FNL | 320 | 400 | 50 | 800 | 2,2 | 4 | 250…450 | |||
| P3800FNL | 350 | 430 | 50 | 800 | 2,2 | 4 | 250…450 |
Pxxx0ME – серия тиристоров с импульсным током 5 кА (импульсы 8/20 мкс IPP) и пиковым током 400 А в сетях 50/60 Гц. Представители семейства могут использоваться в диапазоне рабочих напряжений (VDRM) 140…450 В (таблица 3). Тиристоры Pxxx0FNL выпускаются в корпусном исполнении TO-218.
Таблица 3. Характеристики защитных тиристоров SIDACtor серии Pxxx0ME
| Наименование | VDRM (lDRM = 5 мкА), мин, В | VS (100 В/мкс), мин, В | Ih мин., мА | Is мин., мА | It мин., А | Vt (при lt = 2,2 А), мин., В | Емкость, пФ | di/dt, А/мкс | IPP (8/20 мкс), мин., А | ITSM (50/60 Гц), мин., А |
| P1500MEL | 140 | 180 | 50 | 800 | 2,2/25 | 4 | 400…650 | 630 | 5000 | 400 |
| P1900MEL | 155 | 220 | 50 | 800 | 2,2/25 | 4 | 400…650 | |||
| P2300MEL | 180 | 260 | 50 | 800 | 2,2/25 | 4 | 350…600 | |||
| P3800MEL | 350 | 430 | 50 | 800 | 2,2/25 | 4 | 350…500 | |||
| P4800MEL | 450 | 600 | 20 | 800 | 2,2/25 | 4 | 350…500 |
Если проанализировать характеристики данных семейств, то окажется, что они имеют несколько важных преимуществ перед другими элементами защиты от перенапряжений [1]:
- чрезвычайно малое напряжение в открытом состоянии по сравнению с газоразрядниками;
- минимальную разницу между рабочим напряжением и напряжением включения по сравнению с варисторами;
- высокое значение пиковых токов по сравнению с TVS-диодами;
- минимальную зависимость напряжения во включенном состоянии от тока по сравнению со всеми другими типами защитных элементов.
Рассмотрим особенности и примеры использования тиристоров SIDACtor.
