Управление питанием от Texas Instruments: защита, мониторинг, коммутация
В источниках питания любого типа важна защита цепей питания от перегрузок по току и напряжению, а также безопасное подключение источников питания к нагрузке. Среди предлагаемых компанией Texas Instruments решений для безопасной коммутации и мониторинга цепей питания есть как изделия для работы с внешними транзисторами, так и изделия нового поколения – электронные предохранители eFuse, содержащие встроенный силовой ключ.
Схема цепи питания электронного устройства состоит из источника питания и подключаемой нагрузки. Для безопасной и надежной работы устройства источник питания должен обеспечивать номинальный режим по току и напряжению в цепи. При аварийных ситуациях в цепи питания могут происходить как кратковременная, так и долговременная перегрузки по току, перенапряжение либо подача недостаточного для корректной работы напряжения питания, а также ошибочная смена полярности напряжения в результате неправильного подключения источника питания к нагрузке. Все эти события могут вызвать выход из строя питаемого устройства (нагрузки), а также силовых цепей источника питания, привести к локальному перегреву и даже возгоранию устройств. Международные стандарты регламентируют обязательное использование в цепях питания электронных устройств предохранительных приборов, обеспечивающих гарантированное отключение устройства от цепи питания при перегрузках для предотвращения возгорания в процессе эксплуатации.
Перегрузки по току и по напряжению в основном возникают в процессе подключения или отключения источника питания от нагрузки. Основная причина токовой перегрузки при подключении питания – повышенный пусковой ток (inrush current), значение которого может на порядок превышать номинальный ток. Типичный пример: момент подключения сетевого AC/DC-адаптера к электронному блоку, емкость входных цепей питания которого может составлять несколько тысяч микрофарад. Высокий пусковой неконтролируемый ток способен сжечь предохранитель в цепи питания (лучший вариант с позиции безопасности), вывести из строя входные цепи питаемого электронного блока, а также привести к выходу из строя выходных силовых транзисторов источника питания. Высокие пусковые токи могут возникать и в цепях питания мощных электроприводов. Проблема защиты питания от перегрузок особенно актуальна для следующих классов электронных устройств:
· электронные приборы с питанием от внешних сетевых AC/DC-адаптеров;
· электронные системы с «горячим» (hotswap) подключением сменных модулей (например, телекоммуникационное стоечное оборудование);
· периферийные компьютерные устройства, подключаемые к шине USB (например, внешние накопители на жестком диске);
· системы и приборы с резервными или альтернативными источниками питания (литиевый аккумулятор, сетевой адаптер, бортовая сеть автомобиля);
· источники бесперебойного питания, системы с его резервированием.
Во всех этих устройствах при работе возможно возникновение опасных переходных процессов в цепях питания.
Пассивные элементы защиты на дискретных элементах
Пассивные защитные элементы в цепях питания электронной аппаратуры используются уже несколько десятков лет и продолжают активно использоваться в настоящее время. К ним относятся:
· плавкие предохранители (защита по току);
· восстанавливаемые предохранители (защита по току);
· стабилитроны (защита от перенапряжения).
Причиной распространенности и популярности пассивных предохранителей является в первую очередь низкая цена и простота применения. Однако эти компоненты обладают определенными недостатками.
Рис. 1. Зависимость времени срабатывания плавких предохранителей от протекаемого тока
Основные недостатки плавких предохранителей
· Непредсказуемый момент срабатывания вследствие влияния многих неопределенных во времени факторов. В первую очередь от температуры окружающей среды, ресурса работы предохранителя и режимов работы. В итоге ток срабатывания может сильно отличаться от номинального, указанного на предохранителе.
· Медленное срабатывание. Есть быстрые (fast) и медленные (slow) плавкие предохранители. Процесс расплавления проводящей проволочки сверхтоком может произойти за время от единиц до десятков миллисекунд для fast и до несколько сот миллисекунд для предохранителей slow. Время срабатывания зависит от уровня токовой перегрузки (см. рисунок 1). Чем больше ток – тем быстрее происходит расплавление проволочки. Для предохранителя с номинальным током 0.5 А время срабатывания равно 1 мс при трехкратном превышении тока.
· Зависимость порога тока от окружающей температуры. Чем больше внешняя температура, тем меньше энергии требуется на расплав проволочки, и тем при меньшем токе сработает защита.
· Требуется замена перемычки после срабатывания.
· Питаемое устройство после срабатывания предохранителя остается без питания.
Основные недостатки самовосстанавливающихся предохранителей
· Значительное сопротивление в штатном режиме при номинальных токах. Работа предохранителя пассивного типа основана на локальном перегреве омической структуры сверхтоками, в результате чего увеличивается сопротивление и происходит ограничение тока. Потери энергии на них в два раза выше, чем на обычных плавких вставках.
· Низкая стойкость к импульсным перенапряжениям и сверхтокам. По мере воздействия таких импульсов на предохранитель PolySwitch, происходит деградация элементов, изменение их важных параметров (сопротивления в открытом состоянии и тока срабатывания) и выход из строя.
· Изменение токового порога срабатывания со временем вследствие неизбежной деградации структуры.
· Значительная зависимость тока срабатывания от температуры окружающей среды (см. рисунок 2). Порог срабатывания одного и того же предохранителя может колебаться в диапазоне от 40 до 140% от номинального тока, в зависимости от температуры (кривая С на рисунке 2).
· Сопротивление предохранителя увеличивается после каждого срабатывания, что приводит к дальнейшему увеличению потерь мощности.
Рис. 2. Зависимость тока срабатывания самовосстанавливающихся предохранителей от температуры
Электронные предохранители e-Fuse
Недостатков, присущих пассивным схемам защиты, полностью лишены активные или, как их еще называют, электронные предохранители серии eFuse производства компании Texas Instruments. По сути, электронный предохранитель представляет собой схему полевого ключа с низким сопротивлением открытого канала, интегрированной схемой управления и цепями мониторинга уровня проходящего тока и входного напряжения. Структурная схема электронного предохранителя eFuse приведена на рисунке 3.
Рис. 3. Структура электронного предохранителя eFuse
Схема включается в разрыв цепи питания и обеспечивает защиту цепей нагрузки от повышенного пускового тока, тока короткого замыкания, бросков входного напряжения, пониженного напряжения, а также от ошибочной смены полярности напряжения на входе.
Пороги могут устанавливаться внешними цепями (резисторами или резистивным делителем напряжения) или, например, с выходного порта микроконтроллера, осуществляющего мониторинг состояния цепей питания устройства или системы. Срабатывание электронного предохранителя происходит автоматически при обнаружении одного из заданных тревожных событий: превышения заданного уровня тока, снижения уровня входного напряжения ниже нормы, превышения уровня напряжения выше нормы, ошибочной полярности напряжения на входе.
Выпускаются электронные предохранители как со встроенным ключом, обеспечивающим работу в цепях с током до 12 А, так и для применения с внешним силовым транзистором. Предохранитель eFuse с внешним ключом обеспечивает больший уровень коммутируемого тока. Кроме того, в зависимости от заданного типа защиты в предохранителях может быть использован один из сценариев защиты: автоматическое восстановление коммутации после пропадания аварийной ситуации или же защелка аварийного события. Во втором случае для возвращения в нормальный режим работы требуется перезапуск источника питания при участии оператора или под управлением микроконтроллера, производящего мониторинг цепей питания.
Электронные предохранители eFuse со встроенным ключом
Предохранители со встроенным полевым транзистором предназначены для защиты цепей питания в диапазоне от 2.5 до 20 В с током до 12 А. Устройства данного типа можно разделить на три сегмента: с фиксированным рабочим напряжением ( TPS2592A / B / Z ), с широким диапазоном рабочих напряжений ( TPS25910 ) и с возможностью измерения протекающего через них тока ( TPS24750 / 1 ).
В таблице 1 приведены основные параметры микросхем электронных предохранителей e-Fuse со встроенным MOSFET-транзистором.