РадиоКот :: Надёжная токовая защита для БП и ЗУ на IR2153 и электронном трансформаторе.

2 сентября 2013

Промышленные установки и автомобильное оборудование являются мощными источниками помех. Поэтому необходимо обеспечивать защиту линий питания устройств от бросков напряжения, перегрузок по току, неверной полярности питающих напряжений, электростатических разрядов. Существует несколько способов защиты:

  • использование компонентов со встроенной защитой от аварийных ситуаций;
  • построение внешних схем защиты на дискретных компонентах;
  • использование внешних специализированных микросхем активной защиты.

Использование микросхем со встроенной защитой не всегда возможно, так как они имеют более высокую стоимость и не способны справляться с мощными помехами. В жестких условиях промышленной и автомобильной электроники использование внешних цепей остается единственным надежным способом избежать повреждения оборудования.

Схема защиты от помех на дискретных элементах и ее недостатки

Типовая схема защиты на дискретных компонентах (рисунок 1) позволяет достаточно эффективно бороться со всеми типами помех. Для защиты от перенапряжений используют TVS-диод (D2), либо варистор (R2). Защиту от перегрузки по току обеспечивает предохранитель (FU1), или термистор (R1). Диод (D1) необходим на случай неправильной полярности питающего напряжения и для защиты от импульсов обратной полярности. Помехи от переключений нагрузок фильтруются при помощи конденсатора (С1).

РадиоКот :: Надёжная токовая защита для БП и ЗУ на IR2153 и электронном трансформаторе.

Рис. 1. Схема защиты на дискретных компонентах

Реализация защиты на дискретных элементах имеет следующие преимущества: низкую стоимость, простоту монтажа, высокую степень защиты от самых мощных помех. Однако, есть и недостатки (таблица 1).

Таблица 1. Недостатки дискретной защиты

Тип защиты Реализация Недостатки
Защита от перенапряжения TVS-диод Величина напряжения ограничения зависит от мощности помехи Микросхемы питания устройства должны иметь широкий диапазон входных напряжений
Варистор Величина напряжения ограничения зависит от мощности помехи Большое время срабатывания
Защита от перегрузки по току Предохранитель Необходимость замены при выгорании
Термистор Большая рассеиваемая мощность Повышение нижнего порога питающего напряжения
Защита от неверной полярности питающего напряжения Диод Большая рассеиваемая мощность Повышение нижнего порога питающего напряжения

Недостатки защиты от перенапряжений с помощью TVS-диодов (D2) достаточно очевидны. Дело в том, что ВАХ TVS-диода (рисунок 2а) имеет наклон в области ограничения. Величина напряжения ограничения (Uогр) зависит от величины тока, а значит — и от мощности помехи. Так у TVS-диода SM6T30A напряжение пробоя Uпр = 28,5 В, а напряжение ограничения Uогр = 41,5 В при токе 14,5 А. Соответственно, сама микросхема питания, имея рабочее напряжение до 28,5 В, должна выдерживать пульсации до 41,5 В.

РадиоКот :: Надёжная токовая защита для БП и ЗУ на IR2153 и электронном трансформаторе.

Рис. 2. ВАХ TVS диода (а) и варистора(б)

Аналогичным недостатком обладает варистор, у которого еще более пологая ВАХ (рисунок 2б), в результате разница между рабочим напряжением и напряжением ограничения еще больше, чем в случае с TVS.

Плавкие предохранители (F1), используемые для защиты от перегрузки по току, требуют ручной замены в случае выхода из строя, что весьма проблематично, так как для этого необходим обслуживающий персонал. При использовании термистора (R1), на нем выделяется большая мощность, если прибор потребляет большой ток.

Диод D1, защищающий схему от неверной полярности питания, имеет два главных недостатка. Во-первых, при протекании прямого тока на нем выделяется большая мощность. Нетрудно подсчитать, что при токе в 10 А на диоде Шоттки (Uпр = 0,5 В) выделится 5 Вт. Отвод тепла в этом случае станет серьезной задачей. Во-вторых, падение напряжения увеличит минимальный порог входного напряжения. Так, например, если микросхема питания защищаемого устройства работает в диапазоне 7…30 В, то падение напряжения на диоде (Uпр = 0,5 В) приведет к тому, что минимальное входное напряжение увеличится до 7,5 В.


МАЛОМОЩНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

РадиоКот :: Надёжная токовая защита для БП и ЗУ на IR2153 и электронном трансформаторе.


Долго решал какой усилитель использовать для маломощных акустических систем. Как дешевый вариант вначале решил использовать микросхемы TDA2030, потом подумал, что 18-ти ватт на канал маловато и перешел к TDA2050 — умощненный аналог на 32 ватта. Затем сравнив звучание основных вариантов выбор впал на любимую микросхему — LM1875, 24 ватта и качество звучания на 2-3 порядка лучше, чем у первых двух микросхем.

РадиоКот :: Надёжная токовая защита для БП и ЗУ на IR2153 и электронном трансформаторе.

Долго копался в сети, но печатную плату под свои нужды так и не нашел. Сидя за компом несколько часов была создана своя версия для пятиканальноо усилителя на микросхемах LM1875, плата получилась довольно компактной, на плате также предусмотрен блок выпрямителей и фильтров. Этот блок был полностью собран за 2 часа — все компоненты к тому времени имелись в наличии.

РадиоКот :: Надёжная токовая защита для БП и ЗУ на IR2153 и электронном трансформаторе.

Метод активной защиты от мощных помех

Активная схема защиты от помех лишена недостатков дискретной схемы. Суть данного решения заключается в том, что неэффективные элементы (диоды, предохранители) заменяются транзисторами (рисунок 3), управление которыми осуществляется при помощи дополнительных интеллектуальных элементов.

РадиоКот :: Надёжная токовая защита для БП и ЗУ на IR2153 и электронном трансформаторе.

Рис. 3. Упрощенная схема активной защиты

Транзистор VT2 заменяет TVS-диод D2 (рисунок 1) и служит для защиты от перенапряжений. Система защиты постоянно контролирует входное напряжение. Как только входное напряжение превысит пороговое значение, схема защиты отключает транзистор VT2. При этом, возможно несколько вариантов повторного включения (рисунок 4).

РадиоКот :: Надёжная токовая защита для БП и ЗУ на IR2153 и электронном трансформаторе.

Рис. 4. Активная защита от перенапряжений

1. Без автоматического включения — включение транзистора произойдет только после сброса схемы защиты, либо после повторной подачи питания (рисунок 4а).

2. С автовключением — в этом случае происходит автоматический сброс схемы защиты по истечении таймаута Tretray и транзистор включается вновь (рисунок 4б).

3. Схема с активным ограничением напряжения. Транзистор включается только после того, как напряжение вернется в допустимый диапазон с учетом гистерезиса (рисунок 4в).

Очевидно, что главный недостаток TVS-диода устраняется — напряжение ограничения может быть задано с точностью до милливольт.

Защита от перегрузки по току осуществляется с помощью VT2. Как и в случае с перегрузкой по напряжению, при превышении значения допустимого тока схема защиты выключает транзистор VT2. Повторное включение также возможно различными способами: с автоматическим включением после таймаута (рисунок 5а), без автоматического включения (рисунок 5б), с активным ограничением тока (рисунок 5в). Таким образом, отпадает необходимость менять сгоревший предохранитель. Малое значение сопротивления шунта уменьшает выделение тепла и не повышает нижний порог напряжения, в отличие от термисторов.

РадиоКот :: Надёжная токовая защита для БП и ЗУ на IR2153 и электронном трансформаторе.

Рис. 5. Активная защита от перегрузки по току

Защита от отрицательных выбросов напряжения и от неверной полярности питания реализована с помощью транзистора VT1 (рисунок 2) вместо диода VD1 (рисунок 1). При работе в нормальном режиме транзистор открыт. Благодаря низкому сопротивлению канала, потери мощности и падение напряжения на нем гораздо меньше, чем на диоде.

Помимо прочего, можно контролировать и нижний порог входного напряжения. При понижении входного напряжения ниже допустимого уровня транзистор VT2 отключается. С одной стороны, это дает дополнительную защиту от короткого замыкания, с другой — позволяет разрешать работу устройств только в жестко заданном диапазоне входных напряжений.

Следует четко понимать, что, хотя схема активной защиты по ряду параметров превосходит схему на дискретных элементах, она все же не может в одиночку обеспечить надежную защиту в жестких условиях. Поэтому для защиты от самых мощных помех необходимо использовать дополнительные дискретные элементы.

Компания Maxim Integrated выпускает несколько линеек микросхем активной защиты для различных областей, таких как промышленные приложения, автомобильная техника, потребительская электроника.

↑ Сборка устройства защиты акустических систем

Перед началом сборки подготовьте радиодетали согласно представленному выше перечню элементов.


Исключён фрагмент. Полный вариант статьи доступен меценатам и полноправным членам сообщества. Читай условия доступа.

После окончания сборки не торопитесь включать устройство, а займитесь проверкой монтажа в соответствии со схемой (рис. 6). При этом особое внимание обратите на отсутствие перемычек между токоведущими дорожками, холодных паек (недостаточное пропаивание контакта элемента с печатной платой). Если таковые имеются, удалите их с помощью паяльника. Проверьте правильность установки полярных электролитических конденсаторов, транзисторов, диода и стабилитрона. Внешний вид устройства защиты акустических систем, собранного племянником Алексеем, показан в аннотации статьи. У меня работает промежуточный вариант устройства защиты с реле РЭС22.

Микросхемы защиты от мощных помех в промышленной и коммерческой электронике

Maxim Integrated постоянно расширяет спектр интегральных микросхем для защиты линий питания. Новые образцы для промышленной и коммерческой электроники (таблица 2), имеют в своем составе встроенные ключи, что упрощает схему (рисунок 6) и уменьшает занимаемую площадь.

Таблица 2. Защитные микросхемы для промышленных и коммерческих приложений

Наименование Диапазон входных напряжений, В Максимальный ток, А Сопротивление, мОм Особенности Корпус
MAX14586 MAX14590 2,2…36 3 40 Защита от перенапряжений Программируемый уровень перенапряжения Встроенная установка уровня перенапряжения 7 В (MAX14586) и 15 В (MAX14590) Защита от перегрева Система плавного включения 8 TDFN-EP
MAX14571 MAX14572 MAX14573 4,2…36 4,2 100 Программируемый уровень перенапряжения Программируемый уровень тока Программируемый нижний порог напряжения Выход состояния FAULT Работа в режиме автовключения (MAX14571) Работа в режиме без автовключения (MAX14572) Работа в режиме ограничения тока (MAX14573) Защита от перегрева 14 TSSOP-EP
MAX14588 4,5…36 1 190 Программируемый уровень перенапряжения Программируемый уровень тока Программируемый нижнижний порог напряжения Выход состояния FAULT Работа в режиме автовключения (CLTS2 = 0, CLTS1 = 1) Работа в режиме без автовключения (CLTS2 = 0, CLTS1 = 0) Работа в режиме ограничения тока (CLTS2 = 1) Защита от перегрева 16 TQFN-EP
MAX14575 2,3…5,5 2,5 32 Программируемый уровень тока Защита от обратного тока и короткого замыкания З ащита от перегрева Работа в режиме автовключения (MAX14575A, MAX14575AL) Работа в режиме без автовключения (MAX14575B) Работа в режиме ограничения тока (MAX14575C) 8 TDFN-EP

РадиоКот :: Надёжная токовая защита для БП и ЗУ на IR2153 и электронном трансформаторе.

Рис. 6. Применение специализированной микросхемы со встроенным ключом на примере MAX14575

Серия MAX14571/72/73 представляет собой интеллектуальные микросхемы с полным комплектом защитных механизмов (рисунок 6):

  • Защита от перегрузки по току имеет программируемый уровень тока ограничения (вплоть до 4,2А). Уровень тока задается резистором R5. MAX14571 работает в режиме автовключения (рисунок 3а), MAX14572- в режиме без автовключения (рисунок 3б), а MAX14573- в режиме ограничения тока (рисунок 3в).
  • Защита от перенапряжения позволяет задавать уровень напряжения ограничения с помощью резистивного делителя R3/R4. Это позволяет защищать устройства с различными уровнями питания 4,2…36В.
  • Защита от пониженного напряжения питания позволяет задавать окно рабочих напряжений.
  • Все микросхемы имеют встроенную защиту от перегрева.
  • Дополнительной особенностью является защита от обратно протекающего тока.

Выход ошибки FAULT позволяет судить о состоянии микросхемы.

Для расширения защитного диапазона напряжений на входе необходимо разместить пару встречных TVS-диодов. Это особенно важно для промышленных модульных систем, в которых используется «горячее» подключение устройств. Так, например, для питающего напряжения 24 В импульсы при подключении могут превосходить 40 В.

Помимо низковольтного входа разрешения работы (EN) микросхемы имеют и высоковольтный вход (HVEN), который может управляться внешней системой.

Широкий диапазон обеспечиваемых напряжений питания позволяет применять эти микросхемы в промышленных системах (в том числе — с напряжениями 24 В), в бытовой электронике и в устройствах с батарейным питанием.

Микросхема MAX14588 по своим характеристикам и защитным механизмам близка к семейству MAX14571/2/3, но имеет еще большие возможности. Главная ее особенность — возможность программирования режима работы при перегрузках по току (таблица 2). При помощи дополнительных входов (CLTS1, CLTS2) можно установить режим как с ограничением тока, так и с защитным отключением (с автовключением, либо без него). Столь обширные защитные и интеллектуальные возможности позволяют применять данную микросхему в системах промышленных датчиков, системах сбора информации, автоматического контроля и др.

Микросхемы MAX14586 и MAX14590 разработаны специально для портативных устройств (планшеты, смартфоны). Мобильные устройства всегда имеют разъем для подключения зарядного устройства, на котором при подключении/отключении (особенно в процессе заряда батареи) могут генерироваться большие выбросы напряжения.

MAX14586 и MAX14590 обеспечивают защиту от перенапряжений. Уровень ограничения задается внешним делителем. При необходимости можно использовать интегрированный делитель — при этом напряжение ограничения составляет 7 В (MAX14586) и 15 В (MAX14590).

Микросхемы отвечают специфическим требованиям мобильных устройств: работают с питающими напряжениями вплоть до 2,2 В; выпускаются в миниатюрном высокоэффективном TDFN-корпусе; имеют низкое собственное потребление; требуют минимума внешних компонентов; имеют возможность плавного пуска.

Микросхемы MAX14575x представляют собой устройства с защитой от перегрузки по току, предназначенные для защиты внешних интерфейсов (например, USB). Уровень ограничиваемого тока задается с помощью одного внешнего резистора. Малый размер корпуса, низкое потребление (130 мкА), минимальное сопротивление ключа (32 мОм) позволяют использовать MAX14575 в мобильных и портативных устройствах. Варианты MAX14575 имеют различные режимы ограничения тока (таблица 2).

Способы защиты от помех в промышленной и автомобильной электронике похожи, однако имеется ряд отличий. Требования к автомобильной электронике описываются в отдельных стандартах.

↑ Включаем!

Первое включение всегда показательно. Включаю усилитель, слышен щелчок сработавших реле устройства защиты, дальше тишина. Хотя все узлы «гонял» по отдельности, еще раз измеряю напряжения питания и нули на выходах: все в порядке. Отвлекаюсь на дела и только через полчаса начинаю прослушивание. Звучит усилитель хорошо, отдавая в нагрузку сопротивлением 6 Ом около 20 Вт. Работает чисто и прозрачно, доставляя удовольствие от прослушивания. Однако не следует забывать, что усилитель на LM1875 представляет собой систему начального уровня (лучшее из простого) и есть куда расти и развиваться.


Еще раз напомню, что вместо LM1875

можно применить и другие микросхемы, указанные в табл. 1 первой части статьи; при этом напряжение питания двухполярного источника должно составлять ±22 В для TDA2050, ±16 В для TDA2030, TDA2040 и ±12 В для TDA2006.

Настоятельно советую повторить этот проект всем желающим, чтобы приобрести опыт и построить неплохой усилитель для радиокомплекса. Не случайно девизом проекта я выбрал слоган «Не мечтай, действуй!» .

Требования стандарта ISO7637 к автомобильной электронике

Одним из основных стандартов автомобильной электроники является ISO7637. Стандарт применим к электронному и электрическому оборудованию, установленному на борту легковых пассажирских и коммерческих автомобилей с бортовой сетью 12 и 24 В. Документ состоит из трех частей. Вторая часть (ISO7637-2) классифицирует автомобильное оборудование по устойчивости к помехам, распространяемым по линиям питания.

Стандарт определяет схемы проведения испытаний, типы тестовых воздействий (помех), измерительное оборудование и сами методы измерений. Заданные типы воздействий (таблица 3) призваны имитировать реальные ситуации, происходящие в автомобильной бортовой сети.

Таблица 3. Краткое описание тестовых импульсов

Тип Описание Амплитуда (12 В/24 В), В Число импульсов или время теста Длительность, с
мин. макс. мин макс
1 Выброс обратной полярности. Возникает, например, когда устройство и включенная параллельно ему индуктивность совместно отключаются от питающей сети. -75/-450 -100/-600 5000 импульсов 0,5 5
2a Выброс положительной полярности. Если несколько устройств подключены к питанию одним высокоиндуктивным проводом, то отключение одного из них вызовет скачок напряжения на другом. +37/+37 +50/+50 5000 импульсов 0,2 5
2b Импульсы положительной полярности. Возникают, когда после выключения двигателя постоянного тока он продолжает некоторое время вращаться и работать в режиме генератора. +10/+20 +10/+20 10 импульсов 0,5 5
3a По природе аналогичен импульсу 1, но имеет более короткую длительность и меньшую энергию. Также возникает в результате коммутационных процессов. -112/-150 -150/-200 1 час 0,09 0,1
3b По природе аналогичен импульсу 2а, но имеет более короткую длительность и меньшую энергию. Также возникает в результате коммутационных процессов. +75/+150 +100/+200 1 час 0,09 0,1
4 Представляет собой «просадку» питающего напряжения. Возникает, например, при заводе холодного двигателя. -6/-12 -7/-16 1 импульс не чаще 1 в минуту не чаще 1 в минуту
5a Имитирует аварийное отключение (обрыв) аккумулятора при работающем генераторе. Система без защитных диодов на генераторе +65/+123 +87/+173 1 импульс 0,04 0,4
5b Имитирует аварийное отключение (обрыв) аккумулятора при работающем генераторе. Система со встроенными защитными ограничивающими диодами +65/+123 +87/+173 1 импульс не чаще 1 в минуту не чаще 1 в минуту

Стандарт описывает параметры импульсов (амплитуду, длительность), их количество. По результатам испытаний на устойчивость к каждому типу помех устройству присваивается уровень защищенности (таблица 4).

Таблица 4. Классификация устройств по защищенности от помех по питанию

Класс Описание
A Все свойства прибора сохраняются в течение тестирования и после его завершения.
B Все свойства прибора сохраняются в течение тестирования. Однако один или несколько параметров могут выйти за границы заданной точности. Все функции автоматически возвращаются в заданные рамки после снятия воздействия. Функции памяти должны соответствовать классу А.
C Прибор не способен выполнять одну или несколько своих функций в течение испытаний. Однако при снятии воздействий все функции автоматически восстанавливаются.
D Прибор не способен выполнять одну или несколько своих функций в течении испытаний. Функциональность восстанавливается по истечении испытаний, но только после ручного сброса оператором/пользователем.
E Прибор не способен выполнять одну или несколько своих функций в течении испытаний. Функциональность не восстанавливается после испытаний. Восстановление возможно только после ремонта или замены прибора.

Стоит отметить, что в автомобилях основная защита от коротких замыканий всегда осуществляется предохранителями. В итоге необходимость в защите от перегрузки по току не нормируется стандартом.

Стандарт достаточно строг, но использование защитных микросхем Maxim Integrated позволяет обеспечить требуемый уровень защиты.


Что такое электрическое перенапряжение?

«Электрическое перенапряжение» (в англ. терминологии — electrical overstress) — общее понятие, описывающее систему, которая испытывает перегрузку от слишком большого количества электронов (в общем понимании, энергии внешнего воздействия), пытающихся проникнуть в ее схему. Здесь важно помнить, что электрическое перенапряжение представляет собой функцию мощности и времени.


Это дает возможность абстрагировать сложную схему, представив ее как один простой компонент, рассеивающий энергию, — например, резистор. Представьте воздействие напряжения в 1,1 В на резистор 1 Ом с номинальной рабочей мощностью 1 Вт. Уравнение для рассеиваемой мощности

P = V2/R

показывает, что на резисторе при таком воздействии мы имеет 1,21 Вт рассеиваемой мощности. Несмотря на то, что резистор рассчитан на 1 Вт, он, и это вполне вероятно, имеет некоторый заложенный в его конструкцию изготовителем технологический запас, поэтому способен вынести такую перегрузку как минимум в течение некоторого времени. Однако поскольку мы — инженеры, то должны сказать здесь «вероятно», а не «гарантированно».

А что произойдет, если мы увеличим напряжение до 2 В? Сэкономленные на этом резисторе деньги превратят его для вас в своеобразный обогреватель, пусть даже такая перегрузка действует в течение очень ограниченного периода. Напомню, что мощность зависит от квадрата напряжения V2/R, и в данном случае (по сравнению с предыдущим примером) на нашем резисторе будет рассеивается в четыре раза больше мощности!

Ну а что будет, если увеличить напряжение на резисторе до 10 В, но только на время, например на 10 мс? То есть здесь мы имеем дело с импульсом, причем определенной формы, поскольку необходимо учитывать не только его амплитуду, но и скорость нарастания и спада. И вот тут-то все становится интересным. В этом случае уже невозможно просто рассказать об эффектах такого воздействия, не понимая его влияния и того, к чему оно приводит в конкретном приложении. Поняв это, мы сможем применить полученные знания ко всей системе.

Микросхемы защиты от мощных помех в автомобильной электронике

Инженеры Maxim Integrated с учетом требований стандарта выпустили специальную линейку микросхем активной защиты для автомобильной электроники (таблица 5). Микросхемы рассчитаны на защиту мощных потребителей. Для повышения мощности используется пара внешних транзисторов. Один из транзисторов необходим для защиты от переполюсовки аккумулятора.

Таблица 5. Защитные микросхемы для автомобильной электроники

Наименование Нпряжение ограничения, В Тип защиты от перенапряжений Особенности Корпус
MAX16126 подстраиваемое 3…30 В ограничение Есть выход ошибки FAULT 12 TQFN-EP
MAX16127TCA выключение с автозапуском Защита от перегрева
MAX16127TCB выключение с одним перезапуском Защита от обратной полярности батареи
MAX16127TCC выключение с тремя перезапусками Защита от низкого уровня напряжения
MAX16127TCD выключение
MAX16128 13,64; 15; 18,6; 20,93; 24,16; 28,66; 31,62 выключение с автозапуском Есть выход ошибки FAULT 8 uMAX
выключение с одним перезапуском Защита от перегрева
выключение с тремя перезапусками Защита от обратной полярности батареи
выключение Защита от низкого уровня напряжения
MAX16129 ограничение Защита от холодного запуска двигателя

Микросхемы MAX16126/ MAX16127 могут работать в автомобилях с бортовой сетью как 12 В, так и 24 В. Уровень рабочих напряжений составляет 3…30 В. В таких же диапазонах могут задаваться значения напряжений ограничения (максимально и минимально допустимые напряжения).

Максимально допустимое напряжение задает делитель R1/R2 (рисунок 7).

РадиоКот :: Надёжная токовая защита для БП и ЗУ на IR2153 и электронном трансформаторе.

Рис. 7. Схема защиты для автомобильной электроники

Интересной особенностью MAX16127 является то, что данный делитель подключается непосредственно к выходу. Такая схема позволяет контролировать непосредственно уровень выходного напряжения. В результате при работе в режиме с автовключением защищаемое устройство получает питание даже при постоянном перенапряжении. Существуют модификации, работающие в различных режимах в условиях перенапряжения (таблица 5). В микросхеме MAX16126 реализован метод ограничения напряжения в случае перегрузки (см. рисунок 4в).

Делитель R3/R4 задает минимальное значение входного напряжения.

Дополнительными особенностями микросхем является защита от обратной полярности батареи при помощи VT 1 (рисунок 7) и защита от перегрева.

Для расширения защитного диапазона необходимо использовать пару встречных TVS-диодов. Это позволяет расширить диапазон -36…+90 В.

Микросхемы MAX16128/ MAX16129 сходны с микросхемами MAX16126/ MAX16127. Однако они имеют две основные особенности:

1. Уровень ограничения напряжений жестко задан и отражается в маркировке микросхемы. Первый суффикс определяет уровень ограничения от перенапряжений. Второй суффикс отражает минимально допустимое напряжение питания. Отсутствие внешних резистивных делителей позволяет уменьшить число внешних компонентов и сократить занимаемую площадь.

2. Защита от холодного пуска позволяет отключать транзистор, как только напряжение питания просядет до величины, меньшей чем заданное значение. Уровень ограничения задается жестко и отражается при помощи третьего суффикса в маркировке микросхемы.

Как защитить свои микросхемы от этой надвигающейся угрозы?

Как вы понимаете, здесь настолько много вариантов, что простое решение не может быть применено ко всем вероятным ситуациям. Ниже приведен список факторов, которые будут определять, выдержит компонент РЭА событие в виде электрического перенапряжения или нет. Список разделен на две группы: не зависящие от нас факторы, которые мы не можем контролировать, и факторы, которые мы не только можем, но и должны контролировать.

Факторы, которые мы не можем контролировать:

  • Форма испытательного сигнала, определенная МЭК. Все виды воздействий импульса разрядного тока испытательного генератора на проверку устойчивости к электростатическому контактному разряду, представление электрических быстрых переходных процессов (пачек) и импульс при испытании на устойчивость к выбросу напряжения имеют совершенно разные профили, поэтому они будут использовать определенные недостатки устройств, на которые они по­разному воздействуют.
  • Технологический процесс и сама технология рассматриваемого компонента. Некоторые технологии изготовления микросхем более уязвимы для блокировки, чем другие. Например, процессы КМОП (CMOS) наиболее подвержены блокировке, но существуют способы смягчения этой опасности посредством тщательного проектирования и технологии изоляции канавками с диэлектрическим материалом (структура ИС с щелевой изоляцией), используемые во многих современных процессах.
  • Внутренняя структура устройства. Существует так много способов разработки ИС, что схема защиты, пригодная для одной ИС, окажется бесполезной для другой. Например, многие устройства имеют схемы синхронизации, включающие защитные структуры при обнаружении достаточно быстрого сигнала. То есть устройство, которое «выживет» после разряда статического электричества, «погибнет», если вы добавите достаточную емкость к месту воздействия. Этот ответ нелогичен, но его очень важно понять: проблема в том, что общий метод защиты схемы путем использования RC­фильтра может здесь не решить, а лишь усугубить проблему.

Факторы, которые мы можем контролировать:

  • Компоновка элементов и разводка цепей подключения на печатной плате. Чем ближе радиоэлементы окажутся к месту воздействия перенапряжения, тем выше вероятность получения ими сигнала более высокой энергии. Это происходит потому, что, когда воздействующий сигнал (в виде тока или напряжения) распространяется по дорожке печатной платы, его энергия рассеивается в виде электромагнитного излучения по пути его распространения. Кроме того, энергия импульса перенапряжения переходит в тепло, обусловленное сопротивлением пути его распространения, поглощается паразитными емкостями, а часть энергии импульса через емкостную и индуктивную связь попадает на соседние проводники.
  • Схема защиты. Именно здесь мы можем оказать наиболее существенное влияние на обеспечение живучести нашего конечного устройства.

Понимание того, как максимально эффективно разработать схему защиты, даст нам вышеперечисленное — именно то, что мы не можем контролировать.

Микросхемы защиты токовой петли

Кроме защиты линий питания, необходимо защищать сигнальные входы/выходы.

Одна из проблем промышленного оборудования — защита токовых датчиков (рисунок 8). Для защиты токовых петель создана микросхема MAX14626. Она имеет встроенный транзистор и схему защиты от перегрузки по току. Ток ограничения составляет 30 мА. Широкий диапазон напряжений (2,3…40 В) и низкое потребление (50 мкА) позволяют применять микросхему в мобильных устройствах.

Рис. 8. Схема защиты токовой петли

Помимо защиты от перегрузки по току, имеется защита от перенапряжений, которая обеспечивается интегрированными защитными диодами. Защита от перегрева и от неверной полярности напряжения делают микросхему более живучей в промышленных условиях.

MAX14626 выпускается в 6-TDFN-корпусе для рабочего диапазона температур -40…85°С.

↑ Дополнения

[24-06-2015] Как подключить устройство защиты (рис. 5) к мостовому УМЗЧ?Александр (Allroy)


не только задал вопрос, но и испытал предложенное решение на практике, за что ему большое спасибо.

На рисунке схематично показано подключение двух мостовых усилителей, питаемых от двухполярного источника, к устройству защиты АС.

РадиоКот :: Надёжная токовая защита для БП и ЗУ на IR2153 и электронном трансформаторе.


Выводы 2, 3, 6 и 7 устройства защиты АС оставляем свободными. Выход 1-1 (2-1) мостового УМЗЧ 1 (УМЗЧ 2) соединяем с выводом 4 (8) устройства защиты АС. Вывод 1 (5) устройства защиты АС соединяем с соответствующей клеммой для подключения АС. Другую клемму для подключения АС соединяем с выходом 1-2 (2-2) мостового УМЗЧ.

Между выходом 1-2 (2-2) мостового УМЗЧ и конденсатором С5 (С6) устройства защиты АС включаем дополнительный резистор, сопротивление которого не должно быть равно сопротивлению резистора R12 (R13). Выберем сопротивление дополнительного резистора, например, 18 кОм (см. описание схемы защиты усилителя «Бриг», рис. 1).

Внешняя защита от статического электричества

Как показывает практика, главным разрушающим фактором, помимо мощных помех, являются электростатические разряды. Они возникают при сближении разнозаряженных элементов. Например, при подключении/отключении устройств или при прикосновениях. Известно, что человек в кожаной обуви при ходьбе генерирует электрическое напряжение 25 кВ. Очевидно, что в промышленной и автомобильной технике вращающиеся и трущиеся части механизмов создают колоссальные статические заряды. Статика приводит к катастрофическим для электроники последствиям. Пробой затворов транзисторов, деградация полупроводников и даже разрушение контактных соединений — вот лишь часть возможных повреждений.

Надежным и доступным способом защиты от электростатики являются защитные диоды. Компания Maxim Integrated выпускает широкий спектр дискретных элементов защиты (таблица 6).

Таблица 6. Защитные диодные сборки Maxim

Наименование Число каналов Рабочее напряжение, В Входная емкость, пФ Корпус Область применения
MAX3202E 2 0,9…5,5 5 4WLP USB, USB2.0
MAX3203E 3 6TDFN-EP Ethernet
MAX3204E 4 FireWire
MAX3206E 6 SVGA
MAX3205E 6 2 9WLP, 16TQFN-EP DVI
MAX3207E 2 6SOT23 USB, USB2.0
MAX3208E 4 10uMAX, 16TQFN-EP FireWire

MAX3202/3/4/6 соответствуют уровню защиты от следующих уровней разрядов: ±15 кВ (Human Body Model), ±8 кВ (IEC 61000-4-2, Contact Discharge), ±15 кВ (IEC 61000-4-2, Air-Gap Discharge). Применяются для высокоскоростных интерфейсов (таблица 5).

MAX3205/7/8 предназначены для защиты высокоскоростных дифференциальных интерфейсов. Имеют расширенный диапазон рабочих температур -40…125°С. Уровень защиты соответствует: ±15 кВ (Human Body Model), ±8 кВ (IEC 61000-4-2, Contact Discharge), ±15 кВ (IEC 61000-4-2, Air-Gap Discharge).

Что подвержено электрическому перенапряжению?

В общем, все, что имеет внутри ту или иную электронику, подвержено электрическому перенапряжению. Особенно уязвимы те части, которые взаимодействуют с внешним миром, так как они, вероятно, в первую очередь подвергнутся электростатическому разряду (electrostatic discharge, ESD), последствиям от удара молнии и т. д. В этом плане нас интересуют такие системные компоненты, как USB-порты, аналоговые входы осциллографов и даже порт зарядки новейших высокопроизводительных блендеров на основе технологии «Интернета вещей» (Internet of Things, IoT).

Литература

1. Robert Regensburger. APPLICATION NOTE 4240. Active High-Voltage Transient Protectors Trump Conventional Approaches in Automotive Electronics. Maxim Integrated. 2008

2. APPLICATION NOTE 5260. Design Considerations for a Harsh Industrial Environment. Maxim Integrated. 2012

3. Anatoly Andrusevich. APPLICATION NOTE 4850. Microcontroller Controls Current-Loop AFE Protection. Maxim Integrated. 2011

4. APPLICATION NOTE 651. ESD Protection for I/O Ports. Maxim Integrated. 2000

5. Datasheets, по представленным компонентам, взяты с официального сайта Maxim Integrated https://www.maximintegrated.com/.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail

РадиоКот :: Надёжная токовая защита для БП и ЗУ на IR2153 и электронном трансформаторе.

•••

Результаты тестирования

Для получения результатов по эффективности защиты была протестирована серия операционных усилителей с использованием стандарта МЭК (IEC‑61000–4-2) в части требований по устойчивости к электростатическим разрядам. В таблице 4 показано, какие компоненты предохраняют те или иные схемы защиты. Несмотря на то, что стандарт предусматривает испытания тремя воздействиями импульса перенапряжения уровнем ±8 кВ, все представленные схемы (чтобы обеспечить достаточный технологический запас по степени защиты) прошли тестирование при 100 импульсах воздействия уровнем ±9 кВ.

Таблица 4. Список устройств и соответствующих им конфигураций защиты, которые прошли испытания на соответствие стандарту IEC-­61000­-4-­2

Наименование

продукта

Основная характеристика, полоса пропускания Элементы защиты
R, Ом C, пФ D, V_WM
AD823 С входным каскадом на полевых транзисторах 220 100
16 МГц 68 36
ADA4077 Малошумящий, рецизионный 220 100
3,9 МГц 68 36
ADA4084 Low noise 220 100
15,9 МГц 68 36
ADA4522 Малошумящий, рецизионный 220 100
2,7 МГц 68 36
ADA4528 Малошумящий, рецизионный 220 100
3 МГц 68 36
ADA4610 Малошумящий, рецизионный 220 100
15,4 МГц 68 36
ADA4622 Малошумящий, рецизионный 220 100
8 МГц 68 36
ADA4625 Low noise, JFET 220 100
18 МГц 68 36
ADA4661 Прецизионный 220 100
4 МГц 68 36
LT1490 Микромощный 220 100
200 кГц 68 36
LT6016 Маломощный, прецизионный, OTT 220 100
3,2 МГц 68 36
LT6018 Малошумящий, прецизионный 220 100
15 МГц 68 36
LT1636 Микромощный, OTT 220 100
200 кГц 220 36
LT1638 Микромощный, OTT 220 100
1,1 МГц 68 36
LT1494 Микромощный, прецизионный, OTT 220 100
100 Гц 68 36

Согласно стандарту МЭК, требуется, чтобы заземление генератора испытательного импульса было подключено к заземлению усилителя через два резистора номиналом 470 кОм параллельно с конденсатором емкостью 30 пФ. Используемая тестовая установка выполнена более жесткой, потому что заземление генератора испытательного сигнала было напрямую связано с заземлением усилителя. Для дополнительной аутентичности эти результаты были также проверены и с помощью описанной выше схемы заземления в соответствии с требованиями МЭК. Имейте в виду, что усилители имеют очень разные внутренние структуры — то, что пригодно для устройств из предложенного списка, может работать или нет для других. Рекомендуется, чтобы при использовании иных операционных усилителей или других защитных компонентов они предварительно были тщательно протестированы.

Используемые компоненты защиты:

  • Резисторы: серия ERJ-P6, типоразмер 0805, производство компании Panasonic.
  • Конденсаторы: керамические, типоразмера 0805, диэлектрик C0G/NPO, номинальное рабочее напряжение 100 В, производства компании Yageo.
  • TVS-диоды: CDSOD323‑T36SC, производство компании Bourns (двунаправленные, напряжение 36 В, с малым током утечки, нормированные для защиты от электростатического контактного разряда, электрических быстрых переходных процессов (пачек) и устойчивые к выбросам напряжения в рамках требований соответствующих стандартов).
  • Варисторы для защиты от разрядов статического электричества: многослойные варисторы серии MLA, типоразмер 0603, рабочее напряжение 26 В, производство компании Bourns.

Вариант 3

РадиоКот :: Надёжная токовая защита для БП и ЗУ на IR2153 и электронном трансформаторе.

Это особо простая схема, которую даже схемой трудно назвать, поскольку в ней использовано всего 2 компонента. Это мощный диод и предохранитель. Этот вариант вполне жизнеспособен и даже применяется в промышленных масштабах.

Питание с зарядного устройства через предохранитель поступает на аккумулятор. Предохранитель подбирается исходя из максимального тока зарядки. Например, если ток 10 А, то предохранитель нужен на 12-15 А.

РадиоКот :: Надёжная токовая защита для БП и ЗУ на IR2153 и электронном трансформаторе.

Диод подключен параллельно и закрыт при нормальной работе. Но если перепутать полярность, диод откроется и случится короткое замыкание.

А предохранитель – это слабое звено в этой схеме, который сгорит в тот же миг. Его после этого придется менять.

Диод следует подбирать по даташиту исходя из того, что его максимальный кратковременный ток был в несколько раз больше тока сгорания предохранителя.

РадиоКот :: Надёжная токовая защита для БП и ЗУ на IR2153 и электронном трансформаторе.

Такая схема не обеспечивает стопроцентную защиту, поскольку бывали случаи, когда зарядное устройство сгорало быстрее предохранителя.

Поделиться:

Share on facebook
Share on twitter
Share on pinterest
Share on linkedin
Share on vk
Share on whatsapp

Оставить комментарий

Ваш email нигде не будет показанОбязательные для заполнения поля помечены *

*

Популярные статьи:

Май 2022
Пн Вт Ср Чт Пт Сб Вс
 1
2345678
9101112131415
16171819202122
23242526272829
3031  

Категории:

Для авторов
Возможно многие из Вас обладают хорошими знаниями в сфере строительства и ремонта.

Мы предлагаем Вам заработать на своих знаниях получать дополнительный доход.

Что от Вас требуется:

  1. умение писать уникальные статьи;
  2. отличное знание русского языка;
  3. наличие свободного времени;
  4. желание.

Подробности здесь...
Посетители сайта
1 посетитель просматривают эту страницу.
Пользователей: 1 робот

Сейчас читают:

Если вы хотите получать уведомления на свой E-mail о появлении новых статей, то рекомендуем вам чуть ниже ввести свой электронный почтовый адрес.