česky english Vítejte, dnes je pondělí 04. červenec 2022

10A elektronická pojistka: kompaktní nadproudová ochrana pro 48V zdroje napájení

DPS 2/2022 | Vývoj - články
Autor: Pinkesh Sachdev, Analog Devices

K ochraně před nadproudy používáme zpravidla pojistky. Bývají však rozměrné, reagují pomalu, vykazují velké tolerance proudu a po aktivaci (někdy i vratné) je navíc musíme vyměnit. V článku si popíšeme kompaktní a rychlou 10A elektronickou pojistku s nízkým profilem, která zmíněné slabiny u pasivních pojistek dokáže překonat. Nadproudovou ochranu zde přitom zajišťuje pro napájecí hladiny až 48 VDC.

Úvod

Abychom dokázali minimalizovat prostoje systému způsobené elektrickou závadou, je zapotřebí zdroje napájení v aplikacích s vysokou mírou dostupnosti nebo také „24/7/365“ chránit pro případ přetížení či zkratů na desce, kterou napájí. Nadproudová ochrana je pro zdroj nezbytná v případě, kdy dodává energii pro několik subsystémů či desek, jako jsou třeba sestavy výkonového vf zesilovače nebo servery a routery se sběrnicovým rozvodem. Rychlé odpojení vadného subsystému od sdílené sběrnice zdroje napájení pak zbývajícím subsystémům umožní pokračovat v činnosti, aniž by musel systém znovu naběhnout nebo přejít do režimu off-line.

Obr. 1  (jpg)

Klasická nadproudová ochrana (OCP) staví na pojistkách, které však bývají rozměrné, reagují pomalu, vykazují velké tolerance a po jednom nebo i několika zásazích se musí vyměnit. Řešení OCP pro DC zdroje napájení ve formě integrovaného obvodu, známé též jako elektronický přerušovač obvodu či elektronická pojistka, zmíněné nedostatky pojistek poráží. Aby elektronické pojistky šetřily místo na desce a mohly i připomínat jednoduchost pojistky pasivní, zahrnují ve stejném pouzdře výkonový spínač MOSFET společně s řídicím obvodem.

Přerušení nárazu s interním výkonovým MOSFETem

Přerušovačem proudového nárazu máme na mysli integrovaný obvod řídicí výkonový MOSFET s kanálem N umístěný v cestě mezi DC zdrojem napájení (např. 12 V, 24 V či 48 V) a systémovou elektronikou vyžadující ochranu pro případ zvýšení vstupního napětí a také zatěžovacího proudu. Vestavěné omezení výstupního proudu a také napětí umožňuje přerušovači chránit elektroniku na straně zátěže před zvýšením vstupního napětí a zdroj napájení zase pro případ přetížení a zkratů na připojených obvodech. Během událostí spojených s limitací nadměrného napětí či proudu se dále aktivuje nastavitelný časovač umožňující nepřetržitou činnost systému bez rizika vypnutí v důsledku krátkých přechodových jevů. Pokud se ovšem chyba vyskytuje i po uplynutí takové doby, systém se od zdroje napájení odpojí.

Obr. 2 (jpg)

Prvním přerušovačem proudového nárazu s vlastním výkonovým MOSFETem se stává obvod LTC4381 [1]. Pracuje s napájecím napětím až do 72 V, zatímco jeho klidový odběr činí pouze 6 μA. Průrazné napětí 100V interního tranzistoru MOSFET mezi vývody drain a source (BVDSS) a odpor v sepnutém stavu 9 mΩ (RDS(ON)) zde nahrávají aplikacím se vstupními nárůsty až do 100 V, resp. 10 A. Pokud jde o reakce při opětovném posuzování chyby a také pevně dané či stavitelné výstupní napětí (Clamp), obvod LTC4381 dává na výběr hned čtyřikrát.

Obvod elektronické pojistky 48 V / 10 A

Možnosti přerušovače proudového nárazu LTC4381 lze jednoduše rozšířit tak, aby pracoval jako elektronická pojistka. Na obr. 1 vidíme obvod LTC4381-4 aplikovaný jako 48V/10A elektronická pojistka chránící zdroj napájení pro případ přetížení či zkratu na výstupu. Během obvyklé činnosti je výstup VOUT připojen ke vstupu napájení VIN pomocí vnitřního výkonového MOSFETu a vnějšího snímacího rezistoru RSNS. Jakmile při zkratu nebo přetížení výstupu překročí úbytek napětí na RSNS prahovou úroveň proudového omezení 50 mV, začne počínaje 0 V růst i napětí na kondenzátoru zapojeném k vývodu TMR, a jakmile dosáhne 1,215 V (o tom ještě budeme hovořit), interní tranzistor vypíná. S RSNS o velikosti 4 mΩ vytváříme typickou prahovou úroveň nadproudu 12,5 A (50 mV / 4 mΩ) a minimální pak 11,25 A (45 mV / 4 mΩ), což pro zatěžovací odběr 10 A znamená dostatečnou rezervu.

Kvůli parazitní indukčnosti trasy či přívodního kabelu zdroje bude vstupní napětí ve špičkách výrazně růst nad běžnou provozní úroveň, a to kdykoli vnitřní MOSFET při tekoucím proudu vypne. Zenerova dioda D1 chrání vývod VCC obvodu LTC4381 z pohledu absolutního maxima 80 V, zatímco D2 zde ochrání interní 100V MOSFET. D1 rovněž definuje strop u výstupu na 66,5 V (56 V + 10,5 V), pokud není D2 zapojená. Propady a špičky nám u VIN filtruje R1 a C1. Pokud zde ale máme těsně u LTC4381 kapacitu limitující napěťové špičky pod 80 V, je možné pin VCC zapojit přímo k VIN. V tom případě se zbavíme též D1, D2, R1 a C1.

Uvážíme-li proud tekoucí vestavěným MOSFETem během normální činnosti na úrovni 10 A, činí výchozí úbytek napětí na obvodu LTC4381 90 mV a výkonová ztráta 900 mW. Taková ztráta ovšem na vývojové desce DC2713A-D [2] zvyšuje při pokojové teplotě teplotu pouzdra LTC4381 zhruba na +100 °C. Dochází ke zdvojnásobení RDS(ON) a úbytek napětí vzroste na 180 mV. Dalších 40 mV si pak pro 10 A připočtěme na snímacím rezistoru 4 mΩ. Za účelem snížení nárůstu teploty u LTC4381 pak může být zejména pro uzel SNS zapotřebí větší plochy mědi. Pro ilustraci, uzel SNS v případě DC2713A-D využije 2,5 cm² mědi (2 oz.) vylité rovnoměrně na obou vnějších vrstvách desky.

Obr. 3 a 4  (jpg)

Chování systému po zapnutí

Poté, co již nemáme vývod ON vztažen k zemi, zapojení dle obr. 1 nabíhá se zatěžovací kapacitou 220 μF – viz také obr. 2 pro napájení 48 V a 60 V. Napětí 60 V přitom považujeme za horní limit provozního rozsahu 48V zdroje. Kapacita 220 μF tvoří maximum, které na straně zátěže dokážeme našim 10A zapojením bezpečně nabíjet, pokud po zapnutí nepředpokládáme žádný další zatěžovací proud. Máme-li kapacitu 220 μF nabíjenou s proudovým omezením 12,5 A až na 60 V, činí zde „inrush“ time 220 μF × 60 V/12,5 A = 1,06 ms. Z grafu bezpečné pracovní oblasti SOA MOSFETu obvodu LTC4381 na obr. 3 plyne, že ustojíme 12,5 A a 30 V po dobu 1 ms. Napětí 30 V použijeme proto, že se jedná o střed rozdílového napětí mezi vstupem a výstupem, které začíná na 60 V a klesá k nule.

Protože zde nemáme žádný kondenzátor na vývodu GATE, který by zpomalil rychlost náběhu, dochází u výstupu k nabití během 2 ms a s nárazovými špičkami proudu 17 A, které nám „útočí“ na prahovou úroveň proudového omezení, dokud systém nemá vše pod kontrolou (viz opět obr. 2). LTC4381 má prahovou úroveň pro snímání u proudového limitu 50 mV nebo 12,5 A společně se snímacím rezistorem 4 mΩ, je-li napětí na pinu OUT >3 V, nicméně nám roste na 62 mV či 15,5 A, bude-li napětí na vývodu OUT <1,5 V – viz také obr. 4. Závislost rovněž ukazuje, že výstup může „uvíznout“ na 2 V (a TMR vyprší), pokud zatěžovací proud na snímacím rezistoru po zapnutí způsobuje v úbytku přes 20 mV (5 A pro 4 mΩ).

Průběhy na obr. 2 dokládají, že kvůli chybějící kapacitě hradla 47 nF vyžadované pro stabilitu smyčky nárazový proud pulzuje, místo toho, aby docházelo k jeho regulaci. Přesněji řečeno, poplatně 60V nárůstu se pak asi za 0,5 ms „uklidní“. Proud, který je u obvodu LTC4381 spojený s TMR, bude úměrný výkonové ztrátě interního MOSFETu. TMR z tohoto důvodu po zapnutí napájení nabíhá i tehdy, pohybujeme-li se pod prahovou hodnotou proudového limitu. Kapacita byla u hradla záměrně vynechána s ohledem na malý kondenzátor TMR, který stále umožňuje úspěšný „rozběh“ s kapacitou zátěže 220 μF. Malá kapacita TMR pak chrání tranzistor během zkratu, o čemž budeme hovořit v další části.

68 nF je nejmenší kapacita TMR, se kterou zde při nárůstu napětí pro 60V situaci udržíme zhruba 0,7 V. Pokud ale pro kapacitu TMR vybereme třeba 47 nF, obdržíme zde při stejné situaci 1,15 V, což je již velmi blízko prahové úrovni pro vypnutí hradla 1,215 V. Špičkové cílové napětí TMR 0,7 V bylo zvoleno tak, abychom obdrželi přiměřenou rezervu pro prahových 1,215 V, zatímco počítáme s následujícími tolerancemi: ±50 % v případě proudu TMR (ITMR(UP) v dokumentaci k obvodům LTC4381), ±10 % u kapacity TMR a také ±3 % v případě prahové úrovně 1,215 V (specifikace VTMR(F)).

Obr. 5 (jpg)

Doporučený kondenzátor TMR s ohledem na max. zatěžovací kapacitu a omezení nárůstu napětí TMR na cca 0,7 V vidíme pro 60V situace po zapnutí v tabulce 1.

Chování při zkratu na výstupu

Hlavní smysl zapojení dle obr. 1 spočívá v ochraně nadřazeného zdroje napájení pro případ nadproudů na straně připojené zátěže, přetížení a zkratů, ať již po zapnutí, nebo při běžné činnosti. Na obr. 5 vidíme spouštění MOSFETu obvodu LTC4381 za přítomnosti zkratu na výstupu. Napětí hradla (modrý průběh) zde narůstá. Překročí-li prahovou úroveň 3 V, tranzistor sepne a proud (vyznačeno zeleně) začne protékat. Kvůli zkratu na výstupu a nepřítomnosti kondenzátoru pro ošetření hradla proud tranzistorem rychle narůstá a při výstupu 0 V přesahuje prahovou úroveň proudového omezení 15,5 A, zatímco před reakcí obvodu LTC4381 v podobě stažení hradla MOSFETu a znemožnění průtoku proudu dosahuje špičky 21 A. Vzestup nad 15,5 A zde přitom trvá méně než 50 μs. Kvůli krátkodobému zatěžování MOSFETu pak napětí TMR (červený průběh) vzroste asi o 200 mV. Protože se však s TMR stále nacházíme hluboko pod prahovou úrovní pro vypnutí hradla 1,215 V, systém opět spíná, což vede k další proudové špičce. S každou další špičkou se nicméně k cílové metě přibližujeme.

Po několika takových proudových špičkách napětí TMR konečně dosáhne prahové úrovně 1,215 V a tranzistor vypíná. TMR nyní vstupuje do fáze „zklidnění“ a obvod LTC4381-4 MOSFETu nedovolí znovu sepnout, pokud doba cyklu nevyprší. Pro kapacitu TMR 68 nF to bude dle rovnice č. 8 v dokumentaci k LTC4381 [3] činit 33,3 × 0,068 = 2,3 s. Protože to ale bude obvod LTC4381-4 zkoušet znovu automaticky, opakuje se stejný vzorec s proudovými špičkami a fázemi zklidnění, dokud není zkrat na výstupu odstraněn. Vzorce se budou opakovat, jestliže se zkrat na výstupu vyskytuje v průběhu normální činnosti, tzn. máme-li výstup již k dispozici. Povšimněte si prosím, že simulace s LTspice® chování dle obr. 5 nenabídne, pokud ke vstupu nezapojíme indukčnost 4 μH.

Závěr

Interní výkonový MOSFET obvodu LTC4381 poskytuje kompaktní řešení pro potřeby elektronické pojistky nebo přerušovače obvodu v systémech pracujících až s 48 V a 10 A. Vlastní tranzistor již nemusíme vybírat, což během vývoje ušetří čas. Oblast SOA je u MOSFETu obvodu LTC4381 testována ve výrobě a zaručena pro každou součástku. Něco takového přitom u diskrétních MOSFETů nebývá k dispozici. Lze tak vystavět robustní řešení chránící drahou elektroniku v serverech a také síťových zařízeních.

Díky absenci kondenzátoru na vývodu GATE pro stabilizaci smyčky bude mít 10A zapojení zmiňované v článku určité jedinečné vlastnosti, na které je třeba myslet. Konkrétně jde o to, že zde postrádáme klasické řízení nárazového proudu (dV/dt) a také pulzních proudů po dobu výskytu zkratu. Jedná se však o krátkodobé přechodné jevy trvající méně než pár milisekund. Vstupní kapacita (bypass) může u 48V napájení pomoci předcházet jakémukoli rušení, zejména pak v případě, kdy vše sdílíme s dalšími deskami, třeba u sběrnicového systému. Zatěžovací kapacita sousedních desek v takovém případě poslouží ke stejnému účelu jako zmíněný vstupní kondenzátor.

Odkazy:

[1] https://www.analog.com/en/products/ltc4381.html

[2] https://www.analog.com/en/design-center/evaluation-hardwareand-software/evaluation-boards-kits/DC2713A.html

[3] https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/datasheets/ltc4381.pdf

Partneři

eipc
epci
imaps
ryston-logo-RGB-web
mikrozone
mcu
projectik