Защита от короткого замыкания микросхема

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.

Таблица 1. Электронные предохранители со встроенным ключом

Защита от короткого замыкания микросхема

Микросхема MP24AD предназначена для реализации защиты литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов с одной энергетической ячейкой 3.7V Li-Ion или Li-Po. MP24AD встраивается прямо в корпус аккумуляторной батареи на миниатюрной печатной плате, и защищает энергетическую ячейку от перезаряда, переразряда, превышения тока разряда, превышения тока заряда и других анормальных явлений (путем выключения внутренних N-канальных транзисторов MOSFET). Защита в микросхеме построена на основе четырех детекторов напряжения, детектора короткого замыкания, источников опорного напряжения, генератора, схемы счетчика и схем логики.

На фото показана микросхема MP24AD, установленная на плате контроллера оригинальной аккумуляторной батареи смартфона Samsung Galaxy Note GT-N7000.

На рисунке показана упрощенная блок-схема внутреннего устройства MP24AD.

Пояснения к схеме: VDD плюс напряжения питания узлов микросхемы, Source1 минусовой контакт защищаемой энергетической ячейки, Drain стоки силовых транзисторов микросхемы (как ни странно, этот контакт не используется), Source2 внешний минусовой контакт для подключения к зарядному устройству (и к цепи питания смартфона, где используется аккумулятор), V- специальный вход для организации защит.

Сигналы COUT (управление транзистором заряда) и DOUT (управление транзистором разряда) являются выходами CMOS, и могут напрямую управлять внутренними N-канальными транзисторами MOSFET. Выход COUT переходит в состояние лог. 0 после фиксированного времени задержки при детектировании перезаряда. Выход DOUT переходит в состояние лог. 0 после фиксированного времени задержки при детектировании переразряда, превышения тока разряда, или при детектировании короткого замыкания.

В состоянии перезаряда, если напряжение VDD меньше, чем напряжения отпускания перезаряда, то выход COUT переходит в состояние лог. 1 после фиксированного времени задержки. В состоянии переразряда, если напряжение на энергетической ячейке поднялось выше напряжения детектирования переразряда при подключенном зарядном устройстве, то выход DOUT переходит в состояние лог. 1 после фиксированного времени задержки. Ток зарядки может быть предоставлен для батареи, даже если она разряжена до 0V.

В состоянии детектирования переразряда или короткого замыкания, если условия нагрузки батареи поменялись (снизился ток потребления или устранено короткое замыкание), то выход DOUT переходит в лог. 1 после фиксированного времени задержки. В состоянии переразряда ток потребления уменьшен до минимально возможного значения. Как только было детектировано превышение тока заряда, выход из этого состояния происходит путем отключения зарядного устройства и подключения нагрузки.

[Основные особенности микросхемы MP24AD]

1. В микросхему встроены 2 силовых N-канальных MOSFET-транзистора с общим стоком.

2. Уменьшенное количество внешних выводов — все основные соединения осуществлены внутри корпуса микросхемы.

Смотрите так же:  Схема 220 в электрогенератора

3. Применена высоковольтная технология CMOS, секция зарядного устройства выдерживает абсолютное максимальное напряжение 28V.

4. Точность детектирования напряжений:

детектирование перезаряда ±25mV (Ta=25 o C), ±45mV (Ta=-30

70 o C)
детектирование переразряда ±70mV (Ta=25 o C), ±80mV (Ta=-30

70 o C)
детектирование перегрузки по току разряда ±10mV (Ta=25 o C), ±20mV (Ta=-30

70 o C)
детектирование перегрузки по току заряда ±20mV (Ta=25 o C), ±40mV (Ta=-30

5. Задержки времени детектирования:

детектирование перезаряда 1.00±0.20с (Ta=25 o C), 1.00[+0.50,-0.40]с (Ta=-30

70 o C)
детектирование переразряда 96.0±19.2мс (Ta=25 o C), 96.0[+48,-38.4]мс (Ta=-30

70 o C)
детектирование перегрузки по току разряда 12.0±2.4мс (Ta=25 o C), 12.0[+6,-4.8]мс (Ta=-30

70 o C)
детектирование перегрузки по току заряда 6.0±1.2мс (Ta=25 o C), 6.0[+3.0,-2.4]мс (Ta=-30

70 o C)
детектирование короткого замыкания 400[+160,-120]мкс (Ta=25 o C), 400[+400,-200]мкс (Ta=-30

6. Функции детектирования работают даже с аварийным зарядным устройством.

7. Разрешен заряд даже при нулевом напряжении на батарее.

8. Разрешена функция автоматического пробуждения.

Использование продвинутой технологии предоставляет отличные параметры сопротивления открытого канала транзисторов сток-исток RDS(ON), и как следствие низкое падение напряжения на регулирующем элементе. Допустимое рабочее напряжение сток-исток составляет от 2.5V до максимального 12V. Микросхема имеет защиту от статического электричества. Благодаря наличию контроллера на микросхеме MP24AD в батарее аккумулятора схема зарядного устройства получается очень простая — по сути это должен быть источник ограниченного тока 0.5..2 A напряжением 5..7V. Требования к току заряда определяются в основном емкостью батареи и нужной скоростью зарядки.

Основные электрические характеристики микросхемы MP24AD приведены в таблице.

[Предельно допустимые значения]

Параметры приведены для условий рабочей температуры 25 o C и напряжении Source1 (VSS)=0V.

[Электрические характеристики]

Эти параметры приведены для условий рабочей температуры 25 o C:

Эти параметры приведены для условий рабочей температуры 30..70 o C:

Примечание: *1 относится к схемам тестирования.

[Схемы для тестовых измерений]

[Описание функционирования MP24AD]

Детектор перезаряда (Overcharge detector VD1). Схема VD1 мониторит напряжение вывода VDD во время заряда. В состоянии заряда батареи, он детектирует перезаряд, если напряжение на её выводах становится больше, чем напряжение детектирования перезаряда (обычно 4.225V). И затем вывод COUT переключится в состояние низкого уровня, так что внутренний управляющий N-канальный MOSFET выключится, и запретит заряд батареи.

После детектирования перезаряда, это состояние будет отменено, если напряжение VDD станет меньше напряжения отпускания перезаряда (обычно 4.025V). Вывод COUT перейдет в высокий уровень, так что внутренний управляющий N-канальный MOSFET включится, и заряд батареи продолжится.

Когда напряжение VDD станет больше чем напряжение детектирования перезаряда, для отключения зарядного устройства и подключения нагрузки на выводе COUT остается низкий уровень, но нагрузка остается подключенной через паразитный диод внутреннего N-канального транзистора MOSFET. И если напряжение VDD станет ниже, чем напряжение детектирования перезаряда, вывод COUT переходит в высокий уровень, так что внутренний N-канальный транзистор MOSFET включится, и разрешит заряд батареи.

Детектирование перезаряда и возврат в исходное состояние имеют внутренние фиксированные задержки. Когда напряжение VDD стало выше, чем напряжение детектирования перезаряда, если напряжение VDD снова станет ниже, чем напряжение детектирования перезаряда на время в пределах задержки детектирования (типичное значение 1.00 с), то перезаряд не будет детектирован. Аналогично в состоянии перезаряда, когда VDD снизится ниже напряжения перезаряда на время не более времени освобождения перезаряда (типичное значение 2 мс), то состояние перезаряда не будет отменено.

Каскад выходного драйвера для вывода COUT имеет устройство сдвига уровня, так что будет выведено напряжение V- в качестве низкого уровня. Тип вывода COUT — выход CMOS, меняющий уровень между VDD и V-.

Детектор переразряда (Overdischarge detector VD2). Схема VD2 отслеживает уровень напряжения VDD во время разряда. В состоянии разряда батареи переразряд детектируется, когда VDD станет ниже, чем напряжение детектирования переразряда (типичное значение 2.500V). И тогда вывод DOUT перейдет в состояние лог. 0, так что внутренний управляющий разрядом N-канальный транзистор MOSFET выключится, и это запретит дальнейший разряд батареи.

Режим переразряда освобождается переводом DOUT в состояние высокого уровня, если напряжение батареи возрастет больше, чем напряжение детектирования переразряда, как с подключением зарядного устройства, так и без него. Ток заряда предоставляется через паразитный диод N-канального MOSFET, когда напряжение VDD станет ниже напряжения детектирования переразряда для подключенного зарядного устройства, и вывод DOUT переходит в высокий уровень так что разряд может происходить, и N-канальный MOSFET включится, когда напряжение VDD вырастет больше, чем напряжение детектирования переразряда.

Когда напряжение батареи находится около 0V, если напряжение зарядного устройства выше, чем минимальное рабочее напряжение для заряда батареи от нулевого напряжения (максимум 1.2V), вывод COUT переходит в высокий уровень и разрешает подключение тока заряда.

Детектирование переразряда имеет внутреннюю фиксированную задержку. Когда VDD станет ниже напряжения детектирования переразряда на время, не превышающее задержку режима переразряда (типичное значение 96 мс), то состояние переразряда детектировано не будет. Кроме того, есть также задержка выхода из режима переразряда (типичное значение 4 мс).

Когда все схемы остановлены, и после детектирования переразряда, подразумевается состояние сна/отключения (standby). В этом режиме ток потребления (ток standby) микросхемы снижается до максимально возможного значения (при VDD=2V, максимум 0.5 мкА).

Тип вывода DOUT — выход CMOS, уровень которого меняется между VDD и VSS.

Детектор превышения тока разряда, детектор короткого замыкания (VD3, Детектор КЗ). В состояниях заряда и разряда VD3 отслеживает уровень вывода V-. Если V- станет выше, чем напряжение детектирования превышения тока разряда (типичное значение 0.150V) — из-за слишком большой нагрузки и т. п. — то произойдет детектирование состояния переразряда. Если V- станет выше напряжения детектирования короткого замыкания (типичное значение VDD-0.9V), то также будет детектирование состояния превышения тока разряда. И тогда вывод DOUT перейдет в состояние низкого уровня, так что внутренний управляющий разрядом N-канальный транзистор MOSFET выключится, и это защитит батарею от слишком большого тока разряда.

Детектирование превышения тока разряда имеет внутреннюю фиксированную задержку. Если длительность импульса тока превышения не более времени задержки детектирования (типичное значение 12 мс), то превышение тока не будет детектировано. Кроме того, есть также время задержки выхода из режима превышения тока разряда (типичное значение 4 мс).

Также есть задержка детектирования короткого замыкания (типичное значение 400 мкс).

Между выводами V- и VSS встроено сопротивление для выхода из режима превышения тока разряда (типичное значение 50 kΩ). В состоянии превышения тока разряда или КЗ, если нагрузка отключится, то вывод V- будет притянут вниз к VSS через это сопротивление. И тогда V- станет ниже напряжения детектирования превышения тока разряда, что автоматически приведет к выходу из режимов превышения тока разряда или КЗ. Этот резистор подключается только при активных режимах детектирования превышения тока разряда или КЗ. В нормальном состоянии (когда идет заряд или разряд батареи), сопротивление для выхода из режима превышения тока разряда отключено.

Детектор превышения тока заряда (Charge overcurrent detector VD4). В состоянии заряда или разряда VD4 отслеживает уровень вывода V-. Если V- станет ниже, чем напряжение превышения тока заряда (типичное значение -0.150V) — из-за ненормально высокого напряжения зарядного устройства и т. п. — то будет детектировано состояние превышения тока заряда. Тогда вывод COUT перейдет в низкий уровень, так что внутренний управляющий зарядом N-канальный транзистор MOSFET выключится, и защитит батарею от слишком высокого тока заряда.

Выход из режима превышения тока заряда произойдет при отключении неисправного зарядного устройства и подключении нагрузки.

Детектирование превышения тока заряда имеет внутреннюю фиксированную задержку. Когда V- станет ниже напряжения превышения детектирования тока заряда на время, не превышающее времени задержки детектирования превышения тока заряда (типичное значение 6 мс), то не будет детектирован режим превышения тока заряда. Также есть время задержки выхода из режима детектирования превышения тока заряда (типичное значение 4 мс).

Детектор превышения напряжения зарядного устройства. Этот узел отслеживает напряжение между выводами VDD и V-, и когда напряжение станет выше, чем напряжение детектирования превышения напряжения зарядного устройства (типичное значение 8.0V), вывод COUT перейдет в состояние низкого уровня, и соответствующий внутренний N-канальный транзистор MOSFET выключится. И когда напряжение снизится ниже напряжения отпускания этой защиты (типичное значение 7.3V), то вывод COUT перейдет в состояние высокого уровня, и внутренний N-канальный транзистор MOSFET включится. Обратите внимание, что чем больше сопротивление резистора R2 (см. схему ниже), тем больше напряжение детектирования.

Для этой функции нет задержки для срабатывания защиты и выхода из режима защиты.

[Пример схемы включения]

R1 и C1 снижают пульсации напряжения питания микросхемы. Но напряжения детектирования увеличиваются с увеличением резистора R1, так что значение R1 должно сохраняться 1 kΩ или менее. Кроме того выбор емкости для C1 должен быть минимум 0.1 мкф для обеспечения стабильной работы.

R1 и R2 ограничивают ток, если зарядное устройство подключено в обратной полярности, или когда напряжение подключенного зарядного устройства превысило абсолютный максимум. R1 и R2 могут привести к превышению мощности рассеивания, так что сопротивление R1+R2 должно быть больше 1 kΩ. Кроме того, если R2 слишком велик, то отключение зарядного устройства не может быть иногда обнаружено после детектирования переразряда, так что подстройте значение R2 к номиналу 10 kΩ или менее.

Конденсаторы C2 и C3 дают эффект стабилизации системы при воздействии пульсаций напряжения или внешних наведенных помех. После проверки характеристик работы схемы проверьте место подключения этих конденсаторов и их номинальную емкость.

Диаграммы напряжений при перезаряде и превышении зарядного тока:

Диаграммы при перезаряде и превышении напряжения зарядного устройства:

Диаграммы при переразряде, превышении тока разряда, коротком замыкании (КЗ):

[Маркировка, размеры посадочного места (корпуса)]

Тег Защита КЗ

Комплекс мер и схемотехнических решений по защите оборудования или устройства от тока короткого замыкания

Простой ИБП на IR2153 с защитой от перегрузки и КЗ (300Вт)

Простой импульсный блок питания на микросхеме IR2153 с простой и эффективной защитой от перегрузки и короткого замыкания (300Вт).

Смотрите так же:  На лампочках две фазы

Защита блока питания от КЗ

Для питания собираемых конструкций радиолюбители нередко используют простейшие блоки, состоящие из понижающего трансформатора и выпрямителя с конденсатором фильтра. И, конечно, в таких блоках нет никакой защиты от короткого замыкания (КЗ) в нагрузке, хотя оно подчас приводит к выходу из строя выпрямителя и даже трансформатора.

Блок питания с защитой от короткого замыкания

Данная схема представляет собой простейший блок питания на транзисторах, оборудованный защитой от короткого замыкания (КЗ). Основные параметры: выходное напряжение — 0..12В; максимальный выходной ток — 400 мА.

Блок питания с микроконтроллерным управлением

Данный блок питания состоит из блока индикации и управления, измерительной части и блока защиты от КЗ.

БП с плавной регулировкой напряжения

Как известно, каждому радиолюбителю приходится сталкиваться с самыми различными напряжениями питания: 1.5, 3, 6, 12В. Предлагаю вам схему БП дающего постоянное напряжение от 1 до 12 В. А величина тока, потребляемого различными устройствами от этого БП может достигать 0,2-0,3 А. Главным преимуществом этого блока является то, что он не боится КЗ (коротких замыканий), что немаловажно для радиолюбителей, начинающих свою практику.

Автор: Колесник Алексей

Стабилизатор напряжения с защитой от КЗ

Многим радиолюбителям знакома схема этого простого стабилизатора напряжения с защитой от перегрузок и коротких замыканий цепи выхода. Он обладает рядом положительных качеств и поэтому получил широкую популярность у радиолюбителей.

Регулятор скорости двигателя сварочного полуавтомата с защитой от КЗ и стабилизацией напряжения

Регулятор скорости двигателя постоянного тока с широким диапазоном входных напряжений от 10 до 100В. Стабилизирует выходное напряжение с помощью ШИМ. Имеет защиту от КЗ в нагрузке

Самодельная разборная Li-ion 3S батарея с платой контроля и защиты HH — P3-10.8

Короткий обзор и реальные характеристики платы контроля и защиты HH — P3-10.8 и вариант конструкции разборной 3S литий-ионной батареи из аккумуляторов типа 18650 на её основе.

Схема защиты выхода микросхемы стабилизатора напряжения от тока короткого замыкания

На рис. 3.17 представлены два варианта реализации схемы защиты выхода микросхемы от последствий воздействия тока, протекающего на выходе микросхемы в режиме короткого замыкания.

Схема на рис. 3.17а характеризуется тем, что при увеличении выходного тока (/ ых) создается падение напряжения на низкоомном резисторе R1. При достижении напряжения от 0,65 до 0,67 В открывается транзистор ТЗ. Его ток коллектора ограничивает ток базы транзистора Т1, и выходной ток уменьшается.Рис. 3.17. Схемы защиты от тока короткого замыкания выхода ИМС стабилизатора напряжения

Схема на рис. 3.176 характеризуется тем, что при увеличении численного значения выходного тока создается падение напряжения на низкоомном резисторе R1. Ток генератора (ΤΙ, Т2), который является током базы ТЗ, изменяется, и, следовательно, уменьшается (ограничивается) выходной ток стабилизатора.

Подгонка параметров микросхем в процессе производства путем пережигания перемычек

В процессе производства пластин ИМС параметры элементной базы имеют технологический разброс. Различные значения принимают 1/БЭ включенного транзистора, сопротивления слоев базы, эмиттера, коллектора, сопротивления контактов к вскрытым областям, сопротивления резисторов и др. Вследствие этого параметры ИМС (для стабилизаторов это прежде всего Uon и 1/вых) будут отличаться от пластины к пластине и даже от кристалла к кристаллу на одной пластине.

Для того, чтобы параметры ИМС соответствовали более жестким требованиям, чем это обеспечивает разброс серийного технологического процесса, используется операция подгонки параметров ИМС в процессе производства.

Рис. 3.18. Классическая схема ИОН с напряжением запрещенной зоны полупроводника

Технологический разброс численных значений основного электрического параметра ИМС стабилизатора «Выходное напряжение» без подгонки в процессе производства составляет от 2 до 5% (начальная точность установки входного напряжения). То есть, для пятивольтного стабилизатора выходное напряжение может принимать значение от 4,75 до 5,25 В. Для обеспечения большей точности установки 1/вых необходима подгонка в процессе производства. Путем подгонки возможно достижение 1/лык ± 0,5% и менее. Обычно подгоняются численные значения величины сопротивления резисторов. Вспомним классическую схему ИОН с напряжением запрещенной зоны полупроводника (рис. 3.18). Для установки точного значения выходного напряжения 5 В возможна подгонка резисторов R5, R6. Для установки точного значения опорного напряжения Uon 1,22 В возможна подгонка резистора R2.

Рис. 3.19. Схема включения диодных (д), поликремниевых и металлических А1 (б) перемычек

В процессе подгонки последовательно (или параллельно) секциям основного резистора подключаются (или отключаются) дополнительные секции резисторов (рис. 3.19).

На рис. 3.19д показан случай параллельного подключения диодных перемычек, а на рис. 3.195 — поликремниевых и металлических перемычек. Выбор первого или второго метода определяется конкретными возможностями используемого для изготовления ИМС базового технологического процесса.

На рис. 3.20 представлена типовая структура диодных, металлических и поликремниевых перемычек, используемых для подгонки параметров в процессе серийного производства.

Рис. 3.20. Эскизная топология и структура диодных перемычек

Рис. 3.21. Эскиз конструкции пережигаемых перемычек — металлическая <а) и поликремневая (б)

На рис. 3.21 представлен эскиз топологии металлической (а) и поликремниевой (б) пережигаемых перемычек.

Источник: Белоус А.И., Ефименко С.А., Турцевич А.С., Полупроводниковая силовая электроника, Москва: Техносфера, 2013. – 216 с. + 12 с. цв. вкл.

Неисправности схем защиты источников питания персональных компьютеров

Страницы работы

Содержание работы

НЕИСПРАВНОСТИ СХЕМ ЗАЩИТЫ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ ПЕРСОНАЛЬНЫХ КОМПЬЮТЕРОВ

Неисправности в схемах защи­ты источников питания (ИП) компьютеров случаются не столь уж часто, но последствия от них могут быть очень серьезные, и не столько для самих ИП, сколько для блоков и устройств компьютера. В компьютерах многих фирм широко применяются ИП типов AT и АТХ, уп­равляемые микросхемой TL494 или ее аналогами — IR3M02, КА7500, КР114ЕУ4. Схема TL494, помимо формирования управляющих им­пульсов и осуществления стабилиза­ции выходных напряжений +5, +12, -5 и -12 В, обеспечивает также за­щиту ИП от коротких замыканий. Известны несколько вариантов схем контроля и защиты, о которых по­дробно рассказано в литературе [1 ]. Для анализа характера неисправно­стей схем защиты ИП рассмотрим ее упрощенный вариант на основе мик­росхемы TL494 (рис. 1).

Помимо ми­кросхемы TL494 схема содержит узел контроля шин питания на тран­зисторах или на микросхемах типа НА17339, выполняющих функции операционных усилителей, а также согласующий каскад на транзисто­рах типа С945 и импульсный транс­форматор. С отдельной обмотки трансформатора снимается импульс­ное напряжение, которое выпрямля­ется и поступает на выв. 16 микро­схемы TL494 — вход схемы защиты в ее составе.

Схема защиты работает следую­щим образом. Если ток в нагрузке по шине +5 В возрастает по причи­не короткого замыкания, то напря­жение +5 В начинает падать. Шири­на импульсов на выв. 8 и 11 микро­схемы TL494 начинает расти, при этом возрастает и напряжение на импульсном трансформаторе. На­ступает момент, когда напряжение на выв. 16 микросхемы сравнивает­ся с опорным напряжением +5 В на выв. 15. Напряжение на выходе уси­лителя DA4 микросхемы продолжа­ет расти, а на выходе DA3 умень­шаться. После того как напряжение на выходе усилителя DA4 превысит падающее напряжение усилителя DA3, происходит передача управ­ления процессом стабилизации только усилителю DA4. При этом ширина управляющих импульсов на выв. 8 и 11 микросхемы уменьшает­ся. Так как короткое замыкание в нагрузке продолжает влиять на про­цесс падения напряжения и на уп­равление процессом стабилизации, то выходные напряжения ИП быстро падают. В результате блокируется работа микросхемы TL494, т.е. пре­кращается формирование импуль­сов управления на ее выв. 8 и 11. При этом через согласующий кас­кад не поступают импульсы на клю­чевые транзисторы Q1 и Q2, и ИП переходит в режим защиты.

Если короткое замыкание возни­кает на шинах —5 В и —12 В ИП, то узел контроля (см. рис. 1) вырабаты­вает потенциал +5 В, который через выв. 4 микросхемы TL494 и далее че­рез усилитель DA1 блокирует про­цесс широтно-импульсной модуляции и прекращает формирование им­пульсов на выв. 8 и 11 микросхемы.

Рассмотрим примеры неис­правностей схем защиты ИП ком­пьютеров.

Нередки случаи неправильной сборки узлов ИП малоизвестными производителями, приводящие со временем к тому, что схема защиты не работает.

На компьютере жесткий диск оказался полностью в не­работающем состоянии. Пред­положительно, произошло кратко­временное короткое замыкание по шине +5 В.

Как видно из схемы рис. 2, при такой аварийной ситуации отсут­ствует контроль ширины управляю­щих импульсов, поступающих с выв. 6 и 10 микросхемы TL494 на мощные ключевые транзисторы. В этом случае, в отличие от описанного выше варианта схемы защиты, кон­троль за напряжением +5 В ИП отсут­ствует.

Испытание схемы защиты ИП при работе его на эквивалентную на­грузку путем кратковременного замыкания шины +5 В но общий вывод показало, что отключения микросхе­мы TL494 не происходит. Но, что са­мое неприятное, все остальные на­пряжения ИП (+12, -12, -5 В) увели­чивают свои значения на 20. 30%.

Защита от короткого замыкания микросхема

Собираем импульсный БП. Блок питания на микросхеме KA2S0880

Минуя стандартные устаревшие ШИМ модуляторы, начнем, пожалуй, с более продвинутых схем БП, использующих в основе работы переключение силового ключа при нулевом токе дросселя, или по-заграничному — off-line switch. Такие схемы отличаются от обычных очень высоким КПД, низким уровнем шумов, а при выборе соответствующей элементной базы — простотой конструкции и легкостью настройки.

На рисунке 1 представлена схема блока питания мощностью 70Вт для питания стереофонического усилителя в пределах 2х20Вт. Силовой преобразователь построен на микросхеме KA2S0880, которая включает в себя все необходимые компоненты для постройки первичной части блока питания. Следует отметить, что корпорация Fairchild, разработав эту микросхему, здорово постаралась — микросхема очень устойчива в работе и располагает всеми необходимыми защитами. Собранный на базе этой микросхемы блок питания имеет реальнодействующую защиту от перегрузки и короткого замыкания, защиту нагрузки при аварийном выходе напряжений за пределы допустимых, возможность введения спящего режима. Явный минус этой схемы – блок не включается при полной нагрузке. Сначала нужно включить его отдельно, потом нагрузить.

Блок питания разработан для симметричной нагрузки, у которой потребляемые токи по плюсу и по минусу равны – усилители НЧ. Неравномерная нагрузка вызывает перенапряжение на одном из плеч и блок может уйти в защиту. При подборе деталей не забудем о требованиях к их параметрам и конструкции устройства. Выпрямительные диоды должны быть с обратным напряжением не менее 200Вольт, конденсаторы С11 и С12 умышленно выбраны на напряжение 50Вольт, т.е. крупногабаритные – дело в том, что они будут нагреваться, на частотах около 20-30кГц у них минимальный импеданс, на котором происходит эффективное подавление выбросов напряжения, и, как следствие – их нагрев. Обращайте внимание на внешний вид компонентов, особенно микросхемы и выпрямительных диодов – поцарапанный, невзрачный, некрасивый корпус говорит либо о некачественном изготовлении детали, либо о «левом» производстве. Не используйте конденсаторы серии К73-17, они часто выходят из строя. Микросхему могут выпускать либо фирма Fairchild , либо Samsung (SEC)

Смотрите так же:  Заземление дома параметры

Схемы, в которых есть трансформаторы, очень критичны к фазировке их обмоток. При фазировке обмоток требуется сделать так, чтобы начала и концы обмоток подключались к своим точкам в схеме. Если фазировка будет неверной, то обмотки будут работать в противофазе, что нарушит работу схемы и может повредить компоненты. Начала обмоток на схеме помечаются точкой у одного из вывода обмоток. Это как у динамиков – выводы помечаются плюсами. Нам с вами лучше всего мотать обмотки как на рисунке 2 – либо как вариант 1, либо как вариант 2, но не смешивая эти варианты .

Так нам легче будет разобраться, какой вывод будет началом, а какой концом. Пример фазировки обмоток – на рисунке 3, точками показаны начала обмоток.

Трансформатор намотан на сердечнике Ш12Х12 из феррита М2000, с зазором в магнитопроводе 0,2мм. Первичная обмотка 36витков, поделена на две равные части. Одна часть наматывается в первый слой, вторая – в последний. Между ними располагаются вторичные обмотки: выходная — 7+7витков в два провода каждая, обмотка питания микросхемы – 7 витков. Все обмотки намотаны проводом диаметром 0,6мм. Зазор делаем с помощью бумаги, наклеиваем ее на торцы феррита, складываем всё вместе с катушкой и проклеиваем магнитопровод суперклеем.

Блок, собранный без ошибок в монтаже, начинает работать сразу и без глюков. Тем не менее, чтобы обезопасить себя от возможных ошибок, проведем первое включение устройства пошагово.

Вместо предохранителя включим обычную лампу 220В 100Вт. Она предотвратит возможную поломку микросхемы. Отпаяем стабилитроны у тиристоров. К выходу блока питания между “+” и “–“ подключим нагрузку – нихромовую спираль 30-40 Ом мощностью не менее 100Вт. Ее мы будем использовать только для проверки блока питания. Такие спирали продаются в магазинах для ремонта электрообогревателей, либо спиралька отдельно, либо в стеклянной трубке. Нам нужна только часть спиральки. Нужное сопротивление отмерим тестером и подключим к выходу блока питания. Не забываем о том, что спираль подключается между “+” и “–“ источника, а замеры напряжения мы будем вести от общего провода (GND). Подключим тестер к “+” выходу блока питания и включим блок в розетку. Через секунду на выходе должно установиться напряжение +16,5вольт. Ждем секунд 5, выключаем блок и смотрим нагрев деталей. Если есть подозрительно нагревшиеся элементы – не оставляем без внимания. Не забывайте, что только что собрали СЕТЕВОЙ блок питания, который обладает «скрытой», но мощной разрушительной силой 🙂 Если выходное напряжение больше, чем 16вольт, например, 20, 30вольт – значит, не работает цепь обратной связи. Это может быть либо из-за ошибок в схеме, либо из-за неисправности деталей. Нужно будет проверить. Если напряжение меньше 16вольт и за 5секунд сильно нагрелась микросхема, значит, у нас неправильно сфазированы вторичные обмотки по отношению к первичной.

Может получиться так, что при включении блока в сеть на выходе ничего нет 🙁 В таком случае проверим напряжение на сетевом конденсаторе – около 300вольт, напряжение на третьей лапке микросхемы относительно первичного общего провода (вывод 2). Оно должно прыгать в пределах 12-15вольт – это микросхема пытается запуститься, но что-то ей мешает. Проверим цепь её подпитки – вспомогательную обмотку и ее выпрямитель, фазировку обмотки. Если все правильно — возможно, микросхема ушла в защиту из-за короткого замыкания в нагрузке, неисправности выпрямительных диодов, перегрузки. Выключим блок и подождем разряда сетевого конденсатора ниже 30вольт и попробуем включить снова с подключенной спиралькой не 30-40 Ом, а 50-60. Возможно так же, что диоды D 4 и D 5 не могут работать на высоких частотах, то есть не подходят для этой схемы. В таком случае трансформатор свистит, надрывается, бедный 🙁 Если и так не вышло, то давайте вспоминать, сколько витков мы намотали и как :). Если напряжение на третьем выводе микросхемы уходит далеко за пределы 20вольт, например, 30, 40вольт, то у нас слишком много намотано витков на вспомогательной обмотке либо эта обмотка опять же неправильно сфазирована по отношению к первичке.

Следующий этап – проверка работы блока без нагрузки. Это проверка цепи обратной связи на стабилизацию. Она осуществляется оптопарой. Требуемое выходное напряжение выставляется стабилитроном D 6, правда, оно будет выше на полтора вольта, чем стабилитрон 🙂 Если на спиральке мы мерим ровно необходимое напряжение, т.е. 15-16вольт, то отключим нагрузку. Напряжение не должно измениться, ну вольт-полтора нам не мешает. Будем готовы немедленно отключить блок из розетки, если без нагрузки напряжение резко возрастет, иначе можно убить выпрямительные диоды, конденсаторы и оптопару.

Далее – проверяем защиту нагрузки при превышении выходного напряжения. Защита срабатывает в аварийном режиме, без попытки повторного запуска блока. Защита есть как на плюсовом плече, так и на минусовом, причем работают они независимо, а эффект общий 🙂 Принцип работы – устраивается короткое замыкание на выходе, из-за которого микросхема уходит в защиту. Тиристоры обладают неплохим быстродействием, и при аварии всего за пару миллисекунд с нагрузки снимается питание. Если вдруг в будущем, сработает эта цепь, то нужно проверять блок питания с самого начала по этой же методике. Для проверки принудительно поднимем выходное напряжение на несколько вольт. Для этого последовательно со стабилитроном включим еще один на несколько вольт – 4,7 или 5,1 или 6,2В. Закоротим его перемычкой и включим блок. Мерим выходное напряжение – в норме. Размыкаем перемычку, трансформатор должен «тикнуть», а блок – отключиться. Ждем разряда сетевого конденсатора, снова ставим перемычку и включаем. Выходные напряжения должны установиться в норме.

Если все тесты блок отработал без глюков, то вешаем ему нагрузку 15Ом и оставляем на полчаса. После этого устройство признается годным к службе отечеству 🙂

Монтаж печатной платы.

Печатная плата разрабатывается отдельно под конкретную конструкцию каркаса трансформатора и его расположение выводов.

При разработке печатной платы необходимо учесть следующие моменты:

  1. Связанные меж собой детали не разносите далеко друг от друга. По дорожкам текут импульсные токи, излучающие помехи в окружающее пространство, и чем длиннее будет дорожка, тем больше от нее наводок.
  2. Между дорожками сетевой части выдерживайте достаточное расстояние. Если между рядом идущими дорожками напряжение 200-300 вольт, расстояние между ними должно быть не менее 4-5мм. Также выдерживайте расстояние между дорожками и деталями сетевой и вторичной части. Единственный компонент, с которым нам ничего не сделать – оптопара. У нее расстояние меж лапками около сантиметра, все остальные расстояния меж сетевой и вторичной частью должны быть не менее 1см.
  3. На вторичной стороне дорожка от оптопары должна подключаться как можно ближе к диоду D 4.
  4. Чтобы дорожка выдерживала большие токи, ее часто заливают припоем. Но делать так можно не с каждой дорожкой. Если есть возможность, пусть она будет шире, чем толще, иначе между толстыми дорожками будет паразитная связь, которая может дать шумы на выходе и сделать еще много пакостей.
  5. Конденсаторы С15, C 16 должны подключаться ближе к диодам, а не к электролитам С11, C 12.
  6. ОЧЕНЬ ВАЖНО. Смотрим рисунок 4.

Дорожка идет от диода D1 к керамическому конденсатору С1, от него – к электролиту С2, от него – к катушке L1 – так правильно.
Рисунок 5 – так неправильно.

Дорожка, на которой висит несколько элементов, должна ОБХОДИТЬ каждый из них, а не идти мимо.

В импульсной технике часто очень важны миллиметры расстояний. Для примера: рисунок 6.

Если точку подключения керамического конденсатора С1 отвести на 5мм дальше от диода D1, стабилизация ухудшится на полвольта, КПД упадет на 1%.

А вот фотографии собранного опытного образца:

Похожие статьи:

  • Резисторы на 220 вольт Резистор металлокерамический 30W/R50K (0.5 OM) (9) INMIG150, 180 WESTER Самовывоз (8) Рязань г, Яблочкова проезд д.6, пункт выдачи «220 Вольт», оплата при получении Рязань г, Яблочкова проезд д.6, пункт выдачи «220 Вольт», по […]
  • Защита от перенапряжения на стабилитроне Защита от перенапряжения: что выбрать? Защита от коммутационных выбросов напряжения схем на основе тиристоров или транзисторов с полевым управлением – рядовая задача в проектировании практически любого преобразователя. Для выполнения […]
  • Вд1-63 узо 2р 16а 30ма УЗО IEK ВД1-63 2Р 16А 30мА Самовывоз (8) Рязань г, Яблочкова проезд д.6, пункт выдачи «220 Вольт», по предоплате Рязань г, Касимовское ш д.12, пункт выдачи «220 Вольт», по предоплате Пункт выдачи DPD, предоплата Рязань г, […]
  • Прокладка провода на лотках Составление локальных смет на прокладку кабелей и проводов Примеры сметных расчетов на монтаж оптического (ВОЛС), оптоволоконного, силового и UTP-кабеля, провода СИП в траншее, лотке, кабель-канале, гофротрубе, коробе. Составим сметный […]
  • Фонарь налобный 220 вольт Фонарь налобный METABO 657003000 Самовывоз (8) Рязань г, Яблочкова проезд д.6, пункт выдачи «220 Вольт», по предоплате Рязань г, Касимовское ш д.12, пункт выдачи «220 Вольт», по предоплате Пункт выдачи DPD, предоплата Почта […]
  • Крепление провода на вл Воздушные линии электропередачи - Монтаж и эксплуатация кабелей § 8. Воздушные линии электропередачи Воздушной линией электропередачи (ВЛ) называют устройство для передачи электрической энергии по проводам, расположенным на открытом […]