Электронные предохранители. Вопросы и ответы

Электронный предохранитель является мощным и универсальным инструментом защиты от перегрузок по току. Вместе с тем, при проектировании электронных предохранителей приходится решать множество задач, например, выбирать оптимальный токовый усилитель. Впрочем, при использовании специализированных ИС самые сложные задачи оказываются решенными.
2004
В избранное

Электронный предохранитель является мощным и универсальным инструментом защиты от перегрузок по току. Вместе с тем, при проектировании электронных предохранителей приходится решать множество задач, например, выбирать оптимальный токовый усилитель. Впрочем, при использовании специализированных ИС самые сложные задачи оказываются решенными.

Традиционный плавкий предохранитель представляет собой простейший элемент защиты от коротких замыканий (рис. 1). Среди его достоинств можно выделить низкую стоимость, высокую доступность, максимальную предсказуемость поведения, высокую надежность, простоту применения. Между собой плавкие предохранители отличаются рейтингом тока, корпусным исполнением и другими характеристиками. Тем не менее, разработчики всегда ищут новые способы решения даже для уже решенных задач, особенно если новые подходы обеспечивают большую гибкость и функциональность. Это касается и проблемы защиты от коротких замыканий. В данной статье в форме вопросов и ответов рассматриваются основные особенности электронных плавких предохранителей (e-fuse или efuse), особое внимание уделяется усилителю тока, который является наиболее важной частью схемы.

TPS25926

Рис. 1. Традиционные плавкие предохранители отличаются рейтингом тока, корпусным исполнением и другими характеристиками. Тип предохранителя выбирается, исходя из требований конкретного приложения

Где можно прочитать об основных характеристиках и особенностях традиционных плавких предохранителей?

В списке литературы приведены ссылки [1, 2], в которых подробно рассматриваются эти вопросы.

Если плавкие предохранители являются простым и надежным элементом защиты от КЗ, то зачем нужно искать альтернативные решения?

Традиционные плавкие предохранители имеют множество достоинств. Вместе с тем у них есть и недостатки, наиболее важными из которых являются: жесткое задание тока срабатывания, невысокое быстродействие (особенно в сравнении с новейшими электронными схемами), необходимость физической замены после срабатывания. Кроме того, точность таких предохранителей при малых токах (в диапазоне 100 мА) оказывается не такой высокой, как хотелось бы большинству разработчиков. В то же время электронные предохранители все чаще используются в автомобилях, платах расширения с возможностью горячей замены и многих других электронных устройствах.

Какая альтернатива существует для плавких предохранителей?

Альтернативой плавким предохранителям становятся полностью электронные предохранители, характеристики которых не так сильно зависят от температуры.

Как выглядит схема электронного предохранителя?

Для создания электронного предохранителя потребуется несколько основных аналоговых компонентов: прецизионный токовый резистор (шунт) [3], усилитель тока (current sense amplifier или CSA) с набором согласованных резисторов, компаратор для формирования сигнала отключения, полевой транзистор для выполнения коммутации нагрузки (рис. 2). Обратите внимание, что электронные предохранители имеют много общего с интеллектуальными силовыми ключами, о которых мы рассказывали в статье «Интеллектуальные ключи. Вопросы и ответы»[3, 4].

Напряжение на шунте (прецизионном резисторе) измеряется дифференциальным усилителем тока, при этом напряжение на входах не привязано к «земле» усилителя

Рис. 2. Напряжение на шунте (прецизионном резисторе) измеряется дифференциальным усилителем тока, при этом напряжение на входах не привязано к «земле» усилителя.

Как работает электронный предохранитель?

Ток нагрузки протекает через шунт и создает на нем падение напряжения, которое усиливается дифференциальным усилителем тока. Поскольку сопротивление шунтового резистора известно, то с помощью несложной аналоговой схемы можно задать пороговое значение тока, с учетом закона Ома: I = V/ R (рис. 2).

Если пороговое значение тока превышено, компаратор формирует аварийный сигнал, и силовой полевой транзистор отключает нагрузку (рис. 3). Время отклика для такой схемы составляет всего несколько микросекунд, что намного меньше, чем у традиционных плавких предохранителей, для которых время срабатывания составляет десятки-сотни миллисекунд. Кроме того, поскольку параметры электронных компонентов слабо зависят от температуры, то температурная зависимость тока срабатывания для электронных предохранителей не является такой существенной проблемой, как для плавких предохранителей.

Полевой транзистор подключен последовательно с нагрузкой и используется для коммутации тока в электронном предохранителе

Рис. 3. Полевой транзистор подключен последовательно с нагрузкой и используется для коммутации тока в электронном предохранителе. Этот транзистор должен иметь очень низкое сопротивление открытого канала, чтобы обеспечивать минимальное падение напряжения и низкую рассеиваемую мощность.

Какие особенности есть у предложенной схемы электронного предохранителя?

Во-первых, резистор и усилитель тока должны обладать минимальной температурной зависимостью. При этом значительная погрешность измерения может быть вызвана как колебаниями температуры окружающей среды, так и саморазогревом шунта. Кроме того, для управления полевым транзистором во многих случаях потребуется драйвер, особенно если речь идет о мощных силовых ключах, работающих с большими токами и напряжениями.

Во-вторых, схема должна иметь некоторый гистерезис, чтобы избежать ложных переключений при возникновении перегрузки по току. Аварийный сигнал с гистерезисом может быть сформирован по-разному, например, с помощью простого аналогового компаратора. Для обнаружения перегрузки по току также могут быть применены алгоритмы цифровой обработки сигналов, для чего потребуется связка из АЦП и микроконтроллера (или процессора). Еще одним вариантом подстройки порога срабатывания становится программируемый цифровой потенциометр.

Однако усложнение схемы не идет на пользу надежности. Поэтому очень важно понять, является ли интеллектуальное поведение электронного предохранителя действительно необходимым или более критичным будет высокий уровень надежности.

Что такое усилитель тока?

Выбор усилителя тока (current sense amplifier или CSA) оказывается не таким простым, как может показаться с первого взгляда. Несмотря на название, в действительности усилитель тока фактически работает с напряжением. При этом на его выходе формируется напряжение, пропорциональное току, протекающему через шунтовой резистор. Тем не менее, многие производители используют термин «усилитель тока», что хорошо подходит в случае со схемой электронного предохранителя.

Чем усилитель тока отличается от обычного операционного усилителя?

Есть несколько важных отличий. Во-первых, усилитель тока по определению является дифференциальным усилителем (diff amp). Это связано с тем, что в большинстве схем шунтовой резистор не подключен к земле. Вместо этого он, как правило, располагается между источником питания и нагрузкой. Поэтому усилитель тока должен работать без привязки к земле, то есть измерять не синфазное, а дифференциальное напряжение.

Это единственное различие?

Нет. В отличие от обычных дифференциальных усилителей усилитель тока, должен обеспечивать работу с широким диапазоном синфазных напряжений. В качестве примера можно рассмотреть случай, когда шунтовой резистор включен последовательно с мощным электродвигателем с рабочим напряжением в несколько десятков вольт (или даже выше). Еще одним примером является схема защиты от КЗ батареи аккумуляторов с высоким суммарным напряжением.

Кроме того, усилитель тока должен гарантировать высокую точность измерений небольших дифференциальных напряжений даже при наличии высоких синфазных напряжений. Современные усилители тока способны выполнять измерения дифференциальных напряжений порядка 10…100 мВ в присутствии синфазных напряжений 50…100 В (а также отрицательных напряжений) без ухудшения точности или потери работоспособности.

Какие еще особенности есть у усилителей тока?

Усилитель тока должен обеспечивать высокую стабильность и точность усиления входного напряжения. Как уже было сказано, в большинстве случаев шунтовые резисторы имеют очень низкое собственное сопротивление. В результате, при протекании даже значительных токов, на них падает порядка 10…100 мВ. Это позволяет, с одной стороны, минимизировать падение напряжения питания, подаваемого на нагрузку, а с другой стороны - снизить уровень рассеиваемой мощности.

Однако столь низкое напряжение не подходит для большинства аналоговых схем из-за наличия шумов и помех. Таким образом, усилитель необходим для нормирования сигнала до приемлемого уровня, обычно 1…10 В. Для установки коэффициента усиления в схеме дифференциального усилителя используются точные и согласованные резисторы. Эти резисторы также должны иметь одинаковые температурные зависимости для того, чтобы любые колебания температуры оказывали минимальное влияние на точность. Другим важным требованием к усилителю тока является сверхнизкое входное напряжение смещения, которое должно быть во много раз меньше, чем измеряемое дифференциальное напряжение на шунтовом резисторе.

Какие еще преимущества есть у электронных предохранителей по сравнению с плавкими предохранителями?

Как и в случае с плавкими предохранителями, электронные предохранители включаются между источником питания и нагрузкой (рис. 4). При этом их функционал может быть гораздо шире. Интегральные электронные предохранители, такие, например, как TPS25925x от Texas Instruments, имеют целый ряд дополнительных функций и особенностей, в том числе программируемую пользователем защиту от просадки напряжения, защиту от перенапряжений, схему автоматического повторного включения, программируемое время включения, которое может быть установлено с помощью внешних компонентов (рис. 5). Возможность настройки времени включения оказывается полезной для осуществления контроля стартового тока при запуске и выполнении «горячей замены» модулей (рис. 6). Несмотря на сложную внутреннюю схему, электронные предохранители довольно просты в использовании и поставляются различными производителями, например, ST Microelectronics, Analog Devices, ON Semiconductor и т. д.

Электронные предохранители просты в использовании

Рис. 4. Электронные предохранители просты в использовании. Как и в случае с плавкими предохранителями, они включаются между источником питания и нагрузкой

Схема электронного предохранителя может включать множество различных блоков, которые добавляют такие функции, как программируемый порог тока отключения, задержка и скорость включения и т.д.

Рис. 5. Схема электронного предохранителя может включать множество различных блоков, которые добавляют такие функции, как программируемый порог тока отключения, задержка и скорость включения и т.д. Все это значительно расширяет функционал и универсальность электронных предохранителей по сравнению с традиционными плавкими предохранителями. 

Электронные предохранители позволяют не только программировать значение тока отключения, но и обеспечивают быстрое отключение нагрузки, а также гистерезис тока при восстановлении после КЗ

Рис. 6. Электронные предохранители позволяют не только программировать значение тока отключения, но и обеспечивают быстрое отключение нагрузки, а также гистерезис тока при восстановлении после КЗ (слева). На рисунке справа: сверху представлена осциллограмма входного напряжения, под ним расположена осциллограмма выходного напряжения, а в самом низу помещена осциллограмма тока

Можно ли использовать электронный предохранитель совместно с обычным плавким предохранителем?

Да, это весьма популярная и распространенная схема. Электронный предохранитель действует как первый, быстрый и гибкий рубеж обороны. Плавкий предохранитель действует как второй и резервный механизм защиты, который гарантирует физическое размыкание цепи в случае катастрофических отказов, чего не может обеспечить электронный предохранитель. Это позволяет системе соответствовать требованиям различных нормативов и стандартов.

Заключение

В данной статье были рассмотрены основные особенности электронных плавких предохранителей, их функциональная схема, а также примеры реализации в виде ИС. В зависимости от требований конкретного приложения электронные предохранители могут использоваться автономно, либо совместно с традиционными плавкими предохранителями. Каждый из типов предохранителей имеет свои преимущества и недостатки, а совместно они способны обеспечить надежную и гибкую защиту от перегрузки по току.

Литература

  1. EEWorld Online, Fuses for power protection, Part 1
  2. EEWorld Online, Fuses for power protection, Part 2
  3. EEWorld Online, Options for current sensing, Part 1
  4. EEWorld Online, Load switches, Part 1: Basic role and principle

 

Производитель: Analog Devices, Inc.
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
LTC1153CS8#PBF
LTC1153CS8#PBF
Analog Devices, Inc.
Арт.: 218398 ИНФО PDF
Доступно: 158 шт.
Выбрать
условия
поставки
CIRCUIT BREAKER, SMD, SOIC8, 1153; Driver IC Type:MOSFET; Outputs, No. of:1; Voltage, Output:46V; Current, Output:50mA; Voltage, Supply Min:4.5V; Case Style:SOIC; Pins, No.…
LTC1153CS8#PBF от 2 шт. от 420,94
158 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
LTC1153IS8#PBF
LTC1153IS8#PBF
Analog Devices, Inc.
Арт.: 278539 ИНФО PDF
Доступно: 169 шт.
Выбрать
условия
поставки
IC, ELECTRONIC CIRCUIT BREAKER, 8SOIC
LTC1153IS8#PBF от 2 шт. от 497,06
169 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
Производитель: Texas Instruments
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
TPS259250-61EVM
TPS259250-61EVM
Texas Instruments
Арт.: 1938573 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 8 шт.
Выбрать
условия
поставки
TPS25925/6, Simple 5V/12V eFuse Protection Switches Evaluation Module
TPS259250-61EVM от 1 шт. от 7672,62
8 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
TPS259250DRCT
Texas Instruments
Арт.: 1938575 PDF AN RD DT
Доступно: 1125 шт.
Выбрать
условия
поставки
5V, 5A, 30mО© eFuse with Adjustable +/-15% Accurate Current Limit 10-VSON -40 to 85
TPS259250DRCT от 197 шт. от 59,78
1125 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
TPS259251DRCT
Texas Instruments
Арт.: 1938577 PDF AN RD
Доступно: 376 шт.
Выбрать
условия
поставки
5V, 5A, 30mО© eFuse with Adjustable +/-15% Accurate Current Limit 10-VSON -40 to 85
TPS259251DRCT от 9 шт. от 177,41
376 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
TPS259260DRCT
Texas Instruments
Арт.: 1938579 PDF AN RD
Доступно: 1134 шт.
Выбрать
условия
поставки
12V, 5A, 30mО© eFuse with Adjustable +/-15% Accurate Current Limit 10-VSON -40 to 85
TPS259260DRCT от 250 шт. от 58,82
1134 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
TPS259261DRCT
Texas Instruments
Арт.: 1938581 PDF AN RD
Доступно: 1090 шт.
Выбрать
условия
поставки
12V, 5A, 30mО© eFuse with Adjustable +/-15% Accurate Current Limit 10-VSON -40 to 85
TPS259261DRCT от 9 шт. от 177,41
1090 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
Производитель: Analog Devices Inc.
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
LTC1153CS8#PBF
LTC1153CS8#PBF
Analog Devices Inc.
Арт.: 3040878 ИНФО PDF
Поиск
предложений
CIRCUIT BREAKER, SMD, SOIC8, 1153
LTC1153CS8#PBF
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()