Что нужно знать о методах защиты электронных цепей?

Игнорирование некоторых типов электрических воздействий может привести к повреждению компонентов и, в конечном итоге, к выходу из строя всей системы. Что повышает эффективность схемы защиты и как избежать подводных камней при ее реализации?
2245
В избранное

Игнорирование некоторых типов электрических воздействий может привести к повреждению компонентов и, в конечном итоге, к выходу из строя всей системы. Что повышает эффективность схемы защиты и как избежать подводных камней при ее реализации?

Представьте ситуацию Настойчивый звонок от вице-президента по операциям разбудил главного инженера глубокой ночью в пятницу. «Наш завод встал!» - возбужденно сообщил вице-президент. Видимо, в Оклахома-Сити была сильная гроза, которая сопровождалась множественными ударами молний, в результате работа завода была приостановлена. Теперь главный инженер должен прервать свой мини-отпуск с семьей в Кабос-Сан-Лукас и следующим рейсом лететь домой в Оклахому. Остановка завода – это вопрос жизни и смерти для главного инженера, и он должен быть решен немедленно.

Согласно данным Национальной сети США по регистрации грозовых явлений, в штате Оклахома отмечается в среднем за год 1017989 ударов молний. По грозовой активности это второе место после Флориды, где в среднем фиксируется 1,45 млн. ударов молнии в год, а плотность этих ударов на квадратную милю достигает колоссального значения в 25,3.

Что можно сделать, чтобы предотвратить аварийную ситуацию? Как защититься от природных воздействий, которые могут повредить оборудование, остановить производство, прервать ваш отпуск и грозят неприятностями на работе?

Еще совсем недавно схемы защиты были громоздкими, дорогими и сложными в реализации. К счастью, достижения современной схемотехники и микроэлектроники предоставили разработчикам электронных систем надежные и простые в реализации интегральные решения для защиты электрических цепей.

Зачем нужна защита системы?

Неисправности электронных систем могут возникать из-за превышения напряжения, тока, температуры и по другим причинам. Надежная защита имеет важное значение для продуктивной эксплуатации системы. Разработчики, которые не учитывают эти факторы, испытывают сложности уже на этапе проверочных испытаний. Или, что еще хуже, они сталкиваются с выходом ее из строя уже на заводе. Давайте обсудим три наиболее распространенных типа системных сбоев:

  • из-за превышения рабочих диапазонов напряжения;
  • тока;
  • из-за перегрева оборудования.

Сбой по напряжению питания

Броски напряжения и звон в цепях питания

Удары молнии, перегоревший предохранитель, короткое замыкание, горячая замена отдельных блоков, звон в кабеле и другие причины могут привести к тому, что входное напряжение питания постоянного тока окажется выше или ниже диапазона номинальных значений. На рисунке 1 показан пример короткого замыкания на конце кабеля длиной 10 футов (3 м), что сопровождается переходными процессами в цепи питания постоянного тока, известными также как звон напряжения. При этом напряжение достигает пикового уровня 50,4 В, что почти вдвое выше номинального уровня 24 В. Кроме того, звенящее напряжение также понижается примерно до 11 В (относительно начального напряжения короткого замыкания 0 В). Надежная система должна работать без перерывов при возникновении переходных процессов (звона) в цепи питания, либо, по крайней мере, выдержать его без повреждений.

Звон напряжения в длинном кабеле после имитации кратковременного короткого замыкания (а), настройки испытательной цепи (б) и схема испытательной цепи (в)

Рис. 1. Звон напряжения в длинном кабеле после имитации кратковременного короткого замыкания (а), настройки испытательной цепи (б) и схема испытательной цепи (в)

Подобный звон напряжения также возникает во время горячей замены отдельных блоков, когда плата с разряженными конденсаторами подключается к находящейся под напряжением объединительной плате (рисунок 2) или когда где-нибудь в системе перегорает предохранитель. Ситуация еще более ухудшается при расширенном диапазоне питания постоянного тока. Например, стандарт IEC61131-2 определяет для промышленного программируемого логического контроллера (ПЛК) постоянное номинальное напряжение питания 24 В с допуском -15…20% и с дополнительными выбросами переменного тока до уровня +5%. Таким образом, шина питания 24 В постоянного тока может иметь минимальное значение 19,2 В и максимальное значение 30 В. Если мы будем использовать в вышеупомянутом эксперименте источник питания 30 В постоянного тока, тогда скачок пикового напряжения легко достигнет уровня 60 В.

Горячая замена системной платы

Рис. 2. Горячая замена системной платы

Удар молнии может вызвать высоковольтный скачок напряжения. Для предотвращения его воздействия можно использовать внешнее устройство подавления напряжения переходных процессов, или TVS (Transient Voltage Suppressor), и входной фильтр. Для сглаживания пульсаций напряжения в шинах питания 24 В промышленных систем обычно используют защитные диоды, например SMAJ33A. При бросках напряжения TVS может ограничить повышенное напряжение на уровне 53,3 В. Таким образом, любой электронный компонент, подключенный к шине 24 В, должен выдерживать напряжение не менее 53,3 В.

Входное обратное напряжение

В редких случаях может произойти неправильное подключение системы. Например, автомобильный аккумулятор подключен в обратной полярности. Другой пример – стоечная система, где обслуживающий персонал может неправильно вставить плату или подключить кабель питания в обратной полярности, и так далее. Когда уровень входного напряжения внезапно падает из-за короткого замыкания по входу или низкого уровня сигнала, то выходной конденсатор будет иметь более высокий потенциал, что вызывает состояние обратного напряжения. Аналогичное условие возникает, когда выход внезапно замыкается на шину более высокого напряжения, например, в многожильном связном кабеле. Ошибочные подключения входного обратного напряжения случаются редко, но могут привести к дорогостоящему восстановлению системы и, следовательно, должны быть предотвращены.

Неисправности из-за превышения тока

Перегрузка по току и короткое замыкание

Очевидные неисправности, связанные с током – это перегрузка на выходе и короткое замыкание. Перегрузка по току возникает, когда система работает с превышением возможностей. Короткое замыкание может вызвать неисправный компонент на плате. Бывает даже, что кто-то случайно уронил металлический инструмент на разъем питания или просверлил кабель, - эти действия также могут привести к короткому замыканию. И если плата не защищена, то она может получить непоправимые повреждения или даже загореться.

Бросок пускового тока

Когда плата с разряженными конденсаторами устанавливается в находящуюся под рабочим напряжением систему, происходит бросок тока, устремляющегося в заряжающиеся конденсаторы. Этот неконтролируемый пусковой ток описывается формулой 1:

I = C*dv/dt,   (1)

  • где I – пусковой ток;
  • C – емкость;
  • dv/dt – скорость изменения напряжения на конденсаторе.

Если разряженный конденсатор (при напряжении 0 В) подключен к объединительной плате под напряжением 24 В, то в этом случае дифференциальное значение dv/dt является мгновенным (бесконечно большим), что означает бесконечно большое значение для I (тока). Неуправляемый бесконечно большой пусковой ток может повредить разъемы, взорвать предохранители и вызвать звон в цепях питания на объединительной плате.

Обратный ток

Когда появляется обратное напряжение, как это объяснено в разделе «Входное обратное напряжение», возникающий в обратном направлении ток может привести к серьезному повреждению системы.

Неисправности при чрезмерном выделении тепла

Аварийная защита от превышения температуры

Когда температура системы или компонента достигает опасного уровня, защита от перегрева отключает систему, чтобы предотвратить повреждение и возможное возгорание. Правильно спроектированные системы должны работать, не допуская чрезмерного повышения температуры. Тем не менее, отключение при этом может происходить после возникновения таких неисправностей как:

  • постоянное состояние перегрузки;
  • неисправный системный вентилятор;
  • случайная блокировка входа/выхода охлаждающего воздуха;
  • отказ системы кондиционирования воздуха в помещении и так далее.

Тепловая защита

В чем разница между тепловой защитой и аварийным отключением при перегреве? Тепловая защита имеет больше интеллектуальных функций. Вместо того чтобы ожидать, пока температура достигнет уровня отключения, тепловая защита выдает системе предупреждение и альтернативные варианты, когда из-за первичного повреждения температура выйдет за пределы рабочего диапазона. Система может выбирать допустимые нагрузки, работать с пониженной частотой коммутации и так далее, чтобы уменьшить рассеиваемую энергию. Таким образом, при перегреве можно предотвратить отключение системы и снижение производительности до устранения основной неисправности.

Системные защитные решения

Выбор схемы

Разработчики, которые хотят надежно защитить свои электронные продукты, при проектировании схемы сталкиваются с необходимостью решения разного рода задач . Дискретная или частично интегральная реализация защиты требует большого количества внешних компонентов. Набор допусков и погрешностей параметров всех компонентов нуждается в серьезном анализе и проверке, гарантировать устойчивую длительную работоспособность системы непросто. из-за большого количества компонентов габаритные размеры изделия увеличиваются.

Современные защитные функции системы

В идеальном случае защита системы должна иметь высокую степень интеграции, быть простой в проектировании и не затруднять сертификацию проекта. Вот некоторые ключевые особенности современной защиты на базе ИС (интегральных схем):

  • интегрированные полевые транзисторы типов PFET и NFET для защиты от прямого/обратного напряжения/тока;
  • интегрированные прецизионные датчики тока;
  • программируемые повышенное/пониженное напряжения, пороги ограничения тока и режимы реакции на неисправности;
  • тепловая защита с предупреждающей сигнализацией.

Пример современного системного защитного решения

Чтобы защитить разработанную мной систему от всех рассмотренных ранее схемных неисправностей, я выбрал микросхему MAX17608/9. На сегодняшний день это одна из наиболее надежных и компактных ИС для защиты от бросков высокого напряжения при токе нагрузки до 1 А, отличающаяся высокой степенью интеграции. Эти электронные компоненты соответствуют наиболее строгим стандартам производственной безопасности и потребностям в миниатюризации, поскольку габаритные размеры модульных стоек ПЛК продолжают сокращаться, а внутренности стоек уплотняются вместе с увеличением количества портов ввода/вывода.

На рисунке 3 показана принципиальная схема на основе MAX17608/9. Диапазон напряжения питания этой ИС +4,5…+60 В. Она может выдерживать отрицательное входное напряжение до -65 В. MAX17608/9 включает в себя интегрированные PFET и NFET для защиты от повышенного прямого/обратного напряжения/тока. Микросхема использует программируемые превышение/понижение напряжения, пороги ограничения тока, режимы реагирования на неисправности и тепловую защиту с аварийной сигнализацией. Эта ИС выпускается в крошечном 12-контактном корпусе TDFN-EP и занимает на плате площадку 3х3 мм.

Подключение компактной защитной ИС MAX17608/9 с высокой степенью интеграции

Рис. 3. Подключение компактной защитной ИС MAX17608/9 с высокой степенью интеграции

Помимо наличия целого ряда подходящих мне для использования функций, эта микросхема характеризуется очень высокой точностью измерения тока – на уровне ±3%. Собранная из отдельных компонентов защитная схема обычно имеет точность порядка ±20%. Мне также нужно следить за током, потребляемым системой, и я очень доволен тем, что напряжение на выводе SETI позволяет это легко делать.

Заключение

Все электронные системы подвержены неисправностям из-за бросков напряжения, тока, в результате перегрева и из-за ряда других причин. Для создания работоспособной системы необходима надежная защита. Разработчики, которые не учитывают эти факторы, испытывают сложности уже на этапе проверочных испытаний своей системы. Или, что еще хуже, они могут столкнуться с выходом ее из строя уже на предприятии. От ошибок никто не застрахован, но не стоит рисковать, когда у вас есть выбор защитного решения.

Производитель: LITTELFUSE
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
SMAJ33A
SMAJ33A
LITTELFUSE
Арт.: 852797 ИНФО PDF
Доступно: 9159 шт. 5,10
ESD Suppressors / TVS Diodes 33Vr 400W 7.5A 5% UniDirectional
SMAJ33A 5,10 от 800 шт. 4,40 от 1700 шт. 3,90 от 3700 шт. 3,60 от 10000 шт. 3,50
8765 шт.
(на складе)
394 шт.
(под заказ)
Производитель: Maxim Integrated
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
MAX17608ATC+
MAX17608ATC+
Maxim Integrated
Арт.: 2719222 PDF AN RD
Поиск
предложений
OV/UV AND REVERSE CURRENT PROT, TDFN-12
MAX17608ATC+
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()