Простые доработки повышают надежность изолированных DC/DC преобразователей

Журнал РАДИОЛОЦМАН, октябрь 2016

Ron Michallik, Texas Instruments

Electronic Design

В статье описаны изменения схемы и физической топологи платы изолированного DC/DC преобразователя с шунтовым регулятором напряжения, позволяющие повысить устойчивость к электростатическим разрядам и электрическим перегрузкам

Знаете ли вы, что ваш шунтовой регулятор находится в опасности? Не волнуйтесь – проблема решается абсолютно бесплатно.

В изолированных DC/DC преобразователях для передачи сигнала обратной связи от выхода к контроллеру ШИМ обычно используются шунтовые регуляторы (такие, например, как ATL431) и оптические изоляторы. Такая схема эффективна и проста в использовании. Однако лишь немногие разработчики знают о скрытой в ней угрозе электростатических разрядов и электрических перегрузок.

На первый взгляд кажется, что шунтовой регулятор на Рисунке 1 защищен от электрических перегрузок. Перенапряжение на V_OUT приведет к снижению катодного напряжения, и напряжение на опорном выводе не будет расти благодаря внутреннему диоду, включенному между опорным и катодным выводами. Последовательные резисторы защитят шунтовой регулятор, ограничив ток как опорного, так и катодного выводов. Отрицательное напряжение V_OUT также не повредит регулятор, так как диод выпрямителя ограничивает напряжение, а последовательные резисторы ограничивают текущий в регулятор ток.

Рисунок 1.	На первый взгляд, шунтовой регулятор защищен и от электростатических разрядов, и от электрических перегрузок, так как последовательные резисторы ограничивают ток как опорного, так и катодного выводов.

Тем не менее, если вследствие электростатического разряда напряжение на изолирующем промежутке окажется слишком высоким, шунтовой регулятор может быть поврежден. Самым слабым местом в изоляции обычно являются выводы оптрона. После того, как изоляция оптрона будет нарушена, самым простой путь для электростатического разряда, показанный красной линией на Рисунке 2, будет проходить через шунтовой регулятор.

Рисунок 2.	Красной линией обозначен путь электростатического разряда, когда электрическая дуга проходит через выводы оптоизолятора.

Перемещение резистора R1 с анодной стороны диода оптоизолятора на катодную защитит регулятор во время пробоя изоляции. На остальные характеристики и стабильность это перемещение никакого влияния не оказывает. Это эффективное решение, поскольку теперь при повреждении изоляции оптрона ток предпочтет идти в землю через конденсатор. Новый путь прохождения электростатического разряда показан красной линией на Рисунке 3.

Рисунок 3.	Здесь красной линией обозначен новый путь электростатического разряда. Теперь он проходит через другие выводы оптоизолятора.

Поскольку в этом случае шунтовой регулятор находится вне основного пути электростатического разряда, он не будет поврежден. Теперь ток принимает на себя конденсатор, однако он способен поглотить намного бóльшие энергии разряда, чем шунтовой регулятор. В зависимости от того, через какие выводы оптрона проходит электрическая дуга, она по-прежнему представляет значительную опасность для ШИМ-контроллера и определенную опасность для самого оптоизолятора.

Еще одна угроза исходит от плотной компоновки конструкции. Если регулятор или идущие к нему проводники печатной платы расположены слишком близко к изолированным проводникам (не земляным), имеется вероятность того, что электрическая дуга пойдет прямо в шунтовой регулятор или в проводники, к которым он припаян на плате. В этом случае перемещение R1 уже не сможет защитить шунт (Рисунок 4). Для решения проблемы следует развернуть регулятор таким образом, чтобы узел анода (земли) стал ближайшим к печатным проводникам по другую сторону изолирующего промежутка оптрона.

Рисунок 4.	Расположение элементов и топология печатной платы имеют не меньшее значение, чем принципиальная схема, так как физический поворот шунтового устройства изменяет путь прохождения дуги.

Для дополнительной защиты можно добавить внутренний разрядный промежуток между землями одной и другой стороны. Пробивное напряжение этого промежутка должно быть намного более низким, чтобы гарантировать, что дуга не найдет себе другой путь через схему. Из Рисунка 5 хорошо видно, что, пройдя через разрядный промежуток, дуга не нанесет вреда компонентам схемы.

Рисунок 5.	Для дополнительной защиты добавляют искровой промежуток на безопасном отрезке пути между землями схемы. Проходя через этот промежуток, дуга не нанесет вреда компонентам.

Простые изменения схемы могут намного повысить ее устойчивость к электростатическим разрядам, и, как мы и обещали, это ничего не стоит.

Ссылка

Материалы по теме