Драйвер нижнего плеча с улучшенной защитой от коротких замыканий

Журнал РАДИОЛОЦМАН, июль 2014

Эта простая схема наделяет стандартные драйверы, такие, как выходы обычных логических вентилей, функцией защиты от коротких замыканий, одновременно позволяя им управлять мощной нагрузкой при намного более высоких напряжениях.

Предлагаемая схема основана на решении, опубликованном в [1], где оптоизолятор, подключенный к выходу микроконтроллера, превращает «тупой» драйвер нижнего плеча в «интеллектуальное» устройство с возможностями диагностики и защиты от коротких замыканий.

Схема адаптирует эту концепцию для случаев, когда микроконтроллер в схеме отсутствует, или использовать его для управления схемой нецелесообразно. Кроме того, новый вариант схемы защищает от коротких замыканий даже самые примитивные драйверы, такие, например, как выходные каскады простых логических вентилей (Рисунок 1). В результате маломощное низковольтное устройство приобретает способность управлять мощной нагрузкой, питающейся от намного более высокого напряжения, не подвергаясь риску повреждения коротким замыканием.

Рисунок 1.	Простой драйвер нижнего плеча может защитить от коротких замыканий даже выход простого логического элемента.

Предположим, что конденсатор C1 изначально разряжен, напряжение на выходе драйвера равно нулю, и N-канальный MOSFET Q1 закрыт. Во время перехода выхода драйвера из низкого уровня в высокий продифференцированный элементами C1 и R2 перепад напряжения через резистор R2 проходит на затвор транзистора Q1 и открывает его. Если бы обратная связь через оптоизолятор U1 отсутствовала, конденсатор C1 быстро зарядился бы через резистор R1, напряжение на затворе Q1 упало бы до нуля, и MOSFET выключился бы через несколько миллисекунд. Однако наличие оптрона позволяет схеме эффективно контролировать напряжение на нагрузке.

В нормальном режиме работы при включенном Q1 на нагрузке появляется полное напряжение питания +V_S, через светодиод оптрона U1 течет прямой ток, ограниченный резистором R3, фототранзистор оптрона открывается и шунтирует C1, вследствие чего уровень напряжения на затворе Q1 поддерживается высоким. Таким образом, MOSFET остается открытым, и питание нагрузки не прерывается.

При коротком замыкании нагрузки, независимо от того, в какой момент это произойдет, фототранзистор оптрона U1 закроется, C1 быстро зарядится через R1, и напряжение на затворе Q1 в течение короткого отрезка времени спадает до нуля. Теперь MOSFET выключится, разрывая путь тока нагрузки, и будет оставаться закрытым до тех пор, пока выход драйвера не вернется в низкий уровень (что позволит конденсатору C1 разрядиться), а затем вновь переключится вверх. Схема будет продолжать «сбрасываться» до тех пор, пока не будет устранено короткое замыкание.

Резистор R2 ограничивает ток затвора Q1, чтобы защитить емкость затвор-исток от повреждения при включении драйвера. Одновременно этот резистор может служить средством предотвращения генерации MOSFET. Обычно его сопротивление должно составлять несколько сотен Ом.

Осциллограммы на Рисунке 2 иллюстрируют работу схемы, в которой в качестве Q1 используется транзистор BUK455-60A. Напряжение питания нагрузки +V_S равно 12 В, сопротивление нагрузки 100 Ом, а сигнал драйвера имеет форму меандра с частотой 60 Гц и размахом 5 В.

а) б)
Рисунок 2.	В штатном режиме работы при высоком уровне сигнала управления напряжение на стоке Q1 имеет низкий уровень, и к нагрузке приложено полное напряжение питания (нижняя осциллограмма) (а). При коротком замыкании нагрузки полное напряжение возникает на нагрузке на время менее миллисекунды (б).

В штатном режиме (Рисунок 2а) высокому уровню сигнала управления соответствует низкий уровень на стоке Q1 – все напряжение питания падает на нагрузке.

Осциллограмма на Рисунке 2б соответствует короткому замыканию нагрузки. 

Когда напряжение на выходе драйвера становится высоким, выходное напряжение схемы на стоке Q1 очень быстро падает до нуля (менее, чем за миллисекунду), после чего сразу же возвращается обратно до уровня +12 В. Другими словами, при коротком замыкании нагрузки полное напряжение питания появляется на ней на время менее одной миллисекунды, после чего происходит «сброс» схемы, и выходное напряжение падает до нуля.

В случае неисправности нагрузки схема включится лишь на короткий промежуток, определяемый, в основном, величиной постоянной времени C1, R1. Если это время будет слишком коротким, при работе схемы в нормальном режиме оптрон не успеет полностью открыться и зашунтировать C1. А при слишком большой постоянной времени амплитуда кратковременного броска тока, возникающего при коротком замыкании нагрузки, может превысить допустимые для MOSFET значения, и транзистор будет поврежден.

Пробная схема уверенно работала при C1 = 22 нФ и R1 = 56 кОм. Включенный последовательно со стоком Q1 необязательный токоограничивающий резистор R_CL с типичным сопротивлением в несколько ом позволяет ограничить максимальный выходной ток на безопасном уровне.

Ссылки

1. «Наделите интеллектом простой автомобильный драйвер верхнего/нижнего плеча». РадиоЛоцман, 2013, март, стр. 47.