Одноразовый пусковой транзистор

Была середина 1990-х, и я работал инженером-конструктором в компании, разрабатывающей и производящей заказные измерительные системы и силовую электронику. Диапазон интересов наших клиентов простирался от систем управления экспериментальными термоядерными реакторами до предприятий электроэнергетики.

Однажды мой шеф предложил мне присоединиться к нему в конференц-зале, чтобы встретиться с какими-то представителями производителя машин для общественного транспорта. Он сказал, что у них возникли проблемы с продукцией одного из их поставщиков, и они просят нашей помощи.

Мы встретились с руководителем проекта компании-производителя вагонов метро и инженером одного из их поставщиков. Продукт представлял собой новый красный задний фонарь, устанавливаемый на вагоны метро. Вопреки своему названию, задний фонарь размещался на обоих концах вагонов, поскольку большинство вагонов метро движутся в обоих направлениях попеременно. Проблема состояла в том, что несколько раз фонарь работал нормально, а затем выходил из строя.

Узел фонаря содержал как светодиоды, так и электронный блок питания для них. Они показали нам схему, часть которой изображена на Рисунке 1.

Рисунок 1.	Часть оригинальной схемы, нарисованная по памяти.

Входное питание составляет 74 вольта постоянного тока и поступает от батареи. Устройство представляет собой неизолированный обратноходовой понижающий DC/DC преобразователь, питающий встроенные светодиоды. В нем используется микросхема контроллера U1 с отдельным мощным MOSFET, на моей схеме не показанным. MOSFET переключает первичную обмотку трансформатора-дросселя T1. Трансформатор имеет две вторичные обмотки. Основная обмотка идет на выпрямитель и фильтр (не показан), а затем на светодиоды (не показаны). Напряжение вспомогательной обмотки выпрямляется диодом D2 и фильтруется конденсатором C1. Этим напряжением питается микросхема контроллера. Основная нагрузка представляет собой параллельно-последовательную комбинацию красных светодиодов, рассеивающих порядка 15 Вт.

Контроллер не может питаться напрямую от батареи, поскольку ее напряжение превышает максимально допустимое напряжение питания микросхемы. Кроме того, поскольку контроллер управляет затвором MOSFET, на него нельзя подавать напряжение более 20 В, чтобы он не разрушил MOSFET.

Разработчики задних фонарей рассчитали, что если подключить вывод V_CC микросхемы U1 к ограничителю на основе стабилитрона и резистора, потери мощности на питание микросхемы составят более 2 Вт, что снизит общий КПД примерно на 15%.

Поэтому они решили использовать цепь запуска, чтобы в первый момент она запитывала микросхему, а после того, как преобразователь заработает, питание микросхемы переключалось бы на выход преобразователя. Им также было необходимо отключать эту пусковую цепь. Они использовали последовательный резистор R2, подключенный к коллектору малосигнального высоковольтного биполярного транзистора Q1, имеющего достаточный запас по напряжению и току. Эмиттер транзистора Q1 подключен к выводу питания микросхемы, куда так же подается выпрямленное напряжение второй вторичной обмотки. База Q1 соединена со стабилитроном D1, подключенным к входному напряжению через высокоомный резистор R1. Как только преобразователь запускается и начинает работать, напряжение вспомогательной обмотки выпрямляется диодом D2 и фильтруется конденсатором C1. Напряжение V_CC увеличивается до уровня, превышающего напряжение стабилитрона D1, и переход база-эмиттер транзистора Q1 смещается в обратном направлении. Ток прекращается, и потери в цепи запуска снижаются практически до нуля. В целом, полдюжины малосигнальных компонентов стоят намного меньше, чем один или два мощных элемента, поэтому решение, которое они выбрали для схемы запуска, вполне разумно.

Проблема в том, что транзистор Q1 неоднократно выходил из строя. Преобразователь быстро запускался, и, по заверениям конструктора, ни одна деталь не перегревалась.

Я сразу же увидел источник проблемы, но держал рот на замке. Если бы я рассказал им о решении сразу, они собрали бы вещи и не заплатили за нашу консультацию, аргументируя это тем, что потраченное нами время не стоит бумажной работы, необходимой для перевода денег. Мой шеф сказал, что мы будем работать над этим в срочном порядке. Они оставили нам работающее устройство и схему.

Как только они покинули здание, я начал разговор со своим шефом. Проектирование схемы запуска – это ряд компромиссов: надо выбрать напряжение стабилитрона, превышающее минимальное рабочее напряжение микросхемы, рассчитать число витков трансформатора, чтобы получить напряжение более высокое, чем напряжение стабилитрона, но не слишком высокое, чтобы не повредить MOSFET. Проблема усугубляется тем, что преобразователь регулирует ток основной нагрузки, а не выходное напряжение вспомогательной обмотки, и должен работать во всем диапазоне от минимального до максимального напряжения батареи.

Если рабочее напряжение, получаемое от вспомогательной обмотки, намного выше, чем напряжение стабилитрона, обратносмещенный переход база-эмиттер Q1 может пробиться и вывести транзистор из строя. Максимальное напряжение база-эмиттер транзистора MPSA42, аналогичного использованному в схеме в качестве Q1, равно 6 В, и это значение типично для многих биполярных транзисторов. Если уровень обратного тока перехода эмиттер-база низок, переход ведет себя как стабилитрон. При большем токе и более длительном воздействии бета падает, а шум после восстановления нормального режима увеличивается. Если обратный ток чрезмерно велик, то транзистор выходит из строя [1], [2]; именно это и является причиной отказов Q1 в данном изделии.

Я сказал своему шефу, что решение простое: добавить диод D3 между эмиттером транзистора Q1 и выводом V_CC контроллера, как показано на измененной схеме на Рисунке 2.

Рисунок 2.	Часть измененной схемы, нарисованная по памяти.

Он согласился со мной. Я модифицировал устройство. Я тестировал его много раз циклами включения и выключения во всем диапазоне напряжений батареи, и устройство работало идеально.

На следующий день поздно вечером мой начальник позвонил нашему клиенту и сообщил, что мы выявили проблему и предложили простое и недорогое решение. Спустя неделю наш клиент сообщил, что производитель согласился с нашим решением проблемы, и все они очень довольны нашей работой.

Извлеченные уроки заключаются в следующем:

1. Остерегайтесь обратного смещения перехода база-эмиттер биполярного транзистора.
2. Проводите тщательную проверку проекта, руководствуясь списком «заповедей» разработчика. Хорошим началом будет [3].
3. Подумайте, прежде чем давать ответы клиентам; ваш начальник платит вам зарплату их деньгами, не рассказывайте сразу все, что знаете.
4. И самое главное: никогда не позволяйте клиенту выглядеть дураком.

Ссылки

1. Pease, Robert A. Troubleshooting Analog Circuits. Butterworth-Heinemann, 1991. Page 77.
2. Motchenbacher C. D. and J. A. Connelly. Low-Noise Electronic Systems Design. John Wiley & Sons, Inc. 1993. page 133.
3. Wallace, Hank. Electronics Design Checklist, [Стр. 2022-06-19].

Материалы по теме

1. Datasheet ON Semiconductor MPSA42