Минимизация тока короткого замыкания в контроллере горячей замены

Из-за внутренней задержки автоматического выключателя и конечного тока затвора MOSFET многие контроллеры горячей замены не ограничивают ток в первые 10 – 50 мкс после короткого замыкания выхода. Результатом может быть кратковременный всплеск тока амплитудой в несколько сотен ампер. Простая внешняя схема может решить эту проблему, минимизируя начальный скачок тока и прервав ток короткого замыкания в течение 200 – 500 нс. Типичная схема 12-вольтового контроллера горячей замены с максимальным током 6 А, как и многие другие, содержит медленные и быстрые компараторы с порогами срабатывания 50 и 200 мВ (Рисунок 1). Токоизмерительный резистор R_S сопротивлением 6 мОм обеспечивает номинальный порог срабатывания медленного компаратора при 8.3 А в условиях перегрузки и срабатывание быстрого компаратора при 33.3 А для коротких замыканий. Только сопротивления схемы ограничивают начальный всплеск тока короткого замыкания в течение периода, который включает в себя задержку быстрого компаратора и 30 мкс, необходимых для полного прерывания короткого замыкания путем разряда емкости затвора M₁. Свой вклад в сопротивление схемы вносят различные элементы, такие как резистор R_S и сопротивление открытого транзистора M₁. Осциллограмма, снятая во время короткого замыкания, показывает, что пиковый ток 400 А (падение напряжения на R_S равно 2.4 В) снижается до 100 А за 28 мкс (Рисунок 2).

Рисунок 1.	Типичная схема контроллера горячей замены ограничивает пиковый ток короткого замыкания 400 А примерно за 30 мкс.

Рисунок 2.	Ток короткого замыкания 400 А в схеме на Рисунке 1 уменьшается до 100 А за 28 мкс.

Длительность тока короткого замыкания можно ограничить значением менее 0.5 мкс, добавив p-n-p транзистор Дарлингтона Q₁ для ускорения разряда емкости затвора (Рисунок 3). Диод D₁ позволяет затвору нормально заряжаться при включении, но при выключении ток контроллера 3 мА, разряжающий затвор направляется в базу Q₁. Затем быстро срабатывает транзистор Q₁, разряжая емкость затвора менее чем за 100 нс. Таким образом, сильноточный период короткого замыкания ограничивается временем, немного большим, чем время задержки быстрого компаратора, составляющее 350 нс. Кажущийся обратный выброс тока и резкий рост сигнала на Рисунке 4 возникают из-за паразитной последовательной индуктивности токоизмерительного резистора. Схема на Рисунке 5 может ограничить ток короткого замыкания примерно до 100 А менее чем за 200 нс. P-n-p транзистор Q_1A, который срабатывает, когда напряжение на R_S достигает примерно 600 мВ, управляет n-p-n транзистором Q_1B, обеспечивающим быстрый разряд емкости затвора M₁. Крутое нарастание импульса напряжения способствует быстрому срабатыванию p-n-p транзистора.

Рисунок 3.	Добавление транзистора Q1 увеличивает ток разряда емкости затвора, ограничивая длительность тока короткого замыкания значением менее 0.5 мкс.

Рисунок 4.	Крутое нарастание и обратный выброс в схеме на Рисунке 3 являются артефактами паразитной индуктивности токоизмерительного резистора.

Земляной щуп осциллографа является причиной артефакта, проявляющегося на Рисунке 6 как генерация на переднем фронте. Опять же, как и на Рисунке 4, кажущийся обратный выброс тока и резкий рост сигнала на Рисунке 6 возникают из-за паразитной последовательной индуктивности токоизмерительного резистора. Конденсатор C₂ подключается между затвором и истоком транзистора M₁ для снижения положительного скачка напряжения, возникающего на затворе во время короткого замыкания. Стабилитрон D₁ уменьшает ток стока открытого транзистора (I_D(ON)), ограничивая его напряжение затвор-исток (V_GS) до уровня менее 7 В, максимально доступного на выходе MAX4272. Хотя указанное в документации напряжение стабилизации D₁ равно 5.1 В при токе 5 мА, в этой схеме стабилитрон ограничивает V_GS на уровне примерно 3.4 В, поскольку ток заряда затвора микросхемы составляет всего 100 мкА. Ограничение V_GS снижает I_D(ON) ценой некоторого увеличения сопротивления открытого транзистора, но позволяет быстрее выключить M₁. Использовать D₁ и C₂ для некоторого уменьшения I_D(ON) во время коротких замыканий можно также в схемах на Рисунках 1 и 3.

Рисунок 5.	Этот контроллер горячей замены может быстро ограничивать пиковые токи короткого замыкания.

Рисунок 6.	На этой осциллограмме показаны броски тока короткого замыкания для схемы на Рисунке 4.

Любая из двух схем может защитить источник питания объединительной платы, минимизируя энергию, рассеиваемую при коротком замыкании в схеме контроллера горячей замены. Более простая схема (Рисунок 3) значительно укорачивает импульс тока короткого замыкания до длительности несколько менее 500 нс, а чуть более сложная схема (Рисунок 5) снижает пиковый ток короткого замыкания до 100 А, а также сокращает длительность импульса менее чем до 200 нс. В большинстве схем контроллеров горячей замены можно использовать любой из этих методов. Индивидуальные результаты различаются в зависимости от импеданса источника питания, сопротивления короткого замыкания, а также от характера и скорости нарастания самого процесса короткого замыкания. Обратите внимание, что чрезвычайно трудно добиться повторяемого низкого сопротивления короткого замыкания путем ручного манипулирования закорачивающей перемычкой. Для создания источника питания с очень низким эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) потребуется тщательная разводка печатной платы и использование конденсаторов с низким ESR.

Материалы по теме

1. Datasheet Maxim MAX4272
2. Datasheet Fairchild FDS7788
3. Datasheet ON Semiconductor FFB2227A
4. Datasheet Diodes MMBTA64