Защита от неисправности с помощью следящего ограничения тока

Microchip LM4041 MIC5159 MIC7221

Монолитные линейные регуляторы можно использовать в большинстве приложений при токах ниже 5 А. Для предотвращения повреждений в аварийных ситуациях большинство производителей этих устройств интегрируют в них цепи ограничения тока и отключения при перегреве. Для токов более 5 А в большинстве линейных источников питания используются контроллеры, позволяющие пользователю выбирать внешний проходной элемент, соответствующий различным требованиям по току. Хотя эти линейные контроллеры могут поддерживать ограничение тока, тепловое отключение в них, как правило, не предусмотрено. Это ограничение требует, чтобы конструкция выдерживала максимальную рассеиваемую мощность и поддерживала приемлемую температуру перехода проходного элемента. К примеру, представим, что используется линейный источник питания 1.8 В/8 А, работающий от шины 2.5 В. Мощность, рассеиваемая проходным элементом, равна

Вебинар «Особенности применения литиевых батареек Fanso (EVE) в популярных решениях» (30.11.2021)

В заданном температурном диапазоне проходной элемент должен быть способен рассеивать это количество энергии и иметь при этом температуру перехода ниже максимально допустимой для данного устройства. Для реализации такого подхода, возможно, потребуется от трех до четырех MOSFET в корпусах габарита D-Pack. Серьезная проблема возникает, когда большая мощность рассеивается при длительном коротком замыкании. Тогда проходной элемент должен обеспечивать рассеивание мощности 20 Вт. В этом случае для поддержания приемлемой температуры перехода пришлось бы включить параллельно 10 MOSFET в корпусах D-Pack. Это значит, что для обеспечения устойчивости устройства к возможным неисправностям потребуется перепроектирование источника питания, которое повлечет за собой увеличение стоимости и размеров печатной платы. Схема на Рисунке 1 решает проблему мощности, рассеиваемой ограничителем тока.

Эта схема обеспечивает прогрессирующее ограничение тока, снижая требования к мощности, рассеиваемой проходным элементом.
Рисунок 1. Эта схема обеспечивает прогрессирующее ограничение тока, снижая требования
к мощности, рассеиваемой проходным элементом.

В схеме используется отдельный контур управления, выполняющий следящее ограничение токов во время неисправности, и не создающий проблем для линейного ограничения тока. При линейном ограничении могут возникать проблемы с отключением ограничителя тока во время запуска схемы и с возвращением к режиму полной нагрузки после исчезновения неисправности. Эти проблемы, как правило, приводят к блокировке регулятора в состоянии ограничения тока. Микросхема IC3, подключенная к верхней шине питания, формирует опорное напряжение, меньшее напряжения питания, которое подается на инвертирующий вход компаратора IC2. Компаратор сравнивает это опорное напряжение с потенциалом вывода резистора R1, подключенного к MOSFET. Когда ток превышает порог ограничения, напряжение на инвертирующем входе IC2 становится выше, чем на неинвертирующем. В этом состоянии на выходе компаратора устанавливается низкий уровень, притягивающий токоизмерительный вход IS микросхемы IC1 к «земле». Порог ограничения тока LIM можно рассчитать по следующей формуле:

Циклическое изменение тока в схеме на Рисунке 1 в случае неисправности.
Рисунок 2. Циклическое изменение тока в схеме на Рисунке 1
в случае неисправности.

Когда напряжение на токоизмерительном выводе становится на 50 мВ ниже входного, выход регулятора отключается. Это приводит к уменьшению тока до нуля и появлению высокого уровня на выходе компаратора. Компаратор имеет выход с открытым коллектором, поэтому напряжение на выводе IS нарастает со скоростью, определяемой постоянной времени R6C3. Выход регулятора остается отключенным, не потребляя тока, до тех пор, пока напряжение на входе IS не достигнет уровня, на 50 мВ меньшего, чем VIN. В этот момент выход включается вновь. R5 и C2 обеспечивают задержку перед повторным включением ограничения тока. Эта задержка предотвращает преждевременное срабатывание ограничителя от тока, заряжающего выходные конденсаторы. Это также дает схеме время для стабилизации и определения того, может ли она обеспечить нагрузку необходимым выходным током. Если нагрузка все еще остается слишком большой, ограничитель срабатывает снова. На Рисунке 2 представлены осциллограммы, иллюстрирующие работу схемы. Хотя это циклическое изменение тока периодически увеличивает его до максимального значения IPK, во времени он интегрируется в более низкий средний ток. Средний ток IAVG можно рассчитать как произведение пикового тока IPK на отношение времени включенного (TON) и выключенного (TOFF) состояния:

Такое снижение среднего тока эквивалентно снижению рассеиваемой мощности. При токе 1.2 А рассеиваемая мощность снижается до 3 Вт.

Материалы по теме

  1. Datasheet Microchip LM4041
  2. Datasheet Microchip MIC5159
  3. Datasheet Microchip MIC7221
  4. Datasheet Vishay SUB15P01

EDN

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Circuit folds back current during fault conditions

Изготовление 1-4 слойных печатных плат за $2

7 предложений от 6 поставщиков
Исполнение: SOT23-3. IC, SHUNT REGULATOR; Termination Type:SMD; Case Style:SOT-23; Pins, No. of:3; Temperature, Operating Range:-40°C to +85°C; Accuracy, Percentage:1%; Current, Cathode...
LM4041DIM3-ADJ/NOPB
Texas Instruments
21 ₽
Десси
Россия
Источник опорного напряжения LM4041D12IDBZR
Texas Instruments
35 ₽
LM4041DIM3-1.2/NOPB
Texas Instruments
от 41 ₽
AliExpress
Весь мир
2-10 шт./лот LM4041CIM3X-ADJ СОТ-23 LM4041CIM3-ADJ РСК новый оригинальный IC
55 ₽
Запись вебинара «Микросхемы для защиты цепей питания: ограничители всплесков напряжения и тока, контроллеры горячей замены, идеальные диоды»
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя