Выбросы напряжения в цепях электропитания: проблемы и решения

Телекоммуникационное и промышленное оборудование, а также устройства автомобильной электроники подвержены воздействию разного рода помех, блуждающих по цепям электропитания и способных создавать многочисленные проблемы вплоть до полного выгорания приборов. Чтобы этого не происходило, нужно предусмотреть соответствующие меры защиты. Средства и методы борьбы с электрическими помехами и выбросами напряжения в цепях питания разных приложений, будь то промышленное или телекоммуникационное оборудование, мало чем отличаются. Но, возможно, наиболее агрессивной средой для электронных приборов является система электроснабжения автотранспортных средств, поэтому в этой статье рассмотрены источники выбросов напряжения и возможные варианты защиты именно на примере автомобильных систем электропитания. Основное внимание уделено средствам защиты, основанным на применении специализированных интегральных схем (ИС), выпускаемых компаниями Maxim Integrated Products и Linear Technology [1–7].

Высоковольтные выбросы напряжения малой длительности (единицы микросекунд и менее) вызваны, как правило, коммутацией индуктивных нагрузок: электродвигателей управляющих механизмов, компонентов высоковольтной системы зажигания и других, содержащих катушки индуктивности.
Общие требования, методика проверки кондуктивной помехозащищенности автомобильного оборудования, а также модели импульсов, имитирующие кондуктивные помехи в системе электрооборудования, разработаны международной организацией по стандартизации ISO (International Organization for Standardization) и приведены в стандарте ISO 7637 (Road vehicles — Electrical disturbances from conduction and coupling).
Требования к форме и параметрам генерируемых тестовых импульсов, предназначенных для проверки кондуктивной помехозащищенности автомобильного оборудования, описаны в стандарте ISO 7637-2-2004 (Part 2: Electrical transient conduction along supply lines only) [6]. Для тестирования оборудования разработаны восемь моделей импульсов (1, 2а, 2б, 3а, 3б, 4, 5а, 5б), имитирующих выбросы напряжения в автомобильной электропроводке. Структурные схемы их формирования и форма некоторых импульсов приведены на рисунке 1. В таблице 1 даны параметры импульса 1. Как видно, амплитуда выбросов напряжения в автомобильных системах, использующих напряжение 24…27 В может достигать 600 В [6].

Рис. 1. Виды тестовых импульсов и структурные схемы их формирования

В Японии действуют стандарты JASO A-1 и JASO D-1. Некоторые различия параметров импульсов, регламентируемых стандартами ISO 7637-2 и JASO A-1, приведены в таблице 2 [7]. Самые «агрессивные» выбросы напряжения (импульс 5а) порождаются генератором переменного тока при отключенном аккумуляторе. Длительность переходного процесса может составлять несколько сотен миллисекунд, в некоторых случаях — до 1 с или более, при максимальной амплитуде выбросов напряжения более 100 В, что для стандартных полупроводниковых приборов, мягко говоря, небезопасно или, говоря прямо, смертельно.

Было бы разумно для повышения КПД устройств использовать энергию, запасенную в мощных высоковольтных выбросах напряжения отрицательной и положительной полярности, или отказаться от нее. С импульсами отрицательной полярности так и поступают, в простейшем случае на их пути устанавливают барьер — диод, а вот с импульсами положительной полярности дело обстоит сложнее. Можно установить на входе каждого из устройств конденсатор большой емкости, который сглаживал бы выбросы напряжения и аккумулировал запасенную в них энергию. В системе электроснабжения автомобиля для этих целей служит аккумулятор. Однако наиболее мощные помехи генерируются именно при отключенном аккумуляторе. Один из вариантов — использовать импульсные понижающие преобразователи напряжения с расширенным диапазоном входных напряжений. Несколько компаний выпускают стандартные ИС, работающие при расширенном диапазоне входных напряжений — микросхемы LTC3703, LTC3810, MC34063A, MAX5090A/B/C, MAX5092/93, TPS5430, TPS54x40/60. Однако, как показывает практика, амплитуда выбросов напряжения может достигать 150…200 В.
Традиционные до недавних пор средства защиты оборудования от перенапряжений в цепях электропитания были основаны, главным образом, на применении пассивных компонентов: плавких и самовосстанавливающихся предохранителей, газоразрядников, варисторов, катушек индуктивности, конденсаторов, диодов и стабилитронов. Сравнительно недавно начали активно использоваться мощные полупроводниковые ограничители напряжения, так называемые супрессоры или TVS-диоды (TVS-Transient Voltage Suppressor) с пиковой мощностью от сотен ватт до 6–8 кВт.
Ограничитель напряжения на базе TVS-диода имеет большой разброс напряжений пробоя и ограничения, что обусловлено малой крутизной обратной ветви вольт-амперной характеристики, вследствие чего при увеличении протекающего через него тока увеличивается и падение напряжения на диоде (см. рис. 2). Компания Vishay General Semiconductor выпускает несколько типов TVS-диодов, предназначенных для применения в автомобильной электронике — 6KA24, SM5A27, SM6A27, а также ряд других.

Рис. 2. Вольт-амперная характеристика TVS-диода типа 3.0SMCJ33A

Рис. 3. Эпюры падения напряжения и тока через диод (SM5S24A) при его испытании c использованием тестового импульса 5а

Рис. 4. Графики зависимости допустимой амплитуды импульса (VS) от сопротивления источника (Ri) для разных типов диодов

Варисторы имеют значительный ток утечки и непродолжительный срок службы, и, кроме того, их характеристики изменяются в процессе эксплуатации и с течением времени.
На рисунке 5 приведены возможные варианты подключения пассивных компонентов, применяемых для защиты от выбросов напряжения. Вовсе не обязательно включать сразу все, это всего лишь пример. Использование пассивных дискретных компонентов для защиты от выбросов напряжения имеет ряд недостатков, альтернативой может быть применение активной защиты на основе ИС, по крайней мере, для тех приложений, где можно применять низковольтное оборудование.

Рис. 5. Варианты подключения пассивных компонентов для защиты от выбросов напряжения в цепи питания

Принцип работы ИС, обеспечивающих ограничение выбросов напряжения по цепи питания весьма прост, а их упрощенная структурная схема показана на рисунке 6. Как правило, устройство содержит компаратор напряжения с эталонным источником и драйверы MOSFET-транзисторов (с N- или P-каналом). Это минимальный набор. В таких устройствах контролируется входное напряжение либо напряжение после ключа, реализованного на полевом транзисторе. Можно отметить три основных варианта построения структуры.
Вариант 1. При увеличении уровня входного напряжения выше заданного на аппаратном уровне порога (V_THRESHOLD), при котором происходит срабатывание компаратора, полевой транзистор (VT1) закрывается и, соответственно, обрывается цепь питания прибора (см. рис. 6). Недостаток этого решения заключается именно в обрыве цепи питания прибора, т.к. в этом случае напряжение поддерживается только благодаря конденсатору, установленному в цепи питания прибора. Если амплитуда выброса не уменьшится до заданного порога в течение времени разрядки конденсатора, работа прибора будет приостановлена или прекращена. В случае такой топологии остается надеяться только на энергию, запасенную в конденсаторе. Если контролировать напряжение после ключа VT1, появляется возможность не прерывать электропитание прибора.

Рис. 6. Структурная схема активного устройства защиты на базе ИС

Вариант 2. Устройство зашиты работает как электронный ограничитель напряжения, аналогично TVS-диоду, но только с регулируемым напряжением пробоя. После того как ключ закрывается, контролируемое на выходе ключа напряжение начинает снижаться за счет разряда конденсатора, установленного в цепи нагрузки, и, в конечном счете, оно падает ниже напряжения порога срабатывания компаратора, после чего компаратор в очередной раз открывает транзисторный ключ. Как только конденсатор зарядится достаточно большим входным током до порога срабатывания, компаратор снова закрывает ключ VT1. На интервале зарядки конденсатора напряжение меду стоком и истоком транзистора может достигать большой величины (V_IN – V_THRESHOLD), по­этому следует учитывать рассеиваемую на транзисторе мощность.
На рисунке 7 приведена диаграмма изменения выходного напряжения в этом варианте [1]. В такой структуре при входном напряжении, не достигающем порога срабатывания компаратора, транзистор VT1 полностью открыт, и падение напряжения на нем минимально (I·R_DSON), а, следовательно, мала и рассеиваемая мощность. В процессе регулирования выделяемая в транзисторе пиковая мощность может достигать больших значений I·(V_IN – V_THRESHOLD). Так же, как и при использовании ограничивающего напряжение входного TVS-диода, происходит выделение тепла за счет потерь мощности. Ток через TVS-диод определяется, в первую очередь, параметрами источника перенапряжения (его внутренним сопротивлением). В этой топологии небольшая часть энергии высоковольтного выброса используется для подзарядки конденсатора в цепи питания. Итак, при выбросах напряжения на входе, благодаря использованию простого метода управления всего одним транзисторным ключом, напряжение на выходе сохраняется почти постоянным и релаксирует примерно в границах 5%, что определяется величиной гистерезиса встроенного компаратора.

Рис. 7. Напряжение на выходе устройства ограничения выбросов напряжения

Вариант 3. При увеличении уровня входного напряжения выше заданного схема управления транзисторным ключом, имеющаяся в ИС, переходит в режим стабилизации напряжения с непрерывным управлением, что существенно увеличивает мощность рассеивания на проходном транзисторе в интервалах выбросов напряжения.
Во всех вариантах, как правило, предусматривается возможность использования на входе устройства дополнительного транзистора VT2 (см. рис. 6), который заменяет диод в качестве барьера от выбросов напряжения отрицательной полярности. Обычно применяют транзисторы типа P-MOSFET, поскольку они проще в управлении. Не исключено и использование для этих целей транзисторов типа N-MOSFET, в этом случае в ИС должен быть реализован соответствующий драйвер.
Средства активной защиты от перенапряжения в цепях питания, созданные на основе ИС, имеют ряд преимуществ по сравнению с пассивными компонентами. К ним относятся: большая точность напряжения порога ограничения (в отличие от TVS-диодов), стабильные во времени характеристики (в отличие от варисторов), меньшие размеры (в отличие от громоздких катушек индуктивности и конденсаторов), сниженная рассеиваемая мощность.

Компания выпускает несколько типов ИС, предназначенных для защиты устройств от выбросов напряжения по цепи питания — это MAX6397/MAX6398, MAX6495-MAX6499, MAX16010-MAX16014. Структурные схемы всех этих микросхем во многом аналогичны, а отличают их разные функциональные возможности. ИС MAX6497/98, к примеру, имеют выход сигнала индикации POK (Power OK). Структура микросхемы MAX6496 приведена на рисунке 8. Напряжение питания 5,5…72 В. В этой ИС предусмотрена возможность управления (вывод GATE) внешним транзистором типа N-MOSFET, предназначенным для защиты от перенапряжения, кроме того, микросхема содержит цепь управления (вывод GATEP) полевым транзистором типа Р-MOSFET, используемым в качестве защитного барьерного диода. Микросхема снабжена компаратором со встроенным источником эталонного напряжения 1,24 В, порог срабатывания компаратора регулируется с помощью внешнего резистивного делителя напряжения. Микросхемы MAX6496-MAX6499 выпускаются в корпусе 8-TDFN, ИС MAX6495 — в корпусе 6-TDFN, имеют размеры 3×3 мм и предназначены для работы в диапазоне температур –40…125°C.

Рис. 8. Структурная схема ИС MAX6496

В устройствах, созданных на базе ИС MAX16010–MAX16014, для защиты от выбросов напряжения в качестве проходного используется транзистор типа P-MOSFET. Выводы GATE2 и GATE1 предназначены, соответственно, для управления проходным транзистором и аналогом диода, выполненным на базе полевого транзистора типа P-MOSFET, используемого в качестве барьера при изменении полярности напряжения на входе. Напряжение питания 5,5…72 В. Структурная схема MAX16013 приведена на рисунке 9. Микросхемы MAX16010–MAX16014 выпускаются в корпусе 6-TDFN, с размерами 3×3 мм и предназначены для работы в диапазоне температур –40…125°C.

Рис. 9. Структурная схема ИС MAX16013

Компания предлагает несколько типов ИС, предназначенных для защиты устройств от выбросов напряжения: LT4356, LT4360/1/2, LTC4365. Эти микросхемы обеспечивают защиту оборудования от выбросов напряжения и позволяют обойтись без использования громоздких фильтров, выполненных на базе катушек индуктивности и конденсаторов. ИС LT4356 обеспечивает также защиту от короткого замыкания и перегрузок по току, кроме того в качестве защитного барьера от переполюсовки на входе в ней предусмотрено использование внешнего MOSFET-транзистора. В случае переполюсовки на входе предусмотрена встроенная защита входных цепей микросхемы до напряжения –60 В. Для измерения входного тока используется внешний низкоомный резистор. Напряжение питания — 4…80 В. Структурная схема микросхемы LT4356 приведена на рисунке 10.

Рис. 10. Структурная схема ИС LT4356

При защите оборудования от бросков напряжения в цепях питания проблема, собственно, заключается не в том, как и какими средствами ослабить последствия воздействий мощных высоковольтных помех, а в том, как это сделать самым оптимальным образом, обеспечив наилучшие массогабаритные и ценовые показатели и сохранив функциональные возможности электронных приборов и оборудования. Более полную информацию о пассивных и активных средствах защиты от выбросов напряжения в цепях электропитания можно найти в [1—7].