Ako regulátor LTM4641 μModule účinne zabraňuje prepätiu?

Medziľahlé napätia zbernice s nominálnymi hodnotami 24 V ~ 28 V sú bežné v priemyselných, leteckých a obranných systémoch, kde sériovo zapojené batérie môžu byť záložným zdrojom energie a 12 V zbernicové architektúry majú tendenciu byť nepraktické z dôvodu distribučných strát. Rozširujúca sa napäťová medzera medzi systémovou zbernicou a napájacími vstupmi digitálnych procesorov predstavuje konštrukčné výzvy týkajúce sa dodávky energie, bezpečnosti a veľkosti riešenia.

Našťastie regulátor LTM4641 μModule rieši vyššie uvedené problémy prostredníctvom rýchlej a spoľahlivej reakcie a obnovy, ako aj ochrany proti prepätiu na vstupe. 

Tento podiel vám poskytne podrobný úvod do niektorých problémov, ktorým sme čelili v minulosti, a relatívnych riešení vrátane niektorých rizík, výziev a problémov v odvetví, ktorým sme čelili. Ak vás tieto problémy trápili alebo trápia, môžete sa lepšie naučiť, ako ich vyriešiť pomocou regulátora LTM4641 μModule prostredníctvom tohto zdieľania. Pokračujme v čítaní!

Zdieľanie je starostlivosť!

obsah

● Prečo tradičný DC/DC konvertor čelí prepätiu Risk?

● Lacné falošné komponenty spôsobujú drahé bolesti hlavy

● Čo by malo obsahovať plánovanie na zmiernenie rizík?

● Aké sú nedostatky tradičného ochranného obvodu?

● Ako regulátor LTM4641 dosahuje rýchlu a spoľahlivú reakciu a regenerácium Poruchy?

● FAQ

● záver

Prečo tradičný DC/DC menič čelí riziku prepätia?

Ak sa v bode zaťaženia použije jednostupňový neizolovaný znižovací DC/DC menič, musí pracovať s extrémne presným časovaním PFM/PWM. Vstupné prepätia môžu zaťažiť DC/DC meniče, čo predstavuje riziko prepätia pre záťaž. 

Chybné alebo falošné kondenzátory zavedené vo výrobe môžu spôsobiť odchýlky výstupného napätia presahujúce menovité hodnoty záťaže, čo môže spôsobiť široko používané mikroprocesory ako FPGA, ASIC zapáliť.

V závislosti od rozsahu poškodenia môže byť ťažké nájsť hlavnú príčinu. Plán na zníženie rizika prepätia je absolútne nevyhnutný, aby sa predišlo nespokojnosti zákazníkov. 

Tradičné schémy prepäťovej ochrany zahŕňajúce poistku nie sú nevyhnutne dostatočne rýchle ani dostatočne spoľahlivé na ochranu moderných FPGA, ASIC a mikroprocesorov, najmä ak je napäťová koľajnica pred prúdom nominálne 24 V alebo 28 V. Aktívna ochrana na POL DC/DC je nevyhnutná. 

LTM4641 je 38 V menič, 10 A DC/DC stupňovitý regulátor μModule®, ktorý chráni pred mnohými poruchami vrátane výstupného prepätia a zotavuje sa z neho.

Dôležitosť presného načasovania prepínača sa zvyšuje so vstupným napätím a prepätiami Keď existuje veľký rozdiel medzi vstupným a výstupným napätím, spínané DC/DC regulátory sú uprednostňované pred lineárnymi regulátormi pre ich oveľa vyššiu účinnosť. 

● Okraj pre chybu regulátora DC/DC je znížený

Na dosiahnutie malej veľkosti riešenia je najlepšou voľbou neizolovaný stupňovitý prevodník, ktorý pracuje na dostatočne vysokej frekvencii, aby zmenšil požiadavky na veľkosť svojich výkonových magnetov a filtračných kondenzátorov. 

V aplikáciách s vysokým prevodovým pomerom však musí prepínač DC/DC pracovať pri pracovných cykloch až do 3%, čo vyžaduje presné načasovanie PWM/PFM. 

Digitálne procesory navyše vyžadujú prísnu reguláciu napätia rýchla prechodná odozva je potrebné na udržanie napätia v bezpečných medziach. Pri relatívne vysokom vstupnom napätí sa zmenšuje priestor pre chybu v čase zapnutia horného spínača DC/DC regulátora.

Napäťové rázy zbernice, ktoré sa často vyskytujú v aplikáciách v letectve a obranných zariadeniach, predstavujú nebezpečenstvo nielen pre DC/DC menič, ale aj pre záťaž. DC/DC menič musí byť dimenzovaný na reguláciu cez prepätie s rýchlou regulačnou slučkou, aby sa dosiahlo dostatočné potlačenie vedenia. 

Ak DC/DC menič nedokáže regulovať alebo prežiť nárazový prúd zbernice, dôjde k prepätiu v záťaži. Poruchy prepätia sa môžu vyskytnúť aj vtedy, keď sa obtokové kondenzátory záťaže degradujú vekom a teplotou, čo má za následok voľnejšiu prechodovú odozvu záťaže v priebehu životnosti koncového produktu. 

● Kondenzátory sa degradujú za hranice konštrukcie riadiacej slučky

Ak sa kondenzátory degradujú za hranice konštrukcie regulačnej slučky, záťaž môže byť vystavená prepätiu dvoma možnými mechanizmami: 

Po prvé, aj keď regulačná slučka zostane stabilná, silné prechodné udalosti s krokom záťaže budú demonštrovať vyššie odchýlky napätia, ako sa očakávalo na začiatku návrhu. 

Za druhé, ak sa riadiaca slučka stane podmienečne stabilnou (alebo ešte horšie nestabilnou), výstupné napätie môže oscilovať so špičkami presahujúcimi prijateľné limity. 

Kondenzátory sa môžu tiež neočakávane alebo predčasne degradovať pri použití nesprávneho dielektrického materiálu alebo pri vstupe falošných komponentov do výrobného toku.

Návrh a testovanie vysokonapäťového lineárneho napájania Poewr (0 - 200 V)

Lacné falošné komponenty spôsobujú drahé bolesti hlavys

Falošné komponenty zo sivého trhu alebo z čierneho trhu môžu byť lákavé, ale nespĺňajú štandardy pravého výrobku (napr. môžu byť recyklované, regenerované z elektronického odpadu alebo vyrobené z menej kvalitných materiálov). Krátkodobá úspora sa stáva obrovským dlhodobým výdavkom, keď falšovaný produkt zlyhá. Napríklad falošné kondenzátory môžu zlyhať mnohými spôsobmi. Problémy zahŕňajú: 

1. Falošné tantalové kondenzátory trpia vnútorným samovoľným zahrievaním s mechanizmom pozitívnej spätnej väzby až do bodu dosiahnutia tepelného úniku. 

2. Falošné keramické kondenzátory môžu obsahovať poškodený alebo nekvalitný dielektrický materiál, čo má za následok zrýchlenú stratu kapacity s vekom alebo pri zvýšených prevádzkových teplotách. 

3. Keď kondenzátory katastrofálne zlyhajú alebo znížia svoju hodnotu, aby vyvolali nestabilitu riadiacej slučky, amplitúda napäťových priebehov môže byť oveľa väčšia, ako bolo pôvodne navrhnuté, čo ohrozuje záťaž. 

Nanešťastie pre priemysel, falošné súčiastky si stále viac nachádzajú cestu do dodávateľského reťazca a výroby elektroniky, a to dokonca aj v najcitlivejších a najbezpečnejších aplikáciách. 

V správe Výboru pre ozbrojené služby Senátu USA (SASC) zverejnenej v máji 2012 sa zistilo, že vo vojenských lietadlách a zbraňových systémoch sú rozšírené falošné elektronické súčiastky, ktoré by mohli ohroziť ich výkon a spoľahlivosť - systémy vybudované špičkovými dodávateľmi obranného priemyslu. 

V spojení s rastúcim počtom elektronických súčiastok v týchto systémoch - viac ako 3,500 XNUMX integrovaných obvodov v novom Joint Strike Fighter - predstavujú falšované súčiastky riziko výkonu a spoľahlivosti systému, ktoré už nemožno ignorovať. 

Čo by malo obsahovať plánovanie na zmiernenie rizikav?

Akýkoľvek plán na zmiernenie rizika by mal zvážiť, ako bude systém reagovať na stav prepätia a ako sa z neho zotaví. Problémy vrátane: 

1. Je prijateľná možnosť dymu alebo požiaru v dôsledku poruchy prepätia? 

2. Boli by snahy o určenie základnej príčiny a implementácia nápravných opatrení brzdené poškodením spôsobeným prepätím? 

3. Ak by miestny operátor zapol (reštartoval) napadnutý systém, spôsobilo by ešte väčšie poškodenie systému ďalšie brzdenie úsilia o obnovu?

4. Aký je proces a čas potrebný na určenie príčiny poruchy a obnovenie normálnej prevádzky systému?

Aké sú nedostatky tradičného ochranného obvodu?

A tradičná schéma prepäťovej ochrany skladá poistky, kremíkovým riadeným usmerňovačom (SCR) a Zenerovou diódou (obrázok 1). Ak vstupné napájacie napätie prekročí Zenerove prierazné napätie, aktivuje sa SCR a odoberie dostatočný prúd na prepálenie predradenej poistky.

 Obrázok 1. Tradičný obvod prepäťovej ochrany pozostávajúci z poistky, SCR a Zener dióda

● Časovo náročné - Aj keď je tento obvod lacný, doba odozvy tohto obvodu nepostačuje na spoľahlivú ochranu najnovších digitálnych obvodov, najmä ak je predradená napájacia koľajnica medzinapäťová zbernica. Obnova z prepätia je navyše invazívna a časovo náročná. 

● nedostatoks - Tento priamy okruh je relatívne jednoduchý a lacný, ale má nevýhody tohto prístupu: variácie v Prierazné napätie Zenerovej diódy（锚文本，16px，蓝色，arial，加粗，下划线）, prah spustenia brány SCR a prúd potrebný na vypálenie poistky majú za následok nekonzistentné časy odozvy. Ochrana sa môže aktivovať príliš neskoro, aby zabránila nebezpečnému napätiu dostať sa k záťaži. 

● Veľa úsilia na zotavenie - Úroveň úsilia potrebného na obnovenie po poruche je vysoká, čo zahŕňa fyzickú údržbu poistky a reštartovanie systému. Ak uvažovaná napäťová koľajnica napája digitálne jadro, ochranná schopnosť SCR je obmedzená, pretože dopredný pokles pri vysokých prúdoch je porovnateľný alebo vyšší ako napätie jadra najnovších digitálnych procesorov. 

Kvôli týmto nedostatkom nie je tradičná schéma ochrany proti prepätiu vhodná pre konverziu vysokého napätia na nízke napätie DC/DC napájajúce záťaže, ako sú ASIC alebo FPGA, ktoré by mohli byť ocenené v stovkách, ak nie tisíckach dolárov.

Ako regulátor LTM4641 dosahuje rýchlu a spoľahlivú reakciu a zotavenie sa z chýb?

Lepším riešením by bolo presne detekovať hroziaci stav prepätia a reagovať rýchlym odpojením vstupného napájania pri súčasnom vybíjaní nadmerného napätia na záťaži s nízkou impedanciou. To je možné pomocou ochranných funkcií v LTM4641. 

● Kompletné komponenty pre monitorovanie a ochranu

Srdcom zariadenia je 38V, 10A znižovací regulátor s tlmivkou, riadiacim integrovaným obvodom, napájacími spínačmi a kompenzáciou, všetko v jednom balení pre povrchovú montáž. 

Zahŕňa tiež rozsiahle monitorovacie a ochranné obvody na ochranu vysokohodnotných záťaží, ako sú ASIC, FPGA a mikroprocesory. 

LTM4641 neustále sleduje vstupné podpätie, vstupné prepätie, nadmernú teplotu a výstupné prepätie a nadprúd a primerane chráni záťaž. 

● Nastaviteľné prahové hodnoty spustenia

Aby sa predišlo nesprávnemu alebo predčasnému spusteniu ochranných funkcií, každý z týchto monitorovaných parametrov má zabudovanú odolnosť proti poruchám a užívateľsky nastaviteľné prahové hodnoty spustenia s výnimkou nadprúdovej ochrany, ktorá je implementovaná spoľahlivo, cyklus po cykle s riadením prúdového režimu. 

V prípade stavu výstupného prepätia LTM4641 reaguje do 500 ns od detekcie poruchy (obrázok 2).   

 

Obrázok 2. LTM4641 reaguje na stav prepätia do 500 ns, čím chráni záťaž pred napätím

Ochranné riešenia LTM4641

● LTM4641 reaguje svižne a spoľahlivo na ochranu nadradených zariadení a na rozdiel od riešení založených na poistkách sa dokáže po odznení poruchových stavov automaticky resetovať a znova aktivovať. 

● LTM4641 používa interný diferenciálny snímací zosilňovač na reguláciu napätia na napájacích svorkách záťaže, čím sa minimalizujú chyby pochádzajúce zo šumu v bežnom režime a poklesov napätia sledovania PCB medzi LTM4641 a záťažou. 

● Jednosmerné napätie na záťaži je regulované s presnosťou lepšou ako ±1.5 % v závislosti od vedenia, záťaže a teploty. Toto presné meranie výstupného napätia sa privádza aj do rýchleho komparátora výstupného prepätia, ktorý spúšťa ochranné funkcie LTM4641. 

● Keď je zistený stav prepätia, regulátor μModule rýchlo iniciuje niekoľko simultánnych krokov. Externý MOSFET (MSP na obrázku 3) odpojí vstupné napájanie, čím odstráni vysokonapäťovú cestu z regulátora a vysokohodnotnú záťaž. Ďalší externý MOSFET (MCB na obrázku 3) implementuje a nízkou funkcia páčidla, rýchle vybitie bypassových kondenzátorov záťaže (COUT na obrázku 3). 

● Zabudovaný regulátor DC/DC redukcie LTM4641 prejde do zablokovaného stavu vypnutia a vydá chybový signál indikovaný kolíkom HYST, ktorý môže systém použiť na spustenie dobre riadenej sekvencie vypínania a/alebo reset systému. Na detekciu poruchových stavov sa používa vyhradená referencia napätia nezávislá od referenčného napätia riadiacej slučky. To poskytuje odolnosť proti jednobodovému zlyhaniu, ak by referencia riadiacej slučky zlyhala.

 Obrázok 3. Plán ochrany výstupného prepätia LTM4641. Ikony sond zodpovedajú priebehom na obrázku 2

● Ochranné funkcie LTM4641 sú posilnené možnosťami obnovy po poruche. V tradičnej schéme ochrany proti prepätiu/SCR sa spolieha na poistku, ktorá oddelí napájanie od vysokohodnotnej záťaže. Obnova po poruche vypálenia poistky si vyžaduje ľudský zásah – niekoho, kto má fyzický prístup k poistke, aby ju mohol vybrať a vymeniť – čo predstavuje neprijateľné oneskorenie pri obnove poruchy pre vysokú dobu prevádzky alebo vzdialené systémy.

● Na rozdiel od toho môže LTM4641 obnoviť normálnu prevádzku po odstránení chybového stavu buď prepnutím riadiaceho kolíka logickej úrovne alebo konfiguráciou LTM4641 na autonómny reštart po určenom časovom limite. Ak sa chybové stavy znova objavia po obnovení prevádzky LTM4641, vyššie uvedené ochrany sa okamžite znova aktivujú, aby ochránili záťaž.

Vstupná prepäťová ochrana LTM4641

V niektorých prípadoch je samotná výstupná prepäťová ochrana nedostatočná a je potrebná vstupná prepäťová ochrana. Ochranný obvod LTM4641 môže monitorovať vstupné napätie a aktivovať jeho ochranné funkcie v prípade prekročenia prahu napätia nakonfigurovaného používateľom. 

Ak predpokladané maximálne vstupné napätie presiahne hodnotu 38 V modulu, ochranu proti prepätiu na vstupe možno rozšíriť až na 80 V, pričom LTM4641 je stále plne funkčný pridaním externého vysokonapäťového LDO, aby sa zachovali riadiace a ochranné obvody (obrázok 4).

 

Obrázok 4. Vstupná prepäťová ochrana do 80 V pomocou LTM4641 a externého LDO

často kladené otázky

1. Otázka: Aká je úloha regulátora?

Odpoveď: Regulátor dohliada na celý systém a jeho hlavnou zodpovednosťou je zabezpečiť súlad s regulačným rámcom.

2. Otázka: Aký je rozdiel medzi DC / DC prevodníkom a regulátorom?

A: DC/DC meniče regulujú elektrickú energiu zapínaním a vypínaním spínacích prvkov (FET atď.). Na druhej strane regulátory LDO regulujú napájanie riadením odporu FET. DC/DC meniče sú vysoko účinné pri premene elektriny pomocou spínacieho riadenia.

3. Otázka: Prečo potrebujete konvertor DC na DC?

A: DC-DC konvertor sa používa na redukciu vysokonapäťového jednosmerného vstupu na nízkonapäťový jednosmerný výstup určitých špecifických zariadení. Používajú sa tiež na izoláciu niektorých vysoko citlivých komponentov v obvode od ostatných komponentov v obvode, aby sa predišlo akémukoľvek poškodeniu.

4. Otázka: Čo je regulátor jednosmerného / jednosmerného napätia?

A: DC-DC konvertor je elektrický systém (zariadenie), ktorý konvertuje zdroje jednosmerného prúdu (DC) z jednej úrovne napätia na druhú. Inými slovami, konvertor DC-DC berie ako vstup jednosmerné vstupné napätie a vydáva iné jednosmerné napätie. DC-DC menič sa tiež nazýva DC-DC menič výkonu alebo regulátor napätia.

záver

Prostredníctvom tohto zdieľania sa dozvieme o výzvach a priemyselných problémoch a zodpovedajúcich riešeniach v minulosti a o tom, ako ich rieši regulátor LMT4641 μModule. Kombinuje účinný DC/DC regulátor s rýchlym a presným výstupným obvodom prepäťovej ochrany a účinne predchádza rizikám prepätia. Ako si predstavujete tento produkt? Zanechajte svoje komentáre nižšie a povedzte nám svoj nápad!

Prečítajte si tiež

● Regulátory μModuly zmenšujú veľkosť a dizajn napájacieho zdroja

● Ako zistiť Zenerovu diódu Napäťové regulátory?

● Kompletný sprievodca regulátorom LDO v roku 2021

● Ako regulátor LTC3035 LDO vyvažuje nízke výpadkové napätie a malý objem?

Zanechajte správu 

zoznam správ