Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2006 №8

Интегральные ограничители напряжения для питания бортовых устройств

Голубев Илья


В статье рассмотрено построение тракта питания бортовых электронных устройств с применением специализированных активных интегральных ограничителей напряжения производства компании Maxim. Рассмотрены принципы функционирования и приведены типовые схемы включения нескольких ограничителей.

Структура бортового автомобильного источника питания

Рис. 1. Структурная схема тракта питания
Рис. 1. Структурная схема тракта питания

На рис. 1 приведена упрощенная структура бортового источника питания. Она содержит следующие элементы:

  • Пассивная схема защиты. Ограничивает положительное напряжение бортовой сети и блокирует воздействие напряжения обратной полярности.
  • Активная защита. Функционально близка к схеме защиты на пассивных компонентах, но использует активные компоненты (транзисторы) и позволяет получить значительно лучшее соотношение массогабаритных параметров и электрических характеристик.
  • Ипульсный или линейный регулятор. Приводит напряжение и ток бортовой сети к значениям или нагрузкам, в случае многоканального выхода.

Конкретные электрические характеристики отдельных узлов могут существенно отличаться в разных устройствах. В ряде применений отдельные узлы могут отсутствовать. В последнем случае, как правило, несколько ухудшаются общие технические характеристики устройства и одновременно возрастают требования к оставшимся элементам тракта питания. Приведем некоторые примеры. Бортовое звуковоспроизводящее устройство часто полностью или частично лишено основного регулятора, поэтому имеет узкий диапазон допустимых напряжений питания и крупногабаритную схему пассивной защиты. Другой пример: блок управления двигателем внутреннего сгорания или бортовой компьютер содержат малогабаритную схему пассивной защиты, дополненную линейным или импульсным регулятором с расширенным диапазоном входных напряжений и относительно высокой стоимостью. В то же время перед разработчиками часто встает задача высококачественного питания малогабаритного оборудования при ограниченной себестоимости устройства. Примерами могут служить автомобильная сигнализация со встроенным GSM-модемом или малогабаритный исполняющий блок скрытой установки в составе бортовой охранной системы. В таких случаях выгоднее оказывается применение малогабаритной пассивной схемы защиты с небольшой величиной максимально допустимой поглощаемой энергии, активного ограничителя напряжения и недорогого оконечного регулятора того или иного вида.

Интегральные ограничители напряжения питания для бортового оборудования

Теоретически принцип действия таких устройств предельно прост. Между входом ограничителя напряжения и его выходом, то есть нагрузкой, установлен дискретный полевой транзистор. Затвором транзистора управляет микросхема, контролирующая напряжение питания. Когда напряжение питания превышает разрешенный порог, микросхема выключает полевой транзистор. Остальное время транзистор открыт и обеспечивает беспрепятственное питание нагрузки. Схема применения простого ограничителя и его внутренняя структура приведены на рис. 2.

Рис. 2. Простой ограничитель напряжения
Рис. 2. Простой ограничитель напряжения

Вход Vin питает интегральную схему. Максимально допустимое напряжение на этом входе составляет 80 В. Делитель, подключенный ко входу OVSET, устанавливает порог срабатывания защиты. Вход OUTFB используется внутренним драйвером полевого транзистора. Для питания затвора недорогого n-канального MOSFET-транзистора требуется напряжение, превышающее напряжение питания микросхемы. Поэтому внутри кристалла установлен конденсаторный умножитель напряжения. Компаратор, подключеный ко входу через внутренние цепи микросхемы, определяет порог срабатывания защиты от пониженного напряжения питания. В данном случае его порог срабатывания равен 5 В. Выбор порога не случаен, при меньшем напряжении питания внутренний конденсаторный умножитель может не обеспечить напряжение на затворе внешнего MOSFET-транзистора, необходимое для его полного открывания. Если требуется иной нижний порог рабочего напряжения, следует использовать микросхему с регулируемым нижним порогом и обратить особое внимание на напряжение включения внешнего полевого транзистора. Внутренняя структура и пример использования микросхемы с регулируемым нижним порогом рабочего напряжения приведены на рис. 3.

Рис. 3. Ограничитель напряжения с двумя регулируемыми порогами
Рис. 3. Ограничитель напряжения с двумя регулируемыми порогами

Здесь ограничитель напряжения блокирует питание устройства как при пониженном, так и при повышенном напряжении, что позволяет использовать в качестве вторичного импульсного или линейного регулятора самые простые и недорогие микросхемы. Или даже отказаться от регулятора. Такое решение допустимо в мультимедиа устройствах, которые не влияют на безопасность, но часто создаются в условиях особенно жесткой ценовой конкуренции.

В приведенном на рис. 2 примере микросхема контролирует входное напряжение питания и при необходимости отключает нагрузку. Если делитель напряжения перенести на выход узла, то контролироваться будет выходное напряжение. Соответствующий режим можно рассматривать как ограничение выходного напряжения на заданном уровне. На рис. 4 представлены соответствующая схема включения и эпюры напряжения.

Рис. 4. Ограничение выходного напряжения на заданном уровне
Рис. 4. Ограничение выходного напряжения на заданном уровне

На графиках виден периодический характер процесса в схеме. Это процесс состоит из двух стадий. На первой транзистор находится в линейном режиме, и выходной конденсатор заряжается. На второй он закрыт, и конденсатор разряжается на нагрузку. Период колебаний зависит от емкости конденсатора и тока нагрузки и может меняться в широких пределах. Такой режим работы сопровождается рассеиванием мощности на внешнем MOSFET-транзисторе, что может привести к перегреву. Как видно из рис. 2, на кристалле установлена схема выключения при перегреве. Порог ее срабатывания — около 160 °С. Эта схема предотвращает перегрев микросхемы. Для защиты от перегрева внешнего MOSFET-транзистора следует обратить внимание на топологию платы. Микросхема должна быть размещена как можно ближе к транзистору и не должна иметь собственного теплоотвода. В то же время транзистор, как правило, имеет собственный теплоотвод. Очевидно, транзистор и материалы монтажа должны выдерживать температуру более 160 °С. Повторное включение микросхемы происходит после остывания кристалла до температуры примерно 140 °С.

Заметим, что описанная выше микросхема не защищает нагрузку от воздействия импульсов напряжения питания отрицательной полярности, которые могут присутствовать в бортовой сети автомобиля. Эта задача обычно решается с помощью p-n-диода или диода Шоттки, включенного последовательно со входом питания. Но в случае большого потребляемого тока, или когда к узлу защиты предъявляется требование пониженного падения напряжения, целесообразным оказывается применение двух полевых транзисторов с p- и n-каналами и микросхемы управления. Соответствующая схема включения и внутренняя структура кристалла приведены на рис. 5.

Рис. 5. Ограничение напряжения обратной полярности
Рис. 5. Ограничение напряжения обратной полярности

Основным отличием этой микросхемы от описанной ранее является специальный узел управления затвором дополнительного p-канального полевого транзистора. При отрицательном напряжении питания дополнительный p-канальный полевой транзистор остается закрытым. При положительном — схема формирует стабилизированное открывающее напряжение на затворе p-канального транзистора.

Таблица. Семейство микросхем, ограничителей напряжения
Таблица. Семейство микросхем, ограничителей напряжения

Серия микросхем для построения схем защиты питания бортового оборудования содержит довольно много изделий. Все микросхемы имеют максимальное рабочее напряжение на входе 72 В и максимально допустимое напряжение на входе при обесточенной нагрузке до 80 В. Сравнительные параметры этих микросхем приведены в таблице.

Материалы

При подготовке текста и иллюстраций были использованны спецификации микросхем с сайта www.maxim-ic.com компании Maxim Integrated Products. Кроме того, использовались материалы из раздела Automotive того же сайта. Для быстрого доступа к информации о той или иной микросхеме рекомендуем воспользоваться функцией поиска на сайте.

В серии «Библиотека Гильдии профессиональных технологов приборостроения» группа компаний ИДТ — Издательский Дом «Технологии» выпустила перевод книги Майка Джюда и Кейт Бриндли «Пайка при сборке электронных модулей».

Цель этой книги — обеспечить полезными советами инженерно-технический персонал, занятый на операциях сборки электронной техники. Издание будет интересно широкому кругу читателей, работающих в отраслевых секторах нашей промышленности.

Объем книги 416 стр., ISBN 5-94833-016-8, тираж 1000 экз.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке