Методы защиты электрических цепей от возможных перегрузок

[BudninIlia]

Тема: Методы защиты электрических цепей от возможных перегрузок

Исполнитель: Буднин Илья Максимович студент группы 142-об(1)

Научный руководитель: старший преподаватель Карпова Татьяна Викторовна

Введение:

 В представленном докладе рассматриваются методы защиты электрических цепей от перегрузок, а именно: от перенапряжения, провалов напряжения и от токов перегрузки. В качестве примера представлены электронные предохранители eFuse и ограничитель напряжения LTC7862.

 Говоря о том, что сейчас большинство современных преобразователей имеют встроенную защиту разного рода, имеется в виду, что потребность в электронных средствах ограничения перегрузки цепей остаётся актуальной. Защита электронных средств требуется во всех случаях, когда требуется защитить отдельные участки цепи, питаемые от преобразователя. Тогда защита преобразователя не сработает при превышении порогового значения тока в отдельной цепи.

 Первым и самым распространенным методом защиты от перегрузки по току можно назвать керамические или полимерные термистора с положительным температурным коэффициентом - РТС. Такие термисторы способны увеличивать сопротивление при нагреве, однако не могут защитить цепи с быстрым применением тока. В ряде случаев они выполняют следующие функции:
- защита от провалов напряжения и перенапряжения;
-защита от токов КЗ;
-настраиваемый уровень порошок максимального тока.
Однако термистор РТС уступает по многим параметрам электронным средствам защиты.
Структурная схема электронного предохранителя представлена на рисунке 1.

Рисунок 1  Структурная схема электронного предохранителя


  Возможна и альтернатива описанных выше функций в виде дискретных компонентов. Но такой вариант менее надёжный и мал в размерах. Обычно при использовании предохранителей важны два  внешних компонента - конденсатор для задания скорости мягкого старта и резистор для определения порогового значения тока. Первый компонент задаёт выходное напряжение, устанавливая при этом скорость его изменения при запуске или замене.

 Защита от токов короткого замыкания
 Стоит уточнить, что при коротком замыкании, точность срабатывания защиты невысокая, и на примере электронного предохранителя TPS25944, его время срабатывания при превышении током заданного порога КЗ составляет 200 нс. Но точность крайне низкая - всего 8% в диапазоне от 0.6-53 А. Такое малое количество времени достигается за счёт использования быстродействующего компаратора. Но не все предохранители конкретно eFuse могут похвастать своими техническими характеристиками.
eFuse AP91352 находится в пределах 5,5-40 мкс - по сравнению с другими предохранителями, этот сильно им уступает.

В описании тому, как происходит защита от перегрузки по току, стоит указать тот факт, что он осуществляется либо за счёт удержания тока на пороговом уровне, либо за счёт разрыва цепи. Работа предохранителей eFuse при удержании тока на пороговом уровне и при размыкании цепи представлены на рисунках 2,3.


Рисунок 2 Пример диаграммы работы предохранителя eFuse при удержании тока на пороговом уровне


Рисунок 3 Пример диаграммы работы предохранителя eFuse при размыкании цепи

Ограничение максимального тока при помощи разрыва цепи
 
 В данном случае при превышении порогового тока запускается таймер, учитывающий уменьшение величины тока. Если она не уменьшится ниже порогового уровня, произойдет размыкание цепи. Последующее замыкание произойдет лишь через фиксированное время, исчисляемое миллисекундами. В случаях, приведенных на рисунках 2,3 приведены варианты защиты при превышении порогового тока, однако в случае КЗ, отключение может происходить быстрее, например TPS25944 - 200 нс.

 Тепловая защита

 Тепловая защита происходит по датчику температуры, встроенного в микросхему eFuse. Рисунок 4 показывает зависимость времени срабатывания тепловой защиты от мощности и температуры окружающей среды. Следует уточнить, что тепловая защита выгодна лишь в случае, когда силовые ключи интегрированы в микросхему электронного предохранителя. Гистерезис тепловой защиты обычно составляет 10-15%.


Рисунок 4 Зависимость времени срабатывания тепловой защиты от рассеиваемой микросхемой мощности и температуры

На текущий момент существует множество компаний, занимающихся производством электронных предохранителей, однако LTC7862, прозванный «высокоэффективным ключевым ограничителем перенапряжений», и недавно появившийся на рынке, способен не уступать своим предшественникам. Несмотря на свое название, помимо ограничения перенапряжения LTC7862 ограничивает максимальный ток, ток короткого замыкания и реализует мягкий старт с заданной скоростью нарастания напряжения, а также имеет защиту от провалов напряжения.


Рисунок 5 Схема включения ограничителя LTC7862

LTC7862 имеет следующие параметры:
-входное напряжение: 4-140 В;
-уровень порогового напряжения (макс.): 60 В;
-пороговый уровень провала напряжения, задается уровнем напряжения на внешнем выводе микросхемы: 4,0 или 7,5 В;
-задержка обнаружения перенапряжения: 1 мкс;
-падение напряжения на токочувствительном элементе при срабатывании защиты (макс.): 50±7 мВ;
-рабочая частота в режиме DC/DC-контроллера, программируется: 50-900 кГц;
-время нарастания сигнала драйверов затвора: 25 нс;
-время спада сигнала драйверов затвора: 15 нс;
-диапазон рабочей температуры: -40…125°C;
-корпус: QFN20 (4×4 мм) TSSOP20.

В заключении, современные предохранители способны защищать электронные компоненты в цепях от перегрузок. Представленные выше примеры предохранителей имеют существенные преимущества, позволяющие им полноценно функционировать и иметь актуальность.