CC BY
132Простой детектор перегрузки по току
с быстрым временем срабатывания
Andy FEWSTER Kevin FRICK
Представленная здесь схема — простой быстродействующий детектор перегрузки по току для защиты низковольтных приложений. В отличие от узкоспециализированных контроллеров «горячей замены» (hot-swap), которые дают большую задержку при пуске, вызванную «подсадкой» напряжения, настоящая схема обеспечивает защиту спустя уже 150 мкс после изменения напряжения питания на входе выше 2,7 В. Она также располагает средством ограничения пускового тока во время включения электропитания благодаря хорошему значению предельного напряжения затвора на внешнем р-канальном ключе.
На рис. 1 представлена полная схема детектора перегрузки по току с фиксацией. После подачи питания, напряжение на выходе компаратора COUT близко к нулю. Неинвертирующая буферная схема, образованная Q2 и Q3, гарантирует, что затвор Q1 мощного МОП-транзистора с каналом р-типа, с очень низким сопротивлением в открытом состоянии и низкой отсечкой, выполнен высококачественно. Результирующий ток на нагрузку измеряется с помощью токочувствительного усилителя, который преобразует небольшое напряжение на токочувствительном резисторе Rsense в масштабированное выходное напряжение относительно «земли» на контакте OUT.
Это напряжение, пропорциональное току нагрузки, далее масштабируется на входе неинвертирующего компаратора с фиксацией состояния.
Когда ток нагрузки превысит пороговое напряжение в узле И1-И2, компаратор изменит состояние, вызывая рост выходного напряжения с помощью ИЗ. Когда разность потенциалов между затвором и истоком падает ниже пороговой величины затвора, р-канальный МОП-транзистор отключается. Неинвертирующая буферная схема Q2-Q3 обеспечивает поступление достаточного зарядного и разрядного тока на и с затвора Q1, в результате происходит быстрое переключение.
Выбор компонентов
Контроллер
Для быстродействующей схемы детектора перегрузки по току выбран контроллер МАХ4373, который может работать от источника питания 3,3 В. МАХ4373 включает все элементы, необходимые для получения такой схемы: детектор синфазного дифференциального напряжения, источник опорного напряжения и компаратор с защелкой с сигналом сброса (активный уровень — низкий). Задержка при включении обычно составляет 500 мкс, если использовать Усс, и задержка на прохождение сигнала через компаратор обычно составляет 4 мкс.
Токочувствительный резистор
При выборе значения чувствительного резистора для обеспечения оптимальной точности усиления (обычно от 1 до 1,5%), падение напряжения при номинальном токе должно быть в диапазоне от 75 мВ до 100 мВ для диапазонов усиления 20 и 50 (версии _Т и _Б контроллера МАХ4373).
Г) _ Уж«ХЕ ЙЯЕ _ Т >
1 ШЛО
где 75 мВ > У$Е^$Е > 100 мВ.
РК_8ЕЫЗЕ = ^ЕЖЕ^ЕЖЕ .
Важно учитывать также динамический диапазон выходного сигнала. Необходимо подгонять номинальное выходное напряжение (соответствующее соотношению рабочего тока/тока обнаружения) до напряжения, равного половине напряжения питания. Обратите внимание, что максимальное выходное
Рис. 1. Интегрированные токочувствительный усилитель, компаратор с фиксированным состоянием и источник опорного напряжения образуют быстродействующую низковольтную схему защиты от перегрузки по току
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 ’2006
напряжения УOUт на 250 мВ ниже напряжения питания при Усс. Таким образом, при Усс = +3,3 В, номинальное напряжение У0ит должно примерно составлять 1,4 В. В данном примере контроллер МАХ4373 с усилением, равным 20 (версия_Т) подходит при напряжении срабатывания 70 мВ.
При токе срабатывания 15 А в данном при-
ложении, RS
- 4,6 мОм дают 70 мВ VSE
COMP THRESHOLD
~ RSENSE Ж I SENSE X GAIN
^2 — Vcc x 0)25 В 1 мА
kOm.
Необходимо выбрать из стандартного ряда ближайшую величину к 4,7 мОм. Допуск для Tyco-Meggitt ИЬ73И составляет ±1% (суффикс Б).
Пороговый ток
Настроив усилитель обнаружения тока, необходимо настроить компаратор так, чтобы обеспечить коммутирующее выходное напряжение, подходящее для выключения последовательного переключателя питания. Резистивный делитель напряжения соединяет выход усилителя тока с положительным входом компаратора. Для переключения положительное напряжение на входе компаратора должно превышать внутренне установленное номинальное пороговое напряжение 600 мВ (разброс от 580 мВ до 618 мВ).
РЬЕт-|-п-у-нпг1"1пг1"|-гт-|-гт-|ггщггч-
Ch 11 2.00V B^~~ICh2ГТООУ Bw |М|Ж5йГ| Al Ch4 -Г
MIEI 2.00 V Bwl __________
□ 29,80 %
14,8 А
D: 15,3 А @: 15,3 А
Рис. 2. Результаты теста схемы на рис. 1 показывают примерное время срабатывания 2 мкс
DISSIPATION
- R
ON_MAX
х I
LOAD •
Ток через Л1 и К2 должен быть больше 150 нА и меньше 500 мкА при номинальном выходном напряжении токочувствительного усилителя. Выход компаратора потребляет 1 мА с максимальным напряжением насыщения 600 мВ. Сопротивление Я3, нагрузочного резистора в цепи затвора, рассчитывается с помощью следующей зависимости:
Выключатель питания
Внешний МОП-транзистор с каналом р-типа выбран таким, у которого основные характеристики — пиковый ток, сопротивление в открытом состоянии и напряжение затвора — строго соответствуют конструкции. Сопротивление в открытом состоянии должно выбираться таким, чтобы падение напряжения при номинальном токе было примерно таким же, как токочувствительное напряжение. Эта величина создает практически одинаковое рассеяние мощности на чувствительном резисторе и МОП-транзисторе.
МОП-транзистор Si7485DP (производства 8Дкошх) имеет максимальное сопротивление в открытом состоянии 9 мОм при УС5 = -2,5 В. Этот 20-вольтовый р-канальный транзистор был выбран благодаря своей способности действовать при низких входных напряжениях. Рассеяние в стабильном состоянии в худшем случае равно
При токе нагрузки 15 А и сопротивлении в открытом состоянии 9 мОм МОП-транзи-стор Si7485DP работает при температуре от 40 до 50 °С, что выше температуры окружающей среды, поэтому в конечном приложении необходим дополнительный отвод тепла.
В этом примере характеристика заряда затвора выключателя питания составляет примерно 60 нс. Если нужно быстрое срабатывание, то эта величина выше возможностей управления К3 и выхода сигнала компаратора низкой мощности. Поэтому обязательно присутствие буферной схемы управления затвором. Как описано выше, Q2 и Q3 образуют комплементарный драйвер по схеме эмит-терного повторителя, который обеспечивает значительное усиление тока, поступающего на затвор Q1. Транзисторы выбираются с хорошим коэффициентом усиления по постоянному току, со средним током коллектора от 500 мА до 1 А. Подходяшим выбором будут Zetex Б2Т688В (п-р-п) и Б2Т788В (р-п-р), в корпусе SOT223.
Оолте
GateTime = GTx
PEAK INPUT
Если игнорировать допуск чувствительного напряжения, то общий токочувствительный допуск близок к ±10,8%. Более подробно пределы можно подсчитать с помощью следующего уравнения:
Vr
COMP THRESHOLD
RSENSE X GAIN X
R2
R1+R2
Эксплуатация
Увеличение допусков Величина действительно определяемого тока зависит от разброса параметров согласно следующему:
• Чувствительный резистор: ±1% (ТЬ3А).
• Пределы чувствительного напряжения: ±0,1.
• Допуск усиления составляет: ±5,5% тах (включает усиление и погрешности ухода).
• Допуск резистора компаратора: ±1% (Л1 и Л2).
• Допуск порогового напряжения компаратора: ±3,3%.
Использование резисторов с допуском ±0,1% для R1 и R2 в некоторой степени снижает по-грешность(примерно на ±1%), однако в конечном приложении такие дополнительные затраты могут быть неоправданными.
Переходные процессы при отключении
Основным требованием является быстрая реакция на неисправность и последующее прерывание тока. Однако электроэнергия, оставшаяся как результат распределенной индуктивности силовых проводов, может вызвать пики разрушительного напряжения. Некоторая часть этой энергии поглощается распределенной емкостью в питании нагрузки, но может понадобиться быстрос-рабатывающая схема фиксации перенапряжения для защиты контроллера MAX4373 от переходных напряжений с амплитудой в 28 В или выше.
Результаты
Токовый зонд определяет ток нагрузки на входе( VIN на рис.1). Ток нагрузки растет, пока не достигает пороговой величины и запускает схему. Время срабатывания составляет около 2 мкс (рис. 2).
Автор благодарит Kevin Frick за его топологию, составление и тестирование схемы, представленной на рис. 1.
Более подробную информацию запрашивайте у авторизированных дистрибьюторов w ww .maxim-ic.r u. ■
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 '2006
