Электроника
Схемные решения, расширяющие возможности современных микросхем защиты от перенапряжений компании MAXIM INTEGRATED PRODUCTS
В предлагаемой статье рассматриваются два способа модификации этих устройств. Первый - повышение максимального значения входного напряжения устройства. Второй - использование выходного конденсатора в качестве накопителя, чтобы поддерживать энергию в моменты просадок или бросков напряжения. Микросхемы устройств OVP компании Maxim Integrated Products MAX6495-МАХ6499, МАХ6397 и МАХ6398 использованы в качестве примеров, иллюстрирующих эти методики.
Введение
Основной принцип работы микросхем защиты от перенапряжения МАХ6495-МАХ6499, МАХ6397 и МАХ6398 заключается в управлении внешним п-каналь-ным MOSFET-транзистором, включенным последовательно с нагрузкой. Когда напряжение в нагрузке превосходит некоторый порог, задаваемый пользователем, то на выходе GATE формируется низкий уровень сигнала, который запирает MOSFET-транзистор, отсоединяя тем самым нагрузку от входного напряжения.
Типовая схема, представленная в технических описаниях этих устройств, показана на рис. 1 и является подходящей для большинства приложений. Однако для некоторых приложений желательны небольшие изменения принципиальной схемы. Как отмечалось выше, в статье рассматриваются два варианта таких доработок: увеличение максимального входного напряжения UBX и использование выходного конденсатора как накопителя энергии в моменты бросков и провалов напряжения.
Увеличение максимального входного напряжения
Схема, приведенная на рис. 1, работоспособна при бросках входного напряжения UBX (во время переходных процессов, например) до 72В. Тем не менее, некоторые задачи требуют большей степени защиты. Итак, каким образом можно увеличить величину максимального входного напряжения UBX в устройстве OVP?
Рис. 1. Типовое включение микросхемы защиты от перенапряжения МАХ6495
На рис. 2 представлена схема с дополнительным делителем, состоящим из резистора и кремниевого стабилитрона, который позволяет зафиксировать напряжение на входе IN.
Введение дополнительного транзисторного буфера (рис. 3) снижает требования по току для шунтирующего стабилизатора. Однако следует отметить, что такое решение увеличивает стоимость устройства.
При выборе напряжения стабилитрона следует учитывать следующие факторы:
- с одной стороны, напряжение на нем должно быть ниже максимально допустимого значения напряжения на входе IN (UIN) микросхемы (72В) при любых допустимых значениях тока, протекающего через стабилитрон;
- с другой стороны, большая разность между значениями входного напряжения устройства UBX и напряжения UIN на входе микросхемы приводит к рассеиванию значительной мощности впустую, что отрицательно сказывается на эффективности устройства в целом.
Таким образом, номинал резистора R3 должен быть достаточно большим для того, чтобы ограничить рассеиваемую мощность на стабилитроне в моменты бросков напряжения, но и достаточно малым, чтобы обеспечить нормальную работу микросхемы OVP при снижении входного напряжения.
Вычислим номинал резистора R3 для схемы на рис. 2 со следующими условиями:
- напряжение стабилитрона VD2 - 54В;
- пиковое значение входного напряжения - не более 150В;
- мощность, рассеиваемая на стабилитроне VD2, -не более 3Вт.
Отсюда максимальное значение тока, протекающего через стабилитрон:
ЗВт/54В=56 мА.
При этом токе нижний предел сопротивления резистора R3 равен:
(150В-54В)/56 мА=1,7 кОм.
Пиковое значение рассеиваемой мощности на резисторе R3, следовательно, составляет: (56 мА)2х1,7 кОм=5,ЗВт.
Применение резисторов с номиналами, меньшими 1,7 кОм, вызовет увеличение рассеиваемой мощности на резисторе и стабилитроне.
Рис. 2. Схема OVP с повышенным значением входного напряжения
Для вычисления верхнего предела сопротивления резистора R3 должно быть известно минимальное значение входного напряжения микросхемы UIN. Для нормальной работы микросхемы МАХ6495 требуется входное напряжение не ниже 5,5В. Будем считать, что минимальное значение входного напряжения UBX устройства равно 6В, поэтому приемлемое падение напряжения на резисторе R3 в течение нормальной работы равно 500 мВ.
Рис. З. Схема OVP с повышенным значением входного напряжения, использующая транзисторный буфер
Так как максимальное значение тока, потребляемого микросхемой МАХ6495, равно 150 мкА, то соответствующее максимальное значение резистора R3 рассчитывается так:
500 мВ/150 мкА=3,3 кОм.
Рис.4. Типовая схема включения микросхемы OVP. Цепи разряда выходного конденсатора
Номинал резистора R3 для схемы, представленной на рис. 2, был выбран равным 2 кОм, что гарантирует работу устройства. OVP работает со значением входного напряжения UBX несколько ниже, чем 6В.
Заметим, что существенная мощность рассеивается на резисторе R3 и стабилитроне VD2 в моменты бросков напряжения. При переходном процессе, когда превышение напряжения носит продолжительный характер (то есть, дольше, чем несколько десятков миллисекунд), схема, представленная на рис. 3, будет более предпочтительной для такого приложения. Это схема эмиттерного повторителя, позволяющая существенно увеличить допустимое максимальное значение сопротивления R3, снижая значение тока, протекающего через резистор R3 и стабилитрон VD1. Для коэффициента (3 транзистора, равного 100, для питания микросхемы током 150 мкА достаточно 1,5 мкА, протекающего через R3 и VD2. Но в этом случае нельзя пренебрегать обратным током утечки диода VD2 (примерно 5 мкА). Если номинал резистора R3 выбрать равным 10 кОм, то падение напряжения на R3 ограничится величиной 50 мВ, что вполне допустимо.
Кроме того, между катодом диода VD1 и общим проводом нужно подключить керамический конденсатор С2 (минимальная емкость - 1,0 мкФ). Необходимо также убедиться в том, что номинальные напряжения компонентов превышают предельные значения входного напряжения UBX. Особое внимание следует обратить на величину UDS мдх силового транзистора VT1.
Использование выходного конденсатора как накопителя энергии
В случаях превышения входного напряжения типовая схема OVP, чтобы защитить нагрузку, закрывает транзистор VT1 (цепь И на рис. 4) и конденсатор СЗ начинает быстро разряжаться (цепь 12 на рис. 4). Это некритично, если превышения напряжения носят кратковременный характер (броски напряжения) и конденсатор СЗ не успевает существенно разрядиться.
Для некоторых приложений требуется запасти энергию в выходном конденсаторе и сохранить подачу питания на нагрузку в течение более длительного времени (всего переходного процесса). Схема, приведенная на рис. 5, реализует эту операцию.
В микросхемах МАХ6495-МАХ6499, МАХ6397 и МАХ6398 используется внутренний источник тока 100 мА, подключенный к выходу GATE, который предназначен, во-первых, для разряда емкости затвора транзистора и, во-вторых, для разряда выходного конденсатора. Источник тока разряжает затвор (цепь И) до тех пор, пока напряжение на выходе GATE не станет равным напряжению на входе OUTFB. В этот момент полевой транзистор VT1 будет выключен. Источник тока будет продолжать уменьшать напряжение на GATE и, в конечном счете, разряжать выходной конденсатор (цепь 12).
Если допустить, что вход OUTFB будет отключен от нагрузки, то цепь разряда будет разорвана через внутренний диод, а выходной конденсатор будет разряжаться только через нагрузку. Но теперь затвор MOSFET-транзистора не имеет защитного фиксирующего диода, следовательно, может быть превышено предельное значение UGS мдх, что может привести к выходу транзистора из строя.
Рис. 5. Схема OVP, использующая выходной конденсатор в качестве накопителя энергии
Включение внешнего фиксирующего диода (VD1 на рис. 5) между истоком и затвором MOSFET-транзисто-ра создает дополнительный путь между выходом и источником тока 100 мА.
Включая последовательно резистор (R3 на рис. 5) между выходом GATE и затвором транзистора, мы ограничиваем ток разряда. Ограничение тока, соответственно, увеличивает время разряда выходного конденсатора (соответственно, и снятие питания с нагрузки), а также препятствует возникновению крутых бросков напряжения при переходных процессах.
Включение дополнительного конденсатора (С4 на рис. 5) параллельно резистору уменьшает время реакции схемы.
Дополнительный резистор R4 (существенно превышающий по номиналу резистор R3), включенный между выходом устройства и входом OUTFB, делает внутреннюю цепь 12 некритичной к работе схемы. Если микросхемы работают в режиме ограничения выходного напряжения, то есть резистивный делитель OVSET соединен с выходным напряжением (как на предшествующих рисунках), схема периодически добавляет заряд к выходному конденсатору. Когда напряжение на конденсаторе падает ниже порога перенапряжения, то MOSFET-транзистор включается, заряжает конденсатор и выключается, когда напряжение на конденсаторе превышает порог перенапряжения.
Заключение
В данной статье даны некоторые практические решения, позволяющие расширить возможности защиты от перенапряжения микросхем, выпускаемых компанией Maxim Integrated Products. С более подробной информацией можно ознакомиться на сайте компании - www.maxim-ic.com.