Com el regulador de mòduls LTM4641 μ prevé de manera eficient la sobretensió?

Les tensions de bus intermèdies de 24 V ~ 28 V nominals són habituals en sistemes industrials, aeroespacials i de defensa on les bateries connectades en sèrie poden ser una font d'alimentació de reserva i les arquitectures de bus de 12 V solen ser poc pràctiques a causa de les pèrdues de distribució. L'ampliació de la bretxa de tensió entre el bus del sistema i les entrades de potència dels processadors digitals presenta reptes de disseny relacionats amb el subministrament d'energia, la seguretat i la mida de la solució.

Afortunadament, el regulador LTM4641 μModule resol els problemes anteriors mitjançant una reacció i una recuperació ràpides i fiables, així com la protecció contra sobretensions d'entrada. 

Aquesta part us donarà una introducció detallada a alguns problemes als quals vam enfrontar-nos en el passat i solucions relatives, inclosos alguns riscos, reptes i problemes de la indústria als quals vam enfrontar-nos. Si heu tingut o teniu problemes per aquests problemes, podeu aprendre millor a resoldre'ls amb el regulador LTM4641 μModule mitjançant aquesta compartició. Seguim llegint!

Compartir és preocupar-se!

Estoig

● Per què el convertidor CC/CC tradicional s'enfronta a una sobretensió Risk?

● Els components falsificats barats generen mals de cap cars

● Què ha de contenir una planificació de mitigació de riscos?

● Quines són les inadequacions del circuit de protecció tradicional?

● Com el regulador LTM4641 aconsegueix una reacció ràpida i fiable i es recuperam Falles?

● FAQ

● Conclusió

Per què el convertidor CC/CC tradicional s'enfronta al risc de sobretensió?

Si s'utilitza un convertidor DC/DC reductor d'una sola etapa no aïllat al punt de càrrega, ha de funcionar amb una sincronització PFM/PWM extremadament precisa. Els esdeveniments de sobretensió d'entrada poden estresar els convertidors DC/DC, presentant un risc de sobretensió per a la càrrega. 

Els condensadors erronis o falsificats introduïts en la fabricació poden provocar excursions de voltatge de sortida que superin els valors nominals de la càrrega que poden causar microprocessadors àmpliament utilitzats com FPGA, ASIC encendre.

Depenent de l'extensió del dany, la causa principal pot ser difícil de trobar. Un pla de mitigació del risc de sobretensió és absolutament necessari per evitar la insatisfacció dels clients. 

Els esquemes tradicionals de protecció de sobretensió que impliquen un fusible no són necessàriament prou ràpids, ni prou fiables, per protegir els FPGA, ASIC i microprocessadors moderns, especialment quan el carril de tensió amunt és de 24 V o 28 V nominals. És necessària una protecció activa al POL DC/DC. 

El LTM4641 és un regulador μModule® reduït de 38 A CC / CC, classificat a 10 V, que defensa i recupera moltes falles, inclosa la sobretensió de sortida.

Importància de l'augment de la temporització precisa del commutador amb la tensió d'entrada i sobretensió Quan hi ha un gran diferencial entre les tensions d'entrada i de sortida, els reguladors de commutació DC/DC s'afavoreixen als reguladors lineals per la seva eficiència molt més alta. 

● Es redueix el marge d'error del regulador DC/DC

Per aconseguir una mida de solució petita, un convertidor descendent no aïllat és la millor opció, que funciona a una freqüència prou alta com per reduir els requisits de mida dels seus condensadors magnètics i de filtre. 

Tanmateix, en aplicacions amb una relació de reducció elevada, un convertidor de commutació CC / CC ha de funcionar en cicles de treball fins al 3%, exigint un temps precís de PWM / PFM. 

A més, els processadors digitals requereixen una regulació estricta de la tensió resposta transitòria ràpida és necessari per mantenir la tensió dins dels límits segurs. A tensions d'entrada relativament altes, es redueix el marge d'error en el temps d'encesa de l'interruptor lateral superior del regulador DC/DC.

Les pujades de tensió del bus, que sovint estan presents en aplicacions aeroespacials i de defensa, representen un perill no només per al convertidor DC/DC, sinó també per a la càrrega. El convertidor DC/DC s'ha de poder regular a través de la sobretensió amb un bucle de control ràpid, de manera que s'aconsegueix un rebuig de línia suficient. 

Si el convertidor DC/DC no pot regular o sobreviure a una sobretensió del bus, es presenta una sobretensió a la càrrega. També es poden introduir falles de sobretensió a mesura que els condensadors de derivació de la càrrega es degraden amb l'edat i la temperatura, la qual cosa resulta en una resposta de càrrega transitòria més fluixa al llarg de la vida útil del producte final. 

● Els condensadors es degraden més enllà dels límits del disseny del bucle de control

Si els condensadors es degraden més enllà dels límits del disseny del bucle de control, la càrrega es pot exposar a sobretensió mitjançant dos mecanismes possibles: 

En primer lloc, fins i tot si el bucle de control es manté estable, els esdeveniments de càrrega transitoris pesats demostraran excursions de tensió més altes del que s'esperava a l'inici del disseny. 

En segon lloc, si el bucle de control esdevé condicionalment estable (o, pitjor encara, inestable), la tensió de sortida pot oscil·lar amb pics que superin els límits acceptables. 

Els condensadors també es poden degradar de manera inesperada o prematura quan s’utilitza un material dielèctric incorrecte o quan els components falsos entren al flux de fabricació.

Disseny i proves d'alimentació lineal d'alta tensió (0 - 200 V)

Els components falsificats barats generen mal de cap cars

Els components falsificats del mercat gris o del mercat negre poden ser atractius, però no compleixen els estàndards de l'article genuí (p. ex., poden ser reciclats, recuperats a partir de residus electrònics o construïts amb materials inferiors). Un estalvi a curt termini es converteix en una gran despesa a llarg termini quan falla un producte falsificat. Els condensadors falsificats, per exemple, poden fallar de diverses maneres. Els problemes inclouen: 

1. S'ha vist que els condensadors de tàntal falsificats pateixen un autoescalfament intern amb un mecanisme de retroalimentació positiva fins al punt d'arribar a la fuga tèrmica. 

2. Els condensadors ceràmics falsificats poden contenir material dielèctric compromès o inferior, la qual cosa provoca una pèrdua accelerada de capacitat amb l'edat o a temperatures de funcionament elevades. 

3. Quan els condensadors fallen catastròficament o es degraden de valor per induir la inestabilitat del bucle de control, les formes d'ona de tensió poden arribar a ser molt més grans en amplitud que la dissenyada originalment, posant en perill la càrrega. 

Malauradament, per a la indústria, els components falsificats cada cop s’obren pas a la cadena de subministrament i al flux de fabricació d’electrònica, fins i tot en les aplicacions més sensibles i segures. 

Un informe del Comitè de Serveis Armats del Senat dels Estats Units (SASC) publicat públicament el maig de 2012 va trobar components electrònics falsificats generalitzats en sistemes d’armes i avions militars que podrien comprometre el seu rendiment i fiabilitat, sistemes construïts pels principals contractistes de la indústria de la defensa. 

Juntament amb l’augment del nombre de components electrònics en aquests sistemes (més de 3,500 circuits integrats al nou Joint Strike Fighter), els components falsificats presenten un risc de rendiment i fiabilitat del sistema que ja no es pot ignorar. 

Què hauria de contenir una planificació de mitigació de riscos?dins?

Qualsevol pla de mitigació de riscos hauria de considerar com respondria el sistema i es recuperaria d'una condició de sobretensió. Els problemes inclouen: 

1. És acceptable la possibilitat de fum o incendi derivat d'una falla de sobretensió? 

2. Els esforços per determinar la causa arrel i implementar accions correctores es veurien obstaculitzats per danys derivats d'una falla de sobretensió? 

3. Si un operador local apagués (reiniciés) un sistema compromès, un dany encara més gran al sistema dificultaria encara més els esforços de recuperació?

4. Quin és el procés i el temps necessari per determinar la causa de l'error i reprendre el funcionament normal del sistema?

Quines són les inadequacions del circuit de protecció tradicional?

A esquema tradicional de protecció contra sobretensions consisteix d'un fusible, un rectificador controlat de silici (SCR) i un díode Zener (figura 1). Si la tensió d'alimentació d'entrada supera la tensió de ruptura de Zener, l'SCR s'activa, obtenint suficient corrent per obrir el fusible aigües amunt.

 Figura 1. Circuit tradicional de protecció contra sobretensions format per un fusible, SCR i Zenedíode r

● Consumició de temps - Tot i que és econòmic, el temps de resposta d'aquest circuit és insuficient per protegir de manera fiable els últims circuits digitals, especialment quan el carril de subministrament aigües amunt és un bus de tensió intermèdia. A més, la recuperació d'una falla de sobretensió és invasiva i requereix molt de temps. 

● Inconvenients - Aquest circuit senzill és relativament simple i barat, però hi ha inconvenients d'aquest enfocament: variacions en el Tensió de ruptura del díode Zener（锚文本，16px，蓝色，arial，加粗，下划线）, el llindar d'activació de la porta SCR i el corrent necessari per saltar el fusible donen lloc a temps de resposta inconsistents. La protecció pot activar-se massa tard per evitar que el voltatge perillós arribi a la càrrega. 

● Molt esforç per recuperar-se - El nivell d'esforç necessari per recuperar-se d'una avaria és elevat, que implica el manteniment físic del fusible i la reinici del sistema. Si el rail de tensió considerat alimenta el nucli digital, la capacitat de protecció d'un SCR és limitada, ja que la caiguda directa a corrents elevats és comparable o superior a la tensió del nucli dels processadors digitals més recents. 

A causa d'aquests inconvenients, l'esquema tradicional de protecció contra sobretensió no és adequat per a càrregues de conversió DC/DC d'alta tensió a baixa tensió com ara ASIC o FPGA que es podrien valorar en centenars si no milers de dòlars.

Com el regulador LTM4641 aconsegueix una reacció ràpida i fiable i es recupera de les avaries?

Una solució millor seria detectar amb precisió una condició de sobretensió imminent i respondre desconnectant ràpidament el subministrament d'entrada mentre es descarrega l'excés de tensió a la càrrega amb un camí d'impedància baixa. Això és possible amb les funcions de protecció de l'LTM4641. 

● Components complets per al seguiment i protecció

Al cor del dispositiu hi ha un regulador reductor de 38 V i 10 A amb l'inductor, el circuit integrat de control, els interruptors d'alimentació i la compensació, tot contingut en un paquet de muntatge superficial. 

També inclou circuits de monitorització i protecció extensos per protegir càrregues d'alt valor com ara ASIC, FPGA i microprocessadors. 

L'LTM4641 manté una vigilància constant per a la subtensió d'entrada, la sobretensió d'entrada, la sobretemperatura i les condicions de sobretensió i sobreintensitat de sortida i actua adequadament per protegir la càrrega. 

● Llindars d'activació ajustables

Per evitar l'execució falsa o prematura de les característiques de protecció, cadascun d'aquests paràmetres monitoritzats té una immunitat contra errors incorporats i llindars d'activació ajustables per l'usuari, a excepció de la protecció contra sobreintensitat, que s'implementa de manera fiable, cicle per cicle amb control en mode actual. 

En el cas d'una condició de sobretensió de sortida, l'LTM4641 reacciona dins dels 500 ns posteriors a la detecció d'error (figura 2).   

 

Figura 2. L'LTM4641 respon a una condició de sobretensió en 500 ns, protegint la càrrega de l'estrès de tensió

Les solucions de protecció de LTM4641

● L'LTM4641 respon de manera àgil i fiable per protegir els dispositius aigües avall i, a diferència de les solucions basades en fusibles, es pot reiniciar i rearmar automàticament després que les condicions d'error hagin desaparegut. 

● L'LTM4641 utilitza un amplificador de sentit diferencial intern per regular la tensió als terminals de potència de la càrrega, minimitzant els errors derivats del soroll de mode comú i les caigudes de tensió de traça de la PCB entre l'LTM4641 i la càrrega. 

● La tensió de CC a la càrrega es regula amb una precisió superior a ±1.5% sobre la línia, la càrrega i la temperatura. Aquesta mesura precisa de la tensió de sortida també s'alimenta al comparador ràpid de sobretensió de sortida, que activa les funcions de protecció de l'LTM4641. 

● Quan es detecta una condició de sobretensió, el regulador μModule inicia ràpidament diversos cursos d'acció simultània. Un MOSFET extern (MSP a la figura 3) desconnecta l'alimentació d'entrada, eliminant el camí d'alta tensió del regulador i la càrrega d'alt valor. Un altre MOSFET extern (MCB a la figura 3) implementa a sota funció de palanca, descarregant ràpidament els condensadors de bypass de la càrrega (COUT a la figura 3). 

● El regulador reductor DC/DC integrat de l'LTM4641 entra en un estat d'apagada tancat i emet un senyal d'error indicat pel pin HYST que el sistema pot utilitzar per iniciar una seqüència d'apagada ben gestionada i/o restabliment del sistema. S'utilitza una referència de tensió dedicada independent de la tensió de referència del llaç de control per detectar condicions de fallada. Això proporciona resistència davant una fallada d'un sol punt, en cas que la referència del bucle de control falla.

 Figura 3. Pla de protecció de sobretensió de sortida LTM4641. Les icones de la sonda corresponen a les formes d'ona de la figura 2

● Les funcions de protecció de l'LTM4641 es veuen reforçades per les seves opcions de recuperació d'errors. En un esquema tradicional de protecció de fusibles de sobretensió/SCR, es basa en un fusible per separar la font d'alimentació de la càrrega d'alt valor. La recuperació d'una fallada de fusible requereix la intervenció humana (algú amb accés físic al fusible per extreure-lo i substituir-lo) introduint un retard inacceptable en la recuperació d'errors per a sistemes remots o amb un temps de funcionament elevat.

● En canvi, l'LTM4641 pot reprendre el funcionament normal un cop s'ha esborrat la condició d'error, ja sigui activant un pin de control de nivell lògic o configurant l'LTM4641 per a un reinici autònom després d'un període de temps d'espera especificat. Si les condicions d'error tornen a aparèixer després que l'LTM4641 torni a funcionar, les proteccions esmentades es tornen a enganxar immediatament per protegir la càrrega.

Protecció contra sobretensions d'entrada de LTM4641

En alguns casos, la protecció contra sobretensió de sortida només és insuficient i es requereix una protecció contra sobretensió d'entrada. Els circuits de protecció de l'LTM4641 poden controlar la tensió d'entrada i activar les seves funcions de protecció si es supera un llindar de tensió configurat per l'usuari. 

Si la tensió d'entrada màxima prevista supera la classificació de 38 V del mòdul, la protecció contra sobretensions d'entrada es pot ampliar fins a 80 V amb el LTM4641 encara completament operatiu afegint un LDO d'alta tensió extern per mantenir vius els circuits de control i protecció (figura 4).

 

Figura 4. Protecció contra sobretensions d'entrada fins a 80 V, utilitzant l'LTM4641 i un LDO extern

Preguntes freqüents

1. P: Quin és el paper d'un regulador?

R: El regulador supervisa tot el sistema, i la seva principal responsabilitat és vetllar pel compliment del marc normatiu.

2. P: Quina diferència hi ha entre el convertidor DC / DC i el regulador?

R: Els convertidors DC/DC regulen l'energia elèctrica activant i apagant elements de commutació (FET, etc.). D'altra banda, els reguladors LDO regulen el subministrament d'alimentació controlant la resistència encesa dels FET. Els convertidors DC/DC són molt eficients a l'hora de convertir l'electricitat mitjançant el control de commutació.

3. P: Per què necessiteu un convertidor de CC a CC?

R: El convertidor DC-DC s'utilitza per reduir l'entrada de CC d'alta tensió a la sortida de CC de baixa tensió de certs equips específics. També s'utilitzen per aïllar alguns components altament sensibles del circuit d'altres components del circuit per evitar danys.

4. P: Què és el regulador de tensió DC / DC?

R: Un convertidor DC-DC és un sistema elèctric (dispositiu) que converteix fonts de corrent continu (DC) d'un nivell de tensió a un altre. En altres paraules, un convertidor DC-DC pren com a entrada una tensió d'entrada DC i emet una tensió DC diferent. Un convertidor DC-DC també s'anomena convertidor de potència DC-DC o regulador de tensió.

Conclusió

Mitjançant aquesta participació, coneixem els reptes i els problemes de la indústria, i les solucions corresponents en el passat, i com els soluciona el regulador LMT4641 μModule. Combina un regulador de CC/CC eficient amb un circuit de protecció de sobretensió de sortida ràpid i precís i evita de manera eficient els riscos de sobretensió. Com et sembla aquest producte? Deixa els teus comentaris a continuació i explica'ns la teva idea!

També llegiu

● Reguladors μModule Mida de la font d’alimentació reduïda i esforç de disseny

● Com detectar el díode Zener Reguladors de tensió basats?

● Una guia completa del regulador LDO el 2021

● Com el regulador LTC3035 LDO equilibra la baixa tensió de caiguda i el petit volum?

Deixa un missatge 

Llista de missatges