Jak regulátor LTM4641 μModule účinně zabraňuje přepětí?

Mezilehlá napětí sběrnice o nominálních 24V~28V jsou běžná v průmyslových, leteckých a obranných systémech, kde sériově zapojené baterie mohou být záložním zdrojem energie a 12V sběrnicové architektury bývají nepraktické kvůli distribučním ztrátám. Rozšiřující se napěťová mezera mezi systémovou sběrnicí a napájecími vstupy digitálních procesorů představuje konstrukční problémy týkající se dodávky energie, bezpečnosti a velikosti řešení.

Regulátor LTM4641 μModule naštěstí řeší výše uvedené problémy prostřednictvím rychlé a spolehlivé reakce a obnovy a také ochrany proti přepětí na vstupu. 

Tento podíl vám poskytne podrobný úvod k některým problémům, kterým jsme čelili v minulosti, a relativním řešením, včetně některých rizik, výzev a průmyslových problémů, kterým jsme čelili. Pokud vás tyto problémy trápí nebo trápí, můžete se lépe naučit, jak je vyřešit pomocí regulátoru LTM4641 μModule prostřednictvím tohoto sdílení. Pokračujme ve čtení!

Sdílení je péče!

Obsah

● Proč tradiční DC/DC měnič čelí přepětí Risk?

● Levné padělané komponenty způsobují drahé bolesti hlavy

● Co by mělo obsahovat plánování zmírňování rizik?

● Jaké jsou nedostatky tradičního ochranného obvodu?

● Jak regulátor LTM4641 dosahuje rychlé a spolehlivé reakce a regeneracem Závady?

● FAQ

● Proč investovat do čističky vzduchu?

Proč tradiční DC/DC měnič čelí riziku přepětí?

Pokud je v místě zátěže použit jednostupňový neizolovaný snižující DC/DC měnič, musí pracovat s extrémně přesným časováním PFM/PWM. Přepětí na vstupu může zatížit DC/DC měniče, což představuje riziko přepětí pro zátěž. 

Chybné nebo padělané kondenzátory zavedené ve výrobě mohou způsobit výkyvy výstupního napětí překračující jmenovité hodnoty zátěže, což může způsobit široce používané mikroprocesory jako FPGA, ASIC zapálit.

V závislosti na rozsahu poškození může být obtížné najít hlavní příčinu. Aby se předešlo nespokojenosti zákazníků, je naprosto nezbytný plán zmírnění rizika přepětí. 

Tradiční schémata přepěťové ochrany zahrnující pojistku nejsou nezbytně dostatečně rychlá, ani dostatečně spolehlivá, aby chránila moderní FPGA, ASIC a mikroprocesory, zvláště když je předřazená napěťová lišta nominální 24V nebo 28V. Aktivní ochrana na POL DC/DC je nezbytná. 

LTM4641 je 38V 10A DC/DC snižující μModule® regulátor, který chrání před mnoha chybami a zotavuje se z nich, včetně výstupního přepětí.

Důležitost přesného časování přepínače se zvyšuje se vstupním napětím a rázy Když existuje velký rozdíl mezi vstupním a výstupním napětím, jsou spínací DC/DC regulátory upřednostňovány před lineárními regulátory pro jejich mnohem vyšší účinnost. 

● Okraj pro chybu regulátoru DC/DC je snížen

Pro dosažení malé velikosti řešení je nejlepší volbou neizolovaný snižující měnič, který pracuje na dostatečně vysoké frekvenci, aby zmenšil požadavky na velikost jeho výkonových magnetů a filtračních kondenzátorů. 

V aplikacích s vysokým poměrem snižování však musí DC/DC spínací konvertor pracovat při pracovních cyklech nižších než 3 %, což vyžaduje přesné časování PWM/PFM. 

Kromě toho je u digitálních procesorů vyžadována přísná regulace napětí a rychlá přechodná odezva je potřeba k udržení napětí v bezpečných mezích. Při relativně vysokých vstupních napětích se prostor pro chybu v době zapnutí horního bočního spínače regulátoru DC/DC snižuje.

Napěťové rázy sběrnice, které se často vyskytují v leteckých a obranných aplikacích, představují nebezpečí nejen pro DC/DC měnič, ale také pro zátěž. DC/DC měnič musí být dimenzován na regulaci přes přepěťový ráz s rychlou regulační smyčkou, aby bylo dosaženo dostatečného potlačení vedení. 

Pokud DC/DC měnič nereguluje nebo přežije rázovou vlnu sběrnice, dojde k přepětí zátěže. Poruchy přepětí mohou být také způsobeny tím, jak se přemosťovací kondenzátory zátěže degradují s věkem a teplotou, což má za následek volnější přechodovou odezvu zátěže v průběhu životnosti koncového produktu. 

● Degradace kondenzátorů za hranicemi konstrukce řídicí smyčky

Pokud se kondenzátory degradují za limity konstrukce regulační smyčky, zátěž může být vystavena přepětí dvěma možnými mechanismy: 

Za prvé, i když regulační smyčka zůstane stabilní, silné přechodné zátěžové události budou vykazovat vyšší odchylky napětí, než se očekávalo na začátku návrhu. 

Za druhé, pokud se regulační smyčka stane podmíněně stabilní (nebo ještě hůře nestabilní), výstupní napětí může oscilovat se špičkami přesahujícími přijatelné limity. 

Kondenzátory se také mohou neočekávaně nebo předčasně degradovat, když je použit nesprávný dielektrický materiál nebo když se do výrobního toku dostanou falešné součástky.

Návrh a testování vysokonapěťového lineárního napájení Poewr (0 - 200 V)

Levné padělané komponenty způsobují drahou bolest hlavys

Padělané komponenty na šedém trhu nebo černém trhu mohou být lákavé, ale nesplňují standardy pravého předmětu (např. mohou být recyklovány, regenerovány z elektronického odpadu nebo vyrobeny z méně kvalitních materiálů). Krátkodobá úspora se stává obrovským dlouhodobým nákladem, když selže padělaný produkt. Padělané kondenzátory mohou například selhat mnoha způsoby. Mezi problémy patří: 

1. Bylo zjištěno, že padělané tantalové kondenzátory trpí vnitřním samozahříváním s mechanismem pozitivní zpětné vazby až do bodu dosažení tepelného úniku. 

2. Padělané keramické kondenzátory mohou obsahovat narušený nebo horší dielektrický materiál, což má za následek zrychlenou ztrátu kapacity s věkem nebo při zvýšených provozních teplotách. 

3. Když kondenzátory selžou katastrofálně nebo se jejich hodnota sníží, aby vyvolala nestabilitu regulační smyčky, amplituda napěťových vln může být mnohem větší, než bylo původně navrženo, což ohrožuje zátěž. 

Bohužel pro průmysl si padělané součástky stále častěji nacházejí cestu do dodavatelského řetězce a toku výroby elektroniky, a to i v těch nejcitlivějších a nejbezpečnějších aplikacích. 

Zpráva Výboru pro ozbrojené složky Senátu Spojených států amerických (SASC) zveřejněná v květnu 2012 zjistila rozšířené padělané elektronické součástky ve vojenských letadlech a zbraňových systémech, které by mohly ohrozit jejich výkon a spolehlivost – systémy postavené předními dodavateli v obranném průmyslu. 

Ve spojení s rostoucím počtem elektronických součástek v takových systémech – více než 3,500 XNUMX integrovaných obvodů v novém Joint Strike Fighter – představují padělané součástky riziko pro výkon a spolehlivost systému, které již nelze ignorovat. 

Co by mělo plánování zmírňování rizik Contav?

Jakýkoli plán zmírnění rizik by měl zvážit, jak bude systém reagovat na přepětí a zotavit se z něj. Problémy včetně: 

1. Je přijatelná možnost kouře nebo požáru v důsledku poruchy přepětí? 

2. Bylo by úsilí o určení hlavní příčiny a provedení nápravných opatření ztíženo poškozením způsobeným přepětím? 

3. Pokud by místní operátor vypnul napájení (restartoval) kompromitovaný systém, způsobilo by ještě větší poškození systému další brzdění úsilí o obnovu?

4. Jaký je proces a čas potřebný k určení příčiny poruchy a obnovení normálního provozu systému?

Jaké jsou nedostatky tradičního ochranného obvodu?

A tradiční schéma přepěťové ochrany Skládá se pojistky, křemíkovým řízeným usměrňovačem (SCR) a Zenerovou diodou (obrázek 1). Pokud vstupní napájecí napětí překročí Zenerovo průrazné napětí, aktivuje se SCR a odebere dostatečný proud k přepálení předřazené pojistky.

 Obrázek 1. Tradiční obvod přepěťové ochrany sestávající z pojistky, SCR a Zener dioda

● Časově náročné - I když je tento obvod levný, doba odezvy tohoto obvodu je nedostatečná pro spolehlivou ochranu nejnovějších digitálních obvodů, zejména pokud je předřazená napájecí kolejnice mezinapěťová sběrnice. Navíc zotavení z přepěťové poruchy je invazivní a časově náročné. 

● Zpětná vazbas - Tento přímočarý obvod je relativně jednoduchý a levný, ale má své nevýhody: variace v Průrazné napětí Zenerovy diody（锚文本，16px，蓝色，arial，加粗，下划线）, prahová hodnota spouštění brány SCR a proud potřebný k přepálení pojistky mají za následek nekonzistentní doby odezvy. Ochrana se může aktivovat příliš pozdě, aby zabránila nebezpečnému napětí dostat se k zátěži. 

● Hodně úsilí o zotavení - Úroveň úsilí potřebná k zotavení z poruchy je vysoká, což zahrnuje fyzickou údržbu pojistky a restartování systému. Pokud uvažovaná napěťová kolejnice napájí digitální jádro, je ochranná schopnost SCR omezená, protože dopředný pokles při vysokých proudech je srovnatelný nebo vyšší než napětí jádra nejnovějších digitálních procesorů. 

Kvůli těmto nevýhodám není tradiční schéma přepěťové ochrany vhodné pro vysokonapěťovou na nízkonapěťovou konverzi DC/DC napájející zátěže, jako jsou ASIC nebo FPGA, které by mohly být oceněny ve stovkách, ne-li tisících dolarů.

Jak regulátor LTM4641 dosahuje rychlé a spolehlivé reakce a zotavení z chyb?

Lepším řešením by bylo přesně detekovat hrozící přepětí a reagovat rychlým odpojením vstupního napájení při současném vybití nadměrného napětí na zátěži s nízkou impedanční cestou. To je možné pomocí ochranných funkcí v LTM4641. 

● Kompletní komponenty pro monitorování a ochranu

Srdcem zařízení je 38V, 10A redukční regulátor s induktorem, řídicím integrovaným obvodem, napájecími spínači a kompenzací, to vše v jednom balení pro povrchovou montáž. 

Obsahuje také rozsáhlé monitorovací a ochranné obvody pro ochranu vysoce hodnotných zátěží, jako jsou ASIC, FPGA a mikroprocesory. 

LTM4641 neustále hlídá podmínky vstupního podpětí, vstupního přepětí, přehřátí a výstupního přepětí a nadproudu a vhodně chrání zátěž. 

● Nastavitelné spouštěcí prahové hodnoty

Aby se předešlo falešnému nebo předčasnému spuštění ochranných funkcí, má každý z těchto sledovaných parametrů vestavěnou odolnost proti poruchám a uživatelsky nastavitelné prahové hodnoty spouštění s výjimkou nadproudové ochrany, která je implementována spolehlivě, cyklus po cyklu s řízením proudového režimu. 

V případě stavu výstupního přepětí reaguje LTM4641 do 500 ns od detekce poruchy (obrázek 2).   

 

Obrázek 2. LTM4641 reaguje na přepětí do 500 ns a chrání zátěž před napěťovým namáháním

Ochranná řešení LTM4641

● LTM4641 reaguje hbitě a spolehlivě, aby chránila navazující zařízení, a na rozdíl od řešení založených na pojistkách se může po odeznění poruchových stavů automaticky resetovat a znovu aktivovat. 

● LTM4641 používá interní diferenciální snímací zesilovač k regulaci napětí na napájecích svorkách zátěže, čímž se minimalizují chyby pramenící ze šumu v běžném režimu a poklesy napětí trasování PCB mezi LTM4641 a zátěží. 

● Stejnosměrné napětí na zátěži je regulováno s přesností lepší než ±1.5 % v závislosti na vedení, zátěži a teplotě. Toto přesné měření výstupního napětí je také přiváděno do rychlého komparátoru výstupního přepětí, který spouští ochranné funkce LTM4641. 

● Když je detekován stav přepětí, regulátor μModule rychle zahájí několik simultánních akcí. Externí MOSFET (MSP na obrázku 3) odpojí vstupní napájení a odstraní vysokonapěťovou cestu z regulátoru a vysokohodnotnou zátěž. Další externí MOSFET (MCB na obrázku 3) implementuje a nízký funkce páčidla, rychlé vybití přemosťovacích kondenzátorů zátěže (COUT na obrázku 3). 

● Vestavěný regulátor DC/DC snižujícího napětí LTM4641 přejde do stavu zablokovaného vypnutí a vydá chybový signál indikovaný kolíkem HYST, který může být použit systémem k zahájení dobře řízené vypínací sekvence a/nebo resetu systému. K detekci poruchových stavů se používá vyhrazená referenční napětí nezávislá na referenčním napětí řídicí smyčky. To poskytuje odolnost proti jednobodovému selhání, pokud by reference řídicí smyčky selhala.

 Obrázek 3. Plán přepěťové ochrany výstupu LTM4641. Ikony sondy odpovídají průběhům na obrázku 2

● Ochranné funkce LTM4641 jsou posíleny možnostmi zotavení z chyb. V tradičním schématu přepěťové pojistky/ochrany SCR se spoléhá na pojistku, která oddělí napájecí zdroj od zátěže s vysokou hodnotou. Obnova po poruše spálené pojistky vyžaduje lidský zásah – někoho s fyzickým přístupem k pojistce, aby ji mohl vyjmout a vyměnit – což představuje nepřijatelné zpoždění při obnově poruchy u systémů s vysokou dobou provozuschopnosti nebo vzdálených systémů.

● Na rozdíl od toho může LTM4641 pokračovat v normálním provozu, jakmile se poruchový stav vymaže buď přepnutím řídicího pinu logické úrovně, nebo konfigurací LTM4641 pro autonomní restart po zadané časové prodlevě. Pokud se po obnovení provozu LTM4641 znovu objeví chybové stavy, výše uvedené ochrany se okamžitě znovu aktivují, aby chránily zátěž.

Vstupní přepěťová ochrana LTM4641

V některých případech je samotná výstupní přepěťová ochrana nedostatečná a je vyžadována vstupní přepěťová ochrana. Ochranné obvody LTM4641 mohou monitorovat vstupní napětí a aktivovat své ochranné funkce v případě překročení uživatelem konfigurovaného prahu napětí. 

Pokud očekávané maximální vstupní napětí překročí jmenovitou hodnotu 38 V modulu, lze ochranu před přepětím rozšířit až na 80 V, přičemž LTM4641 je stále plně funkční přidáním externího vysokonapěťového LDO pro udržení řídicích a ochranných obvodů naživu (obrázek 4).

 

Obrázek 4. Vstupní přepěťová ochrana až do 80 V pomocí LTM4641 a externího LDO

Často kladené otázky

1. Otázka: Jaká je role regulátora?

Odpověď: Regulátor dohlíží na celý systém a jeho hlavní odpovědností je zajistit soulad s regulačním rámcem.

2. Otázka: Jaký je rozdíl mezi DC / DC převodníkem a regulátorem?

A: DC/DC měniče regulují elektrický výkon zapínáním a vypínáním spínacích prvků (FET atd.). Na druhé straně regulátory LDO regulují napájení řízením odporu FET. DC/DC měniče jsou vysoce účinné při přeměně elektřiny pomocí spínacího řízení.

3. Otázka: Proč potřebujete převodník DC na DC?

Odpověď: DC-DC měnič se používá ke snížení vysokonapěťového DC vstupu na nízkonapěťový DC výstup určitého specifického zařízení. Používají se také k izolaci některých vysoce citlivých součástí v obvodu od ostatních součástí v obvodu, aby se zabránilo jakémukoli poškození.

4. Otázka: Co je regulátor stejnosměrného / stejnosměrného napětí?

Odpověď: DC-DC měnič je elektrický systém (zařízení), který převádí zdroje stejnosměrného proudu (DC) z jedné napěťové úrovně na jinou. Jinými slovy, DC-DC měnič přijímá jako vstup stejnosměrné vstupní napětí a vydává jiné stejnosměrné napětí. DC-DC měnič se také nazývá DC-DC napájecí měnič nebo regulátor napětí.

Proč investovat do čističky vzduchu?

Prostřednictvím tohoto podílu se dozvídáme výzvy a průmyslové problémy a odpovídající řešení v minulosti a jak je řeší regulátor LMT4641 μModule. Kombinuje účinný DC/DC regulátor s rychlým a přesným výstupním přepěťovým ochranným obvodem a účinně předchází rizikům přepětí. Jak si myslíte o tomto produktu? Zanechte své komentáře níže a řekněte nám svůj nápad!

Také číst

● Regulátory μModuly zmenšují velikost a design napájecího zdroje

● Jak zjistit Zenerovu diodu Napěťové regulátory?

● Kompletní průvodce regulátorem LDO v roce 2021

● Jak regulátor LTC3035 LDO vyvažuje nízké výstupní napětí a malý objem?

Zanechat vzkaz 

Seznam zpráv