Como o regulador de módulo μ LTM4641 evita de forma eficiente a sobretensión?

As tensións de bus intermedias de 24 V ~ 28 V nominais son habituais nos sistemas industriais, aeroespaciais e de defensa onde as baterías conectadas en serie poden ser unha fonte de enerxía de reserva e as arquitecturas de bus de 12 V adoitan ser pouco prácticas debido ás perdas de distribución. O aumento da brecha de tensión entre o bus do sistema e as entradas de enerxía dos procesadores dixitais presenta retos de deseño relacionados coa entrega de enerxía, a seguridade e o tamaño da solución.

Afortunadamente, o regulador μModule LTM4641 resolve os problemas anteriores mediante unha reacción e recuperación rápidas e fiables, así como a protección contra sobretensións de entrada. 

Esta parte dará unha introdución detallada a algúns problemas aos que nos enfrontamos no pasado e solucións relativas, incluídos algúns riscos, desafíos e problemas do sector aos que nos enfrontamos. Se tivo ou está a ter problemas con estes problemas, pode aprender mellor a resolvelos co regulador μModule LTM4641 a través desta parte. Seguimos lendo!

Compartir é coidar!

contido

● Por que o convertidor CC/CC tradicional se enfronta a sobretensión Risk?

● Os compoñentes falsificados baratos xeran dores de cabeza caros

● Que debe conter unha planificación de mitigación de riscos?

● Cales son as insuficiencias do circuíto de protección tradicional?

● Como o regulador LTM4641 consegue unha reacción rápida e fiable e se recuperam Fallos?

● FAQ

● Conclusión

Por que o convertidor CC/CC tradicional se enfronta ao risco de sobretensión?

Se no punto de carga se usa un conversor DC/DC reductor non illado dunha soa etapa, debe funcionar cunha sincronización PFM/PWM extremadamente precisa. Os eventos de sobretensión de entrada poden estresar os conversores DC/DC, presentando un risco de sobretensión para a carga. 

Os capacitores erróneos ou falsificados introducidos na fabricación poden provocar excursións de voltaxe de saída que excedan os valores nominales da carga que poden causar microprocesadores moi utilizados como FPGA, ASIC acender.

Dependendo da extensión do dano, a causa raíz pode ser difícil de atopar. Un plan de mitigación do risco de sobretensión é absolutamente necesario para evitar a insatisfacción dos clientes. 

Os esquemas tradicionais de protección contra sobretensión que inclúen un fusible non son necesariamente o suficientemente rápidos, nin o suficientemente fiables, como para protexer os FPGA, ASIC e microprocesadores modernos, especialmente cando o carril de tensión ascendente é de 24 V ou 28 V nominal. É necesaria unha protección activa no POL DC/DC. 

O LTM4641 é un regulador μModule® de 38A DC / DC con clasificación 10V, que defende e recupera moitos fallos, incluída a sobretensión de saída.

Importancia dos aumentos precisos da sincronización do conmutador coa tensión de entrada e sobretensións Cando existe un gran diferencial entre as tensións de entrada e de saída, os reguladores de conmutación DC/DC son favorecidos fronte aos reguladores lineais pola súa eficiencia moito maior. 

● Redúcese a marxe de erro do regulador DC/DC

Para acadar un tamaño de solución pequeno, o mellor convertedor non illado é o operador, que funciona a unha frecuencia suficiente para reducir os requisitos de tamaño dos seus condensadores magnéticos e filtrantes. 

Non obstante, nas aplicacións con alta relación de descenso, un conversor de conmutación CC / CC debe funcionar en ciclos de traballo ata un 3%, esixindo unha sincronización PWM / PFM precisa. 

Ademais, os procesadores dixitais requiren unha estrita regulación da tensión resposta rápida transitoria é necesario para manter a tensión dentro dos límites seguros. A tensións de entrada relativamente altas, a marxe de erro no tempo de aceso do interruptor do lado superior do regulador DC/DC redúcese.

Os aumentos de tensión do bus, que adoitan estar presentes en aplicacións aeroespaciais e de defensa, representan un perigo non só para o conversor DC/DC, senón tamén para a carga. O conversor DC/DC debe estar clasificado para regular a través da sobretensión cun bucle de control rápido, para que se consiga un rexeitamento de liña suficiente. 

Se o conversor DC/DC non pode regular ou sobrevivir a unha sobretensión de bus, preséntase unha sobretensión á carga. Tamén se poden introducir fallos de sobretensión a medida que os capacitores de derivación da carga se degradan coa idade e a temperatura, o que resulta nunha resposta de carga transitoria máis laxa ao longo da vida útil do produto final. 

● Os condensadores degrádanse máis aló dos límites do deseño do bucle de control

Se os capacitores se degradan máis aló dos límites do deseño do bucle de control, a carga pode estar exposta á sobretensión por dous mecanismos posibles: 

En primeiro lugar, aínda que o bucle de control se manteña estable, os eventos de carga transitorios pesados ​​demostrarán excursións de tensión máis altas das que se esperaban no inicio do deseño. 

En segundo lugar, se o lazo de control convértese en condicionalmente estable (ou, peor aínda, inestable), a tensión de saída pode oscilar con picos que superen os límites aceptables. 

Os condensadores tamén poden degradarse de forma inesperada ou prematura cando se emprega un material dieléctrico incorrecto ou cando os compoñentes falsos entran no fluxo de fabricación.

Deseño e probas de alimentación lineal de alta tensión (0 - 200 V)

Os compoñentes falsificados baratos xeran dor de cabeza caras

Os compoñentes falsificados do mercado gris ou do mercado negro poden ser atractivos, pero non cumpren os estándares do artigo xenuíno (por exemplo, poden ser reciclados, recuperados a partir de residuos electrónicos ou construídos con materiais inferiores). Un aforro a curto prazo convértese nun enorme gasto a longo prazo cando falla un produto falsificado. Os capacitores falsificados, por exemplo, poden fallar de varias maneiras. Os problemas inclúen: 

1. Viuse que os capacitores de tantalio falsificados sofren un autoquecemento interno cun mecanismo de retroalimentación positiva ata o punto de alcanzar a fuga térmica. 

2. Os capacitores cerámicos falsificados poden conter material dieléctrico comprometido ou inferior, o que provoca unha perda acelerada de capacidade coa idade ou a temperaturas de funcionamento elevadas. 

3. Cando os capacitores fallan catastróficamente ou degradan o seu valor para inducir a inestabilidade do bucle de control, as formas de onda de voltaxe poden chegar a ser moito maiores en amplitude que as deseñadas orixinalmente, poñendo en perigo a carga. 

Desafortunadamente para a industria, os compoñentes falsificados atopan cada vez máis o seu paso á cadea de subministración e ao fluxo de fabricación de produtos electrónicos, incluso nas aplicacións máis sensibles e seguras. 

Un informe do Comité de Servizos Armados do Senado dos Estados Unidos (SASC) publicado publicamente en maio de 2012 atopou compoñentes electrónicos falsificados xeneralizados en sistemas de armas e avións militares que poderían comprometer o seu rendemento e fiabilidade, sistemas construídos polos principais contratistas da industria de defensa. 

Xunto co crecente número de compoñentes electrónicos nestes sistemas —máis de 3,500 circuítos integrados no novo Joint Strike Fighter— os compoñentes falsificados representan un risco de rendemento e fiabilidade do sistema que xa non se pode ignorar. 

Que debe contar unha planificación de mitigación de riscosdentro?

Calquera plan de mitigación do risco debería considerar como respondería o sistema a unha condición de sobretensión e se recuperaría. Os problemas inclúen: 

1. É aceptable a posibilidade de fume ou lume derivado dunha falla de sobretensión? 

2. Os esforzos para determinar a causa raíz e implementar accións correctoras veríanse obstaculizados polos danos derivados dunha falla de sobretensión? 

3. Se un operador local encendera (reiniciar) un sistema comprometido, un dano aínda maior ao sistema dificultaría aínda máis os esforzos de recuperación?

4. Cal é o proceso e o tempo necesario para determinar a causa do fallo e retomar o funcionamento normal do sistema?

Cales son as insuficiencias do circuíto de protección tradicional?

A esquema tradicional de protección contra sobretensión consiste dun fusible, un rectificador controlado por silicio (SCR) e un díodo Zener (Figura 1). Se a tensión de alimentación de entrada supera a tensión de avaría do Zener, o SCR actívase, atraendo corrente suficiente para abrir o fusible anterior.

 Figura 1. Circuíto tradicional de protección contra sobretensións formado por un fusible, SCR e Zenediodo r

● Lento - Aínda que é barato, o tempo de resposta deste circuíto é insuficiente para protexer de forma fiable os últimos circuítos dixitais, especialmente cando o carril de alimentación ascendente é un bus de tensión intermedia. Ademais, a recuperación dunha falla de sobretensión é invasiva e leva moito tempo. 

● Retiradas - Este circuíto sinxelo é relativamente sinxelo e barato, pero hai inconvenientes deste enfoque: variacións no Tensión de avaría do diodo Zener（锚文本，16px，蓝色，arial，加粗，下划线）, o limiar de activación da porta SCR e a corrente necesaria para fundir o fusible provocan tempos de resposta inconsistentes. A protección pode activarse demasiado tarde para evitar que unha tensión perigosa chegue á carga. 

● Moito esforzo para recuperarse - O nivel de esforzo necesario para recuperarse dunha avaría é elevado, que implica realizar un mantemento físico do fusible e reiniciar o sistema. Se o carril de tensión en consideración alimenta o núcleo dixital, a capacidade de protección dun SCR é limitada, xa que a caída directa a altas correntes é comparable ou superior á tensión do núcleo dos últimos procesadores dixitais. 

Debido a estes inconvenientes, o esquema tradicional de protección contra sobretensión non é adecuado para cargas de conversión DC/DC de alta tensión a baixa tensión, como ASIC ou FPGA, que poderían valorarse en centos, se non en miles de dólares.

Como o regulador LTM4641 consegue unha reacción rápida e fiable e se recupera de fallos?

Unha solución mellor sería detectar con precisión unha condición de sobretensión inminente e responder desconectando rapidamente a subministración de entrada mentres se descarga o exceso de tensión na carga cunha ruta de baixa impedancia. Isto é posible coas funcións de protección do LTM4641. 

● Compoñentes completos de vixilancia e protección

No corazón do dispositivo hai un regulador reductor de 38 V e 10 A co indutor, IC de control, interruptores de alimentación e compensación, todo contido nun paquete de montaxe en superficie. 

Tamén inclúe un amplo circuíto de monitorización e protección para protexer cargas de alto valor como ASIC, FPGA e microprocesadores. 

O LTM4641 mantén unha vixilancia constante para as condicións de subtensión de entrada, sobretensión de entrada, sobretemperatura e sobretensión de saída e sobreintensidade e actúa de forma adecuada para protexer a carga. 

● Limiares de disparo axustables

Para evitar a execución falsa ou prematura das funcións de protección, cada un destes parámetros monitorizados ten incorporada inmunidade contra fallos e limiares de activación axustables polo usuario, con excepción da protección contra sobreintensidade, que se implementa de forma fiable, ciclo por ciclo con control en modo actual. 

No caso dunha condición de sobretensión de saída, o LTM4641 reacciona dentro de 500 ns despois da detección de fallo (Figura 2).   

 

Figura 2. O LTM4641 responde a unha condición de sobretensión dentro de 500 ns, protexendo a carga do estrés de tensión

As solucións de protección de LTM4641

● O LTM4641 responde con axilidade e fiabilidade para protexer os dispositivos posteriores e, a diferenza das solucións baseadas en fusibles, pode reiniciarse e rearmarse automaticamente despois de que as condicións de avaría desaparecesen. 

● O LTM4641 usa un amplificador de sentido diferencial interno para regular a tensión nos terminais de potencia da carga, minimizando os erros derivados do ruído de modo común e das caídas de tensión da PCB entre o LTM4641 e a carga. 

● A tensión de CC na carga está regulada cunha precisión superior ao ±1.5% sobre a liña, a carga e a temperatura. Esta medición precisa da tensión de saída tamén se envía ao comparador rápido de sobretensión de saída, que activa as funcións de protección do LTM4641. 

● Cando se detecta unha condición de sobretensión, o regulador μModule inicia rapidamente varios cursos de acción simultáneos. Un MOSFET externo (MSP na Figura 3) desconecta a subministración de entrada, eliminando o camiño de alta tensión do regulador e a carga de alto valor. Outro MOSFET externo (MCB na Figura 3) implementa a baixo función de palanca, descargando rapidamente os capacitores de derivación da carga (COUT na Figura 3). 

● O regulador reductor DC/DC incorporado do LTM4641 entra nun estado de apagado bloqueado e emite un sinal de falla indicado polo pin HYST que pode ser usado polo sistema para iniciar unha secuencia de apagado ben xestionada e/ou reiniciar o sistema. Utilízase unha referencia de tensión dedicada independente da tensión de referencia do lazo de control para detectar as condicións de fallo. Isto proporciona resistencia ante un fallo dun único punto, se a referencia do bucle de control falla.

 Figura 3. Plan de protección contra sobretensións de saída de LTM4641. As iconas da sonda corresponden ás formas de onda da Figura 2

● As funcións de protección do LTM4641 vense reforzadas polas súas opcións de recuperación de fallos. Nun esquema tradicional de protección contra sobretensión/fusible SCR, confíase nun fusible para separar a fonte de alimentación da carga de alto valor. A recuperación dunha falla de fusibles require a intervención humana (alguén con acceso físico ao fusible para retiralo e substituílo) introducindo un atraso inaceptable na recuperación de fallos para sistemas remotos ou de alto tempo de funcionamento.

● Pola contra, o LTM4641 pode retomar o funcionamento normal unha vez que se solucionou a condición de fallo, ben alternando un pin de control de nivel lóxico ou configurando o LTM4641 para o reinicio autónomo despois dun período de tempo de espera especificado. Se as condicións de avaría reaparecen despois de que o LTM4641 reinicie o funcionamento, as proteccións mencionadas anteriormente volven enganchar inmediatamente para protexer a carga.

Protección contra sobretensións de entrada de LTM4641

Nalgúns casos, a protección contra sobretensión de saída só é insuficiente e é necesaria unha protección contra sobretensión de entrada. O circuíto de protección do LTM4641 pode supervisar a tensión de entrada e activar as súas funcións de protección se se supera un limiar de tensión configurado polo usuario. 

Se a tensión de entrada máxima prevista supera a clasificación de 38 V do módulo, a protección contra sobretensións de entrada pódese estender ata 80 V co LTM4641 aínda totalmente operativo engadindo un LDO externo de alta tensión para manter activos os circuítos de control e protección (Figura 4).

 

Figura 4. Protección contra sobretensións de entrada ata 80 V, usando o LTM4641 e un LDO externo

Preguntas máis frecuentes

1. P: Cal é o papel dun regulador?

R: O regulador supervisa todo o sistema, e a súa principal responsabilidade é garantir o cumprimento do marco normativo.

2. P: Cal é a diferenza entre o conversor DC / DC e o regulador?

R: Os conversores DC/DC regulan a enerxía eléctrica activando e apagando elementos de conmutación (FET, etc.). Por outra banda, os reguladores LDO regulan a subministración de enerxía controlando a resistencia de activación dos FET. Os conversores DC/DC son altamente eficientes na conversión de electricidade mediante o control de conmutación.

3. P: Por que necesitas un conversor de CC a CC?

R: O conversor CC-CC úsase para reducir a entrada de CC de alta tensión á saída de CC de baixa tensión de determinados equipos específicos. Tamén se usan para illar algúns compoñentes altamente sensibles do circuíto doutros compoñentes do circuíto para evitar calquera dano.

4. P: Que é o regulador de voltaxe DC / DC?

R: Un conversor DC-DC é un sistema eléctrico (dispositivo) que converte fontes de corrente continua (DC) dun nivel de tensión a outro. Noutras palabras, un conversor DC-DC toma como entrada unha tensión de entrada DC e produce unha tensión DC diferente. Un conversor DC-DC tamén se denomina conversor de potencia DC-DC ou regulador de voltaxe.

Conclusión

A través desta acción, coñecemos os desafíos e problemas da industria, e as solucións correspondentes no pasado, e como os resolve o regulador μModule LMT4641. Combina un eficiente regulador DC/DC cun circuíto de protección de sobretensión de saída rápido e preciso e evita de forma eficiente os riscos de sobretensión. Como pensas deste produto? Deixa os teus comentarios a continuación e cóntanos a túa idea!

Ler tamén

● Reguladores μMódulo Tamaño da fonte de alimentación reducida e esforzo de deseño

● Como detectar o diodo zener Reguladores de voltaxe baseados?

● Unha guía completa para o regulador LDO en 2021

● Como o regulador LTC3035 LDO equilibra a baixa tensión de caída e o pequeno volume?

Deixar unha mensaxe 

Lista de mensaxes