Блок питания с защитой
Обновлено: 24.11.2024
Источники питания переменного/постоянного и постоянного/постоянного тока обычно относительно прочны при нормальной работе. Тем не менее, в большинство этих устройств встроены некоторые функции защиты, гарантирующие, что они не «самоуничтожатся» или не повредят связанные схемы — в первую очередь их нагрузки — в случае сбоя или несоответствующего режима работы.
(примечание: строго говоря, источник питания — это устройство переменного/постоянного или постоянного/постоянного тока, но последние также называются преобразователями или регуляторами. Однако использование этих терминов часто неаккуратно, особенно в непринужденной беседе.)
Разве предохранитель не нужен для защиты источника питания и нагрузки?
Да и нет. Предохранитель защищает источник питания в случае короткого замыкания цепи нагрузки или слишком большого тока. Предохранитель может не понадобиться, так как многие источники питания «самоограничиваются» в том смысле, что они могут подавать ток только до определенного значения. Сработавший предохранитель нужно будет заменить вручную, и это проблема во многих приложениях (но преимущество в других). Кроме того, предохранитель не может защитить от других типов сбоев или неправильной работы, кроме слишком большого тока на выходе.
Что такое блокировка при пониженном напряжении (UVLO)?
UVLO гарантирует, что преобразователь постоянного тока не попытается работать, когда входное напряжение, которое он видит, слишком низкое, рис. 1. Это делается по двум причинам: во-первых, схема внутри преобразователя может работать неправильно или действовать неопределенным образом. если входное напряжение постоянного тока слишком низкое, и некоторые компоненты более высокой мощности могут быть повреждены; во-вторых, он не позволяет преобразователю потреблять первичную мощность, даже если он не может обеспечить достоверную выходную мощность. Этот последний аспект означает, что источник, такой как батарея, которая подавала на преобразователь недостаточное напряжение, все еще может быть дополнительно разряжена преобразователем. Как следствие, время перезарядки аккумулятора будет больше, особенно если это источник с ограниченной энергией, такой как сбор энергии.
Рис. 1. Источник питания не «мгновенно» выходит на полную мощность, а вместо этого имеет переходные диапазоны и время включения и выключения; UVLO гарантирует, что источник питания не будет пытаться обеспечить полную выходную мощность, когда его входное напряжение ниже минимума, необходимого для правильной работы. (Источник: Texas Instruments)
Для реализации UVLO небольшая маломощная схема сравнения внутри преобразователя сравнивает входное напряжение с заданным порогом и переводит источник питания в режим покоя до тех пор, пока порог не будет превышен. Чтобы гарантировать, что UVLO не вибрирует около порога, с ним используется небольшой гистерезис. Так, например, питание отключится, когда входное напряжение упадет ниже 5,0 В, но не включится, пока рост напряжения не достигнет 5,5 В
Что такое защита от перенапряжения (OVP)?
Несмотря на то, что источник питания или преобразователь обычно рассчитан на получение фиксированного выходного напряжения постоянного тока, внутренний сбой в источнике питания может привести к повышению этого напряжения и, возможно, повреждению нагрузки, к которой подключен источник. Этот отказ может быть вызван коротким замыканием в жгуте проводов, отказом пассивного компонента или отказом активного устройства, такого как полевой МОП-транзистор. Вне зависимости от источника, само по себе оно, безусловно, нежелательно, но особенно если оно также может повредить нагрузку. OVP – это функция, которая отслеживает выходной сигнал по сравнению с внутренним опорным значением и замыкает этот выход, если напряжение превышает пороговое значение.
Схема, которая отслеживает и срабатывает, называется «ломом» предположительно потому, что она имеет тот же эффект, что и металлический лом, наложенный на выход. Ключом к правильно спроектированному лому является то, что он прост и функционирует независимо от источника питания, рис. 2.
Есть два типа ломов: один, когда лом сработал, будет сброшен только в том случае, если я отключил питание; и один, где он будет сбрасываться после устранения неисправности выходного напряжения. Второй полезен, когда условие, при котором срабатывает лом, связано с каким-то переходным процессом, а не с отказом в подаче питания. Хотя большинство расходных материалов в настоящее время поставляются со встроенным ломиком, многие поставщики предлагают небольшую отдельную схему ломика, которую при необходимости можно добавить к существующему расходному материалу.
Что такое защита от тепловой перегрузки?
По своей природе любой блок питания выделяет тепло, потому что его КПД составляет менее 100 %. Даже эффективный блок питания генерирует потенциально неприятную мощность: блок питания мощностью 100 Вт, эффективность которого составляет 90%, по-прежнему рассеивает 10 Вт, что вполне способно нагреть корпус. По этой причине система подачи должна быть спроектирована с достаточным активным охлаждением (например, с помощью вентилятора) или пассивным охлаждением (достигаемым за счет конвекции и кондуктивного охлаждения).
Но что произойдет, если вентилятор выйдет из строя, или путь воздушного потока будет заблокирован, или в корпус попадет другой источник тепла? Источник питания может превысить номинальную температуру, что значительно сократит срок его службы и может даже вызвать немедленную неисправность.Решением является схема в источнике питания, которая измеряет температуру и переводит источник в режим покоя, если она превышает заданный предел. Как и в случае с OVP, некоторые термовыключатели автоматически позволяют возобновить работу при падении температуры, а другие — нет. Какой подход «лучше», зависит от характера приложения и цикла использования.
Это основные внутренние механизмы защиты в источнике питания или преобразователе. Существуют также «защиты» от внешних событий и сбоев, которые обычно предоставляются вне поставки или в качестве дополнительных дополнений.
Убедитесь, что ваша система защищена от сбоев питания, а также от дополнительных сценариев.
Неопытные инженеры-электронщики часто предполагают, что хорошая шина питания просто «случается», в то время как более опытные знают, что прочная, бесшумная шина не дается легко, но необходима для стабильной и бесперебойной работы. , бесперебойная работа системы. Но блок питания — это нечто большее, чем просто его способность обеспечивать стабильное напряжение постоянного тока, несмотря на изменения нагрузки и сети, переходные процессы в системе, шум и другие аберрации.
Как так? Хороший блок питания не только обеспечивает питание, но и защищает от временных и постоянных сбоев, которые могут возникнуть как внутри, так и снаружи, а также от нанесения непоправимого ущерба системе, которая является ее нагрузкой.
Прежде чем мы рассмотрим различные типы защиты, стоит кратко рассмотреть четыре класса источников питания постоянного тока, также называемых регуляторами или преобразователями постоянного тока. обратите внимание, что приведенные рейтинги текущего производства являются лишь приблизительными регионами и не имеют жестких или официальных границ:
1) для больших нагрузок, порядка 20 А и выше, существует множество готовых источников питания с открытой рамой или полностью в металлическом корпусе для приложений AC-DC и DC-DC
2) для умеренных нагрузок от 10 до 20 А есть модульные блоки питания; их часто заливают эпоксидной смолой для физической защиты
3) при токе до 10 А существует множество доступных ИС, которым требуется несколько внешних пассивных и активных компонентов для работы в качестве комплектных источников питания
4) наконец, вы можете собрать базовый источник питания из отдельных компонентов, таких как диоды и конденсаторы, часто в сочетании с небольшим LDO или контроллером переключения
Итак, какие существуют типы защиты?
a) Защита от перегрузки (перегрузки по току/короткого замыкания) (OP), включая классический предохранитель, защищает источник питания в случае короткого замыкания цепи нагрузки или слишком большого тока. Многие источники питания «самоограничиваются» в том смысле, что они могут подавать только определенный ток, поэтому предохранитель не нужен. Стандартный предохранитель, который «перегорает» («размыкается») и останавливает подачу тока, необходимо будет заменить вручную; это проблема в одних ситуациях, но достоинство в других. Существуют также электронные предохранители с автоматическим самовозвратом.
b) Ограничение тока и возврат тока являются расширениями защиты от перегрузки. Если ток, от которого нагрузка потребляет питание, превышает расчетный предел, обратная обратная связь по току снижает как выходной ток, так и связанное с ним напряжение до значений ниже нормальных рабочих пределов. В крайнем случае, если нагрузка становится короткозамкнутой, ток ограничивается небольшой долей максимального значения, в то время как выходное напряжение, очевидно, падает до нуля.
c) Блокировка при пониженном напряжении (UVLO) гарантирует, что преобразователь постоянного тока не будет пытаться работать, когда входное напряжение, которое он видит на своем входе, слишком низкое, рис. 1. Почему это может быть проблемой? Во-первых, выход питания может быть неопределенным, если его постоянное напряжение слишком низкое, что может вызвать проблемы в системе. Во-вторых, это предотвращает «вампирское» высасывание энергии из источника даже при низком напряжении; это может разрядить аккумулятор, который система пытается зарядить. UVLO также помогает правильному функционированию последовательности включения питания (если таковая имеется). В-третьих, сам преобразователь постоянного тока может быть поврежден, если он попытается включиться, когда его собственный вход слишком низок для правильной работы.
Во время различных режимов источника питания, когда он переходит от выключенного к полностью включенному и обратно, UVLO следит за тем, чтобы источник не пытался включиться и обеспечить выход, если его входное напряжение ниже минимума, необходимого для правильная эксплуатация. (Источник: Texas Instruments)
d) Защита от перенапряжения (OVP) срабатывает, если внутренний сбой в источнике питания приводит к тому, что его выходное напряжение превышает указанный максимум, что может привести к повреждению нагрузки. OVP отключает питание или ограничивает выход, когда напряжение превышает заданный уровень. Схему OVP часто называют «ломом», по-видимому, потому, что она имеет тот же эффект, что и металлический лом, наложенный на выход источника питания.Правильно спроектированный лом функционирует независимо от самого источника питания.
Один тип лома сбрасывается (после срабатывания) только при отключении питания; в другом типе он сбрасывается после устранения неисправности выходного напряжения. Последнее полезно, когда условие, которое привело к срабатыванию ломика, является временным, а не серьезным сбоем в подаче питания. Хотя большинство расходных материалов в настоящее время поставляются со встроенным ломиком, многие поставщики предлагают небольшую отдельную схему ломика, которую при необходимости можно добавить к существующему расходному материалу.
e) Термическая перегрузка произойдет, если подход к охлаждению подачи спроектирован неправильно или не работает (вентилятор останавливается, поток воздуха блокируется). В этом случае источник питания, вероятно, превысит номинальную температуру, что серьезно сократит срок его службы и может даже привести к немедленной неисправности. Решение простое: схема измерения температуры внутри источника питания или рядом с ним, которая переводит источник питания в режим покоя или отключения, если она превышает заданный предел. Некоторые термовыключатели автоматически позволяют возобновить работу, если температура падает, а другие нет.
f) Защита от обратного подключения блокирует протекание тока и обнуляет напряжение, если нагрузка подключена в обратном направлении (положительный выход питания к отрицательной шине нагрузки и наоборот). Это особенно популярно в приложениях, где аккумулятор отсоединен, а затем снова подключен, например, в автомобиле или там, где аккумулятор не запирается.
Итак, какие типы защиты вам нужно добавить к вашему набору? Это, конечно, частично определяется приложением, но также зависит от конструкции питания (пункты 1-4 выше). Для источников питания в металлическом корпусе или модульных (типы питания 1 и 2) большинство этих режимов защиты обычно являются стандартными и включены (кроме предохранителя). Для типа 3 ИС питания могут предлагать некоторые или все функции защиты, но они также могут быть отключены (необходимо в некоторых особых случаях, но также рискованно). Обратное соединение является особым случаем и добавляется только там, где это имеет смысл. Его можно реализовать с помощью простого диода, но это добавляет потери на падение напряжения, поэтому необходима идеальная диодная схема.
Относитесь к своему блоку питания с уважением, которого он заслуживает: убедитесь, что он защищен, а также защищает вашу схему. Ваш дизайн и система будут вам благодарны.
Для защиты источника питания и его нагрузки от неисправностей друг друга требуются компоненты и функции, такие как предохранитель, блокировка минимального напряжения, ломы и зажимы.
Защита питания подобна страховке: вы платите за нее, но надеетесь, что она вам не понадобится. Но это не простая «покупка». Первый вопрос защиты: «Что я хочу защитить и от каких событий?» Ответ двоякий: источник питания и его компоненты нуждаются в защите от сбоев нагрузки, а нагрузка нуждается в защите от сбоев питания.
Второй вопрос: "Какие ошибки?" Это может быть чрезмерный ток или напряжение, от короткого замыкания и связанных с ним высоких токов до переходных процессов и скачков напряжения из-за электростатического разряда (ЭСР) или даже молнии. Некоторые неисправности возникают из-за отказа компонентов, тогда как другие могут быть вызваны ошибкой проводки. Наконец, в некоторых случаях причиной неисправности может быть даже слишком низкое напряжение питания.
Компоненты, которые должны быть добавлены в цепь или систему для обеспечения защиты цепи, мало ценятся. Они не улучшают функциональность и не добавляют гламура, привлекательности или производительности продукта. Они занимают место, увеличивают стоимость, усложняют спецификацию материалов (BOM) и обычно сидят тихо, ничего не делая. Так происходит до тех пор, пока они не понадобятся, когда от них ожидается быстрая реакция и защита других компонентов в цепи от неисправности или даже разрушения.
Защита от любых и всех возможных проблем с электропитанием является сложной, дорогостоящей и, как правило, ненужной. Задача инженера-проектировщика — оценить, нужна ли защита от сбоев; в конце концов, нет особых причин защищать смартфон от скачков напряжения, вызванных молнией.
Существует множество компонентов и методов, связанных с защитой, на выбор. Большинство из них пассивны, но некоторые активны. В этой статье речь пойдет только о пассивных или преимущественно пассивных типах.
Как и в случае с большинством проблем дизайна, существуют пересекающиеся точки зрения на одну и ту же основную тему. Что касается защиты электропитания, вы можете сначала рассмотреть ее с точки зрения потенциальных условий неисправности, а затем вариантов их устранения, или с точки зрения различных компонентов защиты, а затем сбоев, для которых они используются. Цепь или система могут использовать один или несколько уровней и типов защиты. Многие из этих функций защиты встроены в источник питания, будь то ИС преобразователя постоянного тока или более крупный блок переменного тока в постоянный. В других случаях, например, когда инженер проектирует источник питания из отдельных компонентов, может потребоваться добавить некоторые из них.
Все начинается с перегрузки по току и предохранителей
После срабатывания предохранителя подача тока полностью прекращается и может быть восстановлена только заменой самого предохранителя, что является либо преимуществом, либо недостатком, в зависимости от применения. Более сложный автоматический выключатель является альтернативой предохранителю, который не требует замены после срабатывания. Некоторые выключатели активируются термически, некоторые активируются магнитом; в любом случае, подобно предохранителю, прерыватель является устройством, срабатывающим от тока.
Несмотря на то, что предохранитель «древний», он недорогой, надежный, простой в конструкции и эффективный. Доступны базовые предохранители номиналом от 1 А до сотен ампер (рис. 2). Хотя у предохранителей есть номинальное напряжение, это в первую очередь связано с номиналом контактов и физическим расстоянием, поскольку сам предохранитель срабатывает только от протекающего через него тока, а не от напряжения.
Клещи проводят ток, достаточный для поддержания напряжения на нем на безопасном желаемом уровне, когда переходный процесс превышает напряжение проводимости клещей. Он должен быть рассчитан на мощность, которую он должен рассеять в течение определенного времени, обычно относительно короткого переходного процесса. Зажим TVS — кремниевое устройство с биполярным переходом, похожее на базовый выпрямительный диод, но предназначенное для работы в условиях обратного пробивного напряжения — доступно с напряжением пробоя от 4 до 500 В и различной номинальной мощностью для обеспечения различных возможностей защиты от перенапряжений. TVS — это устройство с биполярным соединением.
По сравнению с зажимом низкое удерживающее напряжение лома позволяет ему выдерживать более высокий ток короткого замыкания без рассеивания большой мощности, поэтому он может выдерживать более высокие токи и работать в течение более длительных периодов времени (рис. 6). Также проще настроить схему так, чтобы лом также вызывал перегорание предохранителя (и, таким образом, полностью останавливало ток), если это необходимо.
Гурсимран Сингх Чавла, Инженерная школа Чамели Деви, «Предохранители и их тип в энергосистеме»
Защита блока питания от перенапряжения действительно полезна — некоторые отказы блока питания могут привести к повреждению оборудования высоким напряжением. Защита от перенапряжения предотвращает это как на линейных стабилизаторах, так и на импульсных источниках питания.
Хотя современные блоки питания сейчас очень надежны, всегда есть небольшая, но реальная вероятность того, что они могут выйти из строя.
Они могут выйти из строя по разным причинам, и одна особенно тревожная возможность заключается в том, что элемент последовательного прохода, то есть основной проходной транзистор или полевой транзистор, может выйти из строя таким образом, что произойдет короткое замыкание. Если это произойдет, в цепи, на которую подается питание, может появиться очень большое напряжение, часто называемое перенапряжением, что приведет к катастрофическому повреждению всего оборудования.
Добавив небольшую дополнительную схему защиты в виде защиты от перенапряжения, можно защититься от этой маловероятной, но катастрофической возможности.
Большинство источников питания, предназначенных для очень надежной работы дорогостоящего оборудования, имеют некоторую форму защиты от перенапряжения, чтобы гарантировать, что любой сбой источника питания не приведет к повреждению оборудования, на которое подается питание. Это относится как к линейным источникам питания, так и к импульсным источникам питания.
Некоторые блоки питания могут не иметь защиты от перенапряжения, и их не следует использовать для питания дорогостоящего оборудования. Можно разработать небольшую схему электронной схемы, разработать небольшую схему защиты от перенапряжения и добавить ее в качестве дополнительной меры. дополнительный элемент.
Основы защиты от перенапряжения
Существует множество причин, по которым блок питания может выйти из строя. Однако, чтобы немного больше понять защиту от перенапряжения и проблемы схемы, легко взять простой пример линейного регулятора напряжения, использующего очень простой стабилитрон и транзистор с последовательным проходом.
Базовый серийный стабилизатор с использованием стабилитрона и эмиттерного повторителя
Хотя более сложные источники обеспечивают лучшую производительность, в них также используется последовательный транзистор для пропуска выходного тока. Основное отличие заключается в способе подачи напряжения регулятора на базу транзистора.
Обычно входное напряжение таково, что на последовательном элементе регулятора напряжения падает несколько вольт. Это позволяет последовательному транзистору адекватно регулировать выходное напряжение. Часто падение напряжения на последовательном проходном транзисторе относительно велико — при напряжении питания 12 вольт входное напряжение может составлять 18 вольт или даже больше, чтобы обеспечить требуемую стабилизацию, подавление пульсаций и т. д.
Это означает, что в элементе регулятора напряжения может рассеиваться значительный уровень тепла, а в сочетании с любыми переходными выбросами, которые могут появиться на входе, это означает, что всегда существует вероятность отказа.
Транзисторное последовательное проходное устройство чаще выходит из строя в условиях разомкнутой цепи, но при некоторых обстоятельствах транзистор может вызвать короткое замыкание между коллектором и эмиттером. Если это произойдет, то на выходе регулятора напряжения появится полное нестабилизированное входное напряжение.
Если бы на выходе появилось полное напряжение, то оно могло бы вывести из строя многие микросхемы, находящиеся в питаемой цепи. В этом случае ремонт цепи может оказаться нерентабельным.
Способы работы импульсных стабилизаторов очень разные, но бывают обстоятельства, при которых на выходе источника питания может появиться полная мощность.
Как для источников питания с линейной стабилизацией, так и для импульсных источников питания всегда рекомендуется какая-либо форма защиты от перенапряжения.
Типы защиты от перенапряжения
Как и во многих других электронных технологиях, существует несколько способов реализации той или иной возможности. Это верно для защиты от перенапряжения.
Существует несколько различных методов, каждый из которых имеет свои особенности. Производительность, стоимость, сложность и режим работы — все это необходимо взвесить при определении того, какой метод использовать на этапе проектирования электронной схемы.
SCR Crowbar: Как следует из названия, схема лома создает короткое замыкание на выходе источника питания, если возникает состояние перенапряжения. Обычно для этого используются тиристоры, то есть тиристоры, поскольку они могут коммутировать большие токи и оставаться включенными до тех пор, пока не рассеется какой-либо заряд. Тиристор может быть соединен обратно с предохранителем, который перегорает и изолирует регулятор от дальнейшего воздействия на него напряжения.
Схема защиты тиристорного ломика от перенапряжения
В этой схеме стабилитрон выбран так, чтобы его напряжение было выше нормального рабочего напряжения на выходе, но ниже напряжения, при котором может произойти повреждение. При такой проводимости ток через стабилитрон не течет, потому что его напряжение пробоя не достигнуто, и ток не течет в затвор тиристора, и он остается закрытым. Блок питания будет работать нормально.
Если последовательный транзистор в блоке питания выйдет из строя, напряжение начнет расти — развязка в блоке гарантирует, что оно не поднимется мгновенно. По мере его увеличения он будет подниматься выше точки, в которой диод Зенера начинает проводить ток, и ток будет течь в затвор тиристора, вызывая его срабатывание.
Когда тиристор срабатывает, он замыкает выход источника питания на землю, предотвращая повреждение схемы, которую он питает. Это короткое замыкание также может быть использовано для перегорания предохранителя или другого элемента, отключения питания регулятора напряжения и изоляции устройства от дальнейшего повреждения.
Часто между затвором тиристора и землей помещают некоторую развязку в виде небольшого конденсатора, чтобы предотвратить попадание резких переходных процессов или ВЧ от источника питания на соединение затвора и вызвать ложное срабатывание. Однако его не следует делать слишком большим, так как это может замедлить срабатывание схемы в случае реального отказа, а защита может срабатывать слишком медленно.
Примечание по защите от перенапряжения тиристорным ломиком:
Тиристорный или SCR, управляемый кремнием выпрямитель можно использовать для обеспечения защиты от перенапряжения в цепи питания. Обнаружив высокое напряжение, схема может активировать тиристор, чтобы создать короткое замыкание или ломик на шине напряжения, чтобы гарантировать, что напряжение не достигнет высокого уровня.
Фиксация напряжения. Другая очень простая форма защиты от перенапряжения использует подход, называемый фиксацией напряжения. В простейшей форме это может быть обеспечено с помощью стабилитрона, помещенного на выходе регулируемого источника питания. Если напряжение на стабилитроне выбрано немного выше максимального напряжения на шине, в нормальных условиях он не будет проводить ток. Если напряжение поднимется слишком высоко, оно начнет проводить, фиксируя напряжение на уровне, немного превышающем напряжение на шине.
Если для регулируемого источника питания требуется более высокий ток, можно использовать стабилитрон с транзисторным буфером. Это увеличит допустимый ток по сравнению с простой стабилитронной схемой на коэффициент, равный коэффициенту усиления транзистора по току. Поскольку для этой схемы требуется силовой транзистор, вероятные уровни усиления по току будут низкими — возможно, 20–50.
Ограничение напряжения: когда требуется защита от перенапряжения для импульсных источников питания, методы SMPS с зажимом и ломом используются менее широко из-за требований к рассеиваемой мощности, а также возможного размера и стоимости источника питания. компоненты.
К счастью, большинство импульсных регуляторов выходят из строя при низком напряжении. Однако часто целесообразно предусмотреть возможность ограничения напряжения в случае перенапряжения.
Часто этого можно добиться, обнаружив перенапряжение и отключив преобразователь. Это особенно применимо в случае преобразователей постоянного тока. При реализации этого необходимо включить контур считывания, который находится за пределами основного стабилизатора ИС - многие импульсные стабилизаторы и преобразователи постоянного тока используют микросхему для достижения большей части схемы.Очень важно использовать внешний контур датчика, потому что, если микросхема регулятора режима переключения повреждена, вызывая состояние перенапряжения, механизм датчика также может быть поврежден.
Очевидно, что для этой формы защиты от перенапряжения требуются схемы, специфичные для конкретной схемы, и используемые микросхемы импульсного источника питания.
Все три метода используются и могут обеспечить эффективную защиту от перенапряжения источника питания. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки, и выбор метода должен зависеть от конкретной ситуации.
Читайте также: