Защита входа питания постоянного тока

Цепочка защиты

Предохранитель в любом варианте ставят первым: всё, что может отказать замыканием (TVS-диод, транзистор, конденсатор), должно оказаться за ним. Защита от переполюсовки должна стоять перед eFuse: вход TPS2595 допускает не ниже −0,3 В. А вот место TVS-диода — выбор, у каждого варианта своя цена:

• TVS на самом входе, до защиты от переполюсовки. Так рисует TI: в примере LM74700-Q1 (разд. 10.1.1.3) и в сравнении P-MOSFET и LM74500-Q1 (SLVAE57B, рис. 5-2) TVS стоит у разъёма, у TPS2595 — на входе eFuse (разд. 10). Ток выброса уходит в TVS, не проходя через транзистор защиты. Цена: при переполюсовке однонаправленный TVS открывается в прямом направлении, поэтому TI берёт двунаправленный SMBJ33CA с пробоем дальше −16 В, а детали после него должны выдержать его напряжение ограничения — в примере TI MOSFET на 60 В.
• TVS после защиты от переполюсовки — как на схеме и в примере ниже. Подходит однонаправленный TVS с низким VC и транзистор на 30 В. Цена: ток выброса идёт через предохранитель и транзистор защиты, поэтому цепочка выдерживает только выбросы, ток которых ограничен сопротивлением источника, — расчёт в примере.

Плавкий предохранитель

Предохранитель защищает провода и источник при коротком замыкании и не даёт отказавшей детали загореться. Выбирают его по четырём параметрам, на примере быстрых SMD-предохранителей Bourns SF-1206F:

• Номинальный ток. Номинал — не ток срабатывания: при 100 % тока SF-1206F держится не меньше 4 часов, а при 200 % обязан перегореть не дольше чем за 60 секунд. Номинал выбирают с запасом над рабочим током и с учётом кривой снижения тока с температурой в даташите.
• Номинальное напряжение — не ниже напряжения цепи. У SF-1206F исполнения 0,5–2 А рассчитаны на 63 В, 2,5–7 А — на 32 В.
• Разрывная способность — наибольший ток, который предохранитель безопасно разрывает: у SF-1206F это 50 А. Если источник при замыкании даёт больше (аккумулятор, мощный блок питания), нужен предохранитель другого класса.
• I²t плавления — энергия срабатывания. Импульс пускового тока конденсаторов должен быть с запасом меньше, иначе предохранитель перегорит при включении. Оценить пусковой ток поможет калькулятор пускового тока.

На самом предохранителе тоже теряется мощность: у SF-1206F300 (3 А) типичное сопротивление 0,02325 Ом, при 2 А это 0,05 В и 0,09 Вт. У SF-1206F200 (2 А) — 0,0405 Ом, но для рабочего тока 2 А он без запаса.

Самовосстанавливающийся предохранитель

Полимерный PTC-предохранитель при перегрузке нагревается и переходит в высокоомное состояние, а после снятия питания остывает и снова проводит. Его параметры: ток удержания Ihold (точно не срабатывает), ток срабатывания Itrip (точно срабатывает), наибольшее напряжение Vmax и допустимый ток Imax. Подробно о выборе — в ответе «Как выбрать самовосстанавливающийся предохранитель».

Главная особенность — ток удержания падает с нагревом. Для нагрузки 2 А при 12 В:

По даташиту Bourns MF-MSMF. Оба исполнения рассчитаны на 16 В и 100 А. MF-MSMF200/16X на 2 А не годится уже при комнатной температуре — запаса нет. MF-MSMF250/16X держит 2 А до 40 °C внутри корпуса, при 50 °C — уже нет. Сопротивление у него 0,015–0,100 Ом — 0,03–0,2 В и до 0,4 Вт при 2 А, заметно больше, чем у плавкого. В сработавшем состоянии он рассеивает около 1,2 Вт и пропускает небольшой ток, пока приложено напряжение.

TVS-диод от выбросов

TVS-диод включают между шиной питания и общим проводом. В рабочем диапазоне он почти не проводит, а при выбросе входит в лавинный пробой и ограничивает напряжение, отводя ток импульса на общий провод. Параметры (Vishay, doc. 88490):

• VWM — рабочее напряжение: до него диод гарантированно заперт, утечка нормирована. Должно быть не ниже наибольшего напряжения питания.
• VBR — напряжение пробоя при малом токе (1 мА у SMBJ).
• VC — напряжение ограничения при пиковом токе импульса IPPM. Оно заметно выше VBR и должно быть ниже предельного напряжения защищаемой схемы.
• PPPM — мощность импульса: у SMBJ 600 Вт для формы 10/1000 мкс. Длительная мощность — лишь 5 Вт на бесконечном радиаторе при температуре 50 °C.

По даташиту Vishay SMBJ (doc. 88392). Выбор TVS — всегда компромисс: чем выше VWM, тем выше и VC. SMBJ15A даёт запас по рабочему напряжению, но ограничивает выброс на 24,4 В — выше предела TPS2595 в 20 В. SMBJ12A ограничивает на 19,9 В, но начинает проводить уже от 13,3 В, поэтому подходит только для стабилизированного источника. Для автомобильной сети TI выбирает SMBJ33CA с пробоем выше 24 В при «прикуривании» и 35 В ограниченного сброса нагрузки (LM74700-Q1, разд. 10.1.1.3), а MOSFET в этом примере берёт на 60 В.

Ток через TVS при выбросе определяется сопротивлением источника выброса: I_PP = (U_вх − U_C)/R_i (Vishay, doc. 88490). Однонаправленный TVS при переполюсовке открывается в прямом направлении (VF до 3,5 В при 50 А) — поэтому его ставят после защиты от переполюсовки или рассчитывают, что предохранитель перегорит раньше, чем диод.

Защита от переполюсовки

Последовательный диод Шоттки, P-канальный MOSFET в плюсовом проводе или контроллер идеального диода — со сравнением потерь при 2 А в статье «Защита от переполюсовки». В цепочке ниже — P-канальный AO3401A: до 50 мОм при V_GS = −10 В, то есть до 0,2 Вт при 2 А. Его предел затвора ±12 В, поэтому стабилитрон между затвором и истоком обязателен — с TVS на шине выбросы доходят до 20 В.

Тиристорный crowbar от перенапряжения

Crowbar («лом») при превышении порога замыкает шину питания тиристором, и предохранитель перегорает. Схема из даташита TL431 (onsemi, рис. 25): делитель R1–R2 подаёт часть напряжения шины на вход TL431, и когда оно достигает опорного, TL431 открывает тиристор. Порог:

где V_ref = 2,495 В типично (у TL431A — 2,47–2,52 В при 25 °C). Точнее, к порогу добавляется падение от входного тока TL431 на верхнем резисторе: U_сраб = (1 + R₁/R₂) V_ref + I_refR₁, у TL431A I_ref = 1,8 мкА типично и до 4,0 мкА (onsemi, рис. 2). Для порога 15 В на шине 12 В: R₁/R₂ = 15/2,495 − 1 = 5,01; с R2 = 10 кОм и R1 = 49,9 кОм порог — 5,99 · 2,495 В + 1,8 мкА · 49,9 кОм ≈ 15,03 В, с учётом разброса Vref и Iref у TL431A — 14,8–15,3 В, и к этому добавляется допуск резисторов. Подобрать делитель поможет калькулятор TL431.

Тиристор выбирают так, чтобы он выдержал ток короткого замыкания источника до срабатывания предохранителя, а предохранитель — с разрывной способностью не меньше этого тока. Crowbar надёжно защищает от ошибочного блока питания, но после срабатывания устройство обесточено до замены предохранителя. С PTC-предохранителем оно вернётся в работу после снятия питания — если PTC рассчитан на напряжение ошибочного источника: у MF-MSMF…/16X Vmax 16 В, и от блока на 19 В сработавший предохранитель окажется под напряжением выше допустимого. Для такой пары нужен PTC с Vmax выше любого возможного источника.

Электронный предохранитель (eFuse)

eFuse — микросхема с силовым транзистором и схемами контроля: ограничивает ток, отключает или ограничивает выход при перенапряжении, плавно заряжает выходные конденсаторы и защищается от перегрева. Пример — TPS2595 от TI (SLVSE57C):

• вход 2,7–18 В, предельно −0,3…20 В;
• сопротивление ключа 34 мОм типично, до 37 мОм при 25 °C;
• ограничение тока 0,5–4 А резистором RILM: R_ILM = 2000/(I_LIMIT − 0,04), где R — в омах, I — в амперах;
• у TPS25954x порог перенапряжения 13,7 В (13,3–14,3 В): выход ограничивается на 13,55 В за 5 мкс при токе 4 А и за 10 мкс при 100 мА; у TPS259573 порог отключения задаётся делителем;
• плавный пуск конденсатором на выводе dVdt: скорость нарастания SR = I_пуск/C_вых (В/мс при мА и мкФ), C_dVdt = 42 000/SR (пФ при В/мс).

Обратную полярность TPS2595 не переносит, обратный ток не блокирует. TPS25940 того же класса (2,7–18 В, 42 мОм, ограничение 0,6–5,3 А) блокирует обратный ток, когда вход становится ниже выхода на 10 мВ, — это полезно при накопительных конденсаторах на нагрузке.

Пример: вход 12 В, 2 А

Источник — стабилизированный блок питания 12 В, нагрузка — 2 А, на ней 470 мкФ. Цепочка — как на схеме выше:

1. F1 — SF-1206F300 (3 А, 32 В, 50 А разрывная способность). Потери: 2² · 0,02325 = 0,09 Вт.
2. VT1 — AO3401A со стабилитроном BZX84C10 (9,4–10,6 В) между затвором и истоком. Потери: до 2² · 0,050 = 0,2 Вт.
3. VD2 — SMBJ12A. VWM 12 В — для блока питания 12 В. VC 19,9 В против предельных 20 В на входе TPS2595 — на границе: запас 0,1 В, а напряжение пробоя растёт с нагревом на 0,083 %/°C. Выручает то, что в этой цепочке ток выброса заметно меньше IPPM (п. 6), а VC нормировано при полном IPPM.
4. DA1 — TPS259541 (порог 13,7 В, автоповтор после перегрева). Ток ограничения 2,5 А: R_ILM = 2000/(2,5 − 0,04) = 813 Ом, ближайший E96 — 806 Ом, ограничение 2000/806 + 0,04 = 2,52 А, с разбросом около ±7 % по таблице характеристик — примерно 2,36–2,68 А. Потери в ключе: 2² · 0,034 = 0,14 Вт.
5. Плавный пуск. Пусковой ток 0,3 А в 470 мкФ: SR = 300/470 = 0,64 В/мс, C_dVdt = 42 000/0,64 = 66 нФ, берём 68 нФ — 0,62 В/мс, пусковой ток 0,29 А, нарастание до 12 В за 19 мс. Мощность в TPS2595 при пуске без нагрузки — 0,5 · 12 · 0,29 = 1,7 Вт в течение 19 мс; если резистивная нагрузка 6 Ом включена с самого начала, добавляется $\tfrac{1}{6} \cdot 12^2 / 6 = 4$ Вт (SLVSE57C, разд. 9.2.2.3). Эту мощность сверяют с графиком теплового отключения в даташите; проще включать нагрузку после выхода на режим.
6. Выбросы через F1 и VT1. Импульс 10/1000 мкс нарастает за 10 мкс и спадает до половины за 1 мс (Vishay, doc. 88490): i = I_pe^−t/τ, $\tau = 1\ \text{мс} / \ln 2 \approx 1{,}44$ мс, I²t ≈ I_p²τ/2. Для полного нормированного импульса SMBJ12A это 30,2² · 0,72 мс ≈ 0,66 А²·с — больше I²t плавления SF-1206F300 (0,501 А²·с), а 30,2 А больше импульсного тока AO3401A (27 А). Такой импульс эта цепочка не выдержит: она рассчитана на выбросы, ток которых ограничен сопротивлением источника, I_PP = (U_вх − U_C)/R_i, до единиц ампер. Если на входе возможны мощные выбросы (длинная линия, автомобильная сеть), TVS ставят у разъёма, как у TI.

Итого в рабочем режиме: около 0,43 Вт потерь и 0,21 В падения при 2 А — меньше 2 % от 24 Вт нагрузки.

Последняя строка — слабое место цепочки: TVS с VC ниже 20 В неизбежно проводит уже от 13–15 В. Если подключение чужого блока питания вероятно, нужна микросхема защиты с допустимым входным напряжением выше любого возможного источника и TVS с VWM выше него — либо crowbar, который осознанно пережигает предохранитель.

Типичные ошибки

• Предохранитель за TVS-диодом или конденсатором. Если TVS откажет замыканием, предохранитель его не отключит — источник будет работать на замыкание.
• PTC выбран по току при 23 °C. В закрытом корпусе при 50 °C MF-MSMF200/16X держит 1,68 А вместо 2 А и будет отключаться без перегрузки.
• TVS по VBR, а не по VWM. Утечка нормирована только до VWM, выше она не гарантирована, а около VBR начинается пробой — диод проводит заметный ток и греется.
• VC выше предела защищаемой микросхемы. SMBJ15A перед eFuse с пределом 20 В пропустит до 24,4 В.
• Разрывная способность меньше тока КЗ. Чип-предохранитель на 50 А от аккумулятора с током КЗ в сотни ампер может не разорвать дугу.
• Нет защиты от переполюсовки перед eFuse. TPS2595 допускает на входе лишь −0,3 В.