Питание электроники от бортовой сети 12 В: защита и преобразователь на 5 В
Бортовая сеть автомобиля — не 12 вольт: при пуске напряжение проседает до 3–4 В, при «прикуривании» поднимается до 24 В, а при сбросе нагрузки генератором — до десятков вольт. Разбираем вход 5 В для такой сети по документам TI и Vishay: какие выбросы ожидать, как выбрать TVS-диод с учётом температуры, чем защититься от переполюсовки и почему понижающий преобразователь на 60 В здесь надёжнее, чем 7805.
Обновлено Редакция GAW
Бортовая сеть легкового автомобиля номинально 12 В, но напряжение на ней гуляет в разы. Аккумулятор при работающем генераторе, просадка при пуске стартером, «прикуривание» от грузовика, обрыв клеммы на ходу — всё это электроника, подключённая к прикуривателю или к проводке, видит на своём входе. Производители автомобилей описывают эти воздействия стандартами ISO 7637-2 и ISO 16750-2; сами стандарты платные, и здесь мы опираемся на то, как их значения пересказывают TI и Vishay в своих документах. Общие принципы защиты входа — в статье «Защита входа питания».
Коротко
- Пуск от 24 В
- TVS не должен открываться
- Ограниченный сброс нагрузки
- 35 В (TI)
- Импульс 1 ISO 7637-2
- до −150 В через 10 Ом
- Холодный пуск
- до 3,2 В (TI)
- TVS
- SMBJ33CA: пробой от 36,7 В
- Преобразователь
- TPS54360: вход 4,5–60 В
Что бывает в бортовой сети
Значения на шкале — из документов производителей:
- Обычная работа. В испытании на сброс нагрузки Vishay берёт напряжение батареи 13,5 В, а TI в расчёте защиты считает наибольшим напряжением батареи 16 В (LM74700-Q1, разд. 10.1.1.3). При морозе −18 °C 12-вольтовая батарея может дать всего 7,2 В (Vishay, doc. 88490, с. 4).
- Холодный пуск. Стартер просаживает сеть: TI в примере с LM74700-Q1 закладывает 3,2 В, в обзоре SLVAE57B — 3–4 В.
- Пуск от внешнего источника. Электроника на 12 В должна пережить 24 В — Vishay описывает испытание длительностью 10 минут.
- Сброс нагрузки (load dump). Если на ходу отключается аккумулятор, генератор какое-то время продолжает отдавать прежний ток, и напряжение сети подскакивает. Vishay приводит условия ISO 7637-2, импульс 5: 65–87 В поверх 13,5 В батареи, внутреннее сопротивление источника 0,5–4 Ом, длительность до 400 мс. Если выброс в машине ограничен централизованно, остаётся «ограниченный сброс нагрузки» — TI закладывает на него 35 В (ISO 16750-2, импульс B) в отличие от несглаженного (импульс A). Есть ли такое ограничение, определяет производитель автомобиля.
- Отключение индуктивной нагрузки. Импульс 1 по ISO 7637-2 — отрицательный, до −150 В при сопротивлении генератора 10 Ом, через TVS это около 15 А (TI).
- Переполюсовка. Аккумулятор, подключённый наоборот: TI закладывает −16 В.
Схема
Цепочка от разъёма к нагрузке:
- F1 — предохранитель: при отказе TVS-диода замыканием или при переполюсовке, если защита пропустит ток, он разрывает цепь. Vishay напоминает, что пробитый TVS замыкает линию накоротко (doc. 88490, с. 3).
- VD1 SMBJ33CA — двунаправленный TVS вплотную к разъёму. Принимает импульсы обеих полярностей.
- VD2 PMEG10030ELP — диод Шоттки на 100 В против переполюсовки.
- DA1 TPS54360 — понижающий преобразователь с входом до 60 В. Номиналы обвязки — из примера TI на 5 В и 3,5 А (SLVSBB4G, рис. 34).
Расчёт
- TVS: пробой. По TI напряжение пробоя TVS должно быть выше 24 В пуска и 35 В ограниченного сброса нагрузки, а для отрицательной стороны — выше 16 В переполюсовки (LM74700-Q1, разд. 10.1.1.3). У SMBJ33CA пробой 36,7–40,6 В при 25 °C, рабочее напряжение 33 В (Vishay, doc. 88392). Пробой меняется с температурой на 0,100 %/°C, и на морозе он ниже:
при −40 °C. Это чуть ниже 35 В, то есть ограниченный сброс нагрузки на морозе диод начнёт срезать. TI считает, что 600 Вт SMBJ хватает и для импульсов ISO 7637-2, и для ограниченного сброса нагрузки, так что это допустимо — но запаса тут нет. Следующий номинал, SMBJ36CA, пробивается не раньше 40,0 В и этого недостатка лишён, но его ограничение — 58,1 В, а при нагреве около 61,6 В: это выше 60 В TPS54360. Поэтому остаётся SMBJ33CA с этой оговоркой.
-
TVS: ограничение. При пиковом токе 11,3 А (импульс 10/1000 мкс) SMBJ33CA ограничивает напряжение на 53,3 В. Ограничение растёт с нагревом; если пересчитать его тем же коэффициентом, что и пробой, при 85 °C получится около 56,5 В. Это ниже 60 В — наибольшего рабочего входного напряжения TPS54360 — и тем более ниже его предельных 65 В. Отрицательный импульс 1 TI на этом диоде измерила: −44 В при 15 А.
-
Переполюсовка. Последовательный диод при переполюсовке заперт. Но во время импульса 1 к нему приложено напряжение ограничения TVS плюс напряжение, которое держит входной конденсатор, — TI считает до 44 + 16 = 60 В. −44 В измерены при 25 °C; если пересчитать их на 85 °C тем же коэффициентом, что и в п. 2, получится около 46,6 В, и на диоде окажется около 62,6 В. Поэтому диод на 40 В (SS34) не годится, а SS36 на 60 В на нагреве уже перегружен — лавинная энергия у диода Шоттки не нормирована. В схеме стоит диод на 100 В — Nexperia PMEG10030ELP. Другой путь — MOSFET на 80–100 В с контроллером идеального диода; варианты и потери сравниваются в статье «Защита от переполюсовки».
-
Потери в диоде. При 5 В и 2 А на выходе и КПД около 85 % (оценка) вход берёт 11,8 Вт — 1,3 А при 9 В и 0,87 А при 13,5 В. Прямое напряжение PMEG10030ELP при 25 °C — не больше 0,67 В при 1 А и 0,74 В при 2 А, при 1,3 А — около 0,7 В, поэтому на диоде рассеивается не больше
С площадкой катода 1 см² тепловое сопротивление корпуса SOD128 — 120 К/Вт, и это нагрев около 110 К: при входе 9 В воздух вокруг не должен быть теплее 65 °C, чтобы кристалл остался в пределах 175 °C. При обычных 13,5 В ток 0,87 А, на диоде около 0,57 Вт и +68 К. С нагревом прямое напряжение падает (при 125 °C — не больше 0,68 В даже при 3 А), поэтому оценка с запасом. Nexperia напоминает и о тепловом разгоне диодов Шоттки из-за обратного тока — здесь он не опасен, потому что в работе диод открыт. MOSFET с контроллером идеального диода и сопротивлением канала в десятки миллиом сократил бы потери в разы.
-
Входное напряжение преобразователя. С учётом пп. 1–3 на VIN приходит от 6,25 В (порог остановки) до 56,5 В в худшем случае ограничения. TPS54360 работает от 4,5 до 60 В. Конденсаторы на входе — керамика на 100 В: TI требует не меньше 3 мкФ эффективной ёмкости при рабочем напряжении, а ёмкость керамики падает под напряжением, поэтому стоят два по 2,2 мкФ (разд. 8.2.2.6).
-
Порог включения. Делитель R1/R2 на выводе EN — 523 и 84,5 кОм — включает преобразователь при 8 В и выключает при 6,25 В (разд. 8.2.2.8). Ниже этих значений преобразователь не пытается работать на просевшей сети и не тянет из неё большой ток.
-
Выход. Опорное напряжение 0,792–0,808 В, делитель R5/R6 53,6 и 10,2 кОм:
с разбросом опорного — от 4,95 до 5,05 В, к этому добавляется допуск резисторов.
- Дроссель. TI выбирает индуктивность по наибольшему входному напряжению, 60 В, при пульсациях 30 % от 3,5 А: не меньше 7,3 мкГн, взято 8,2 мкГн (ур. 28). Калькулятор ниже открыт с этим примером; ряд E6 он округляет до 10 мкГн — годится и то, и другое. При токе 2 А и входе 56,5 В пульсации тока дросселя 0,93 А размахом, пик — около 2,5 А: с запасом ниже наименьшего порога ограничения тока, 4,5 А.
Исходные данные
худший случай для расчёта
из даташита микросхемы
оценка: 85–95 %
от среднего тока, обычно 20–40 %
размах
необязательно
необязательно: керамика — единицы мОм, электролит — десятки и сотни
Результат
- Индуктивность дросселя
- 10 мкГн
- минимум 7,28 мкГн, взят ближайший номинал E6 сверху
- Ток насыщения дросселя — не меньше
- 3,92 Асредний ток 3,5 А плюс половина пульсаций
- Пульсации тока дросселя
- 849 мАразмах
- Коэффициент заполнения
- 9,26 %
- Выходной конденсатор — не меньше
- 4,38 мкФпо ёмкости, без учёта ESR
Проверьте, что ток ограничения ключа микросхемы с запасом больше пикового тока, и сверьтесь с рекомендациями её даташита: значения дросселя и конденсаторов там часто заданы под конкретную компенсацию цепи обратной связи.
-
Диод VD3. По TI обратное напряжение диода должно быть не ниже наибольшего входного (разд. 8.2.2.5), поэтому B560C на 60 В. Здесь оно не превышает 56,5 В.
-
Холодный пуск. При 3,5 А TPS54360 держит 5 В при входе от 5,56 В (типичные значения, разд. 8.2.2.10), а остановится он при 6,25 В. Если сеть при пуске проседает до 3,2 В, выход пропадает — микроконтроллер должен корректно сброситься, см. «Сброс по питанию и супервизор».
Почему не 7805
Линейный стабилизатор в автомобиле упирается в два ограничения.
Напряжение. Предельное входное напряжение MC7805 — 35 В (onsemi MC7800/D). Это ровно ограниченный сброс нагрузки, а TVS, который должен молчать при пуске от 24 В, ограничивает выше: у SMBJ24A пробой от 26,7 В, но ограничение 38,9 В; у SMBJ20A ограничение ниже, но пробой начинается с 22,2 В — диод открывался бы при пуске от 24 В. Подобрать SMBJ, который одновременно держит 24 В и ограничивает ниже 35 В, нельзя.
Нагрев. Мощность на стабилизаторе — разность напряжений, умноженная на ток. При токе 0,2 А это 1,7 Вт при 13,5 В и 3,8 Вт при пуске от 24 В; при 2 А и 13,5 В — 17 Вт. Понижающий преобразователь отдаёт те же 2 А с потерями порядка ватта. Как сравнить варианты для своих чисел — в калькуляторе LDO или DC-DC, а схемы и радиатор для 7805 — на странице «Линейный стабилизатор 78xx».
Если сброс нагрузки не ограничен
Если производитель машины не гарантирует централизованного ограничения, на вход приходит несглаженный импульс. Ток через TVS Vishay оценивает так:
Для SMBJ33CA (53,3 В) даже в самых мягких условиях из таблицы Vishay — 65 + 13,5 = 78,5 В при 4 Ом — это около 6,3 А, при 87 В и 4 Ом — 11,8 А, при 0,5 Ом — 94 А, и держится импульс до 400 мс. А 11,3 А SMBJ выдерживает лишь в импульсе 10/1000 мкс, то есть около миллисекунды. Для такого случая TI советует SMCJ или SMDJ (LM74610-Q1, разд. 8.2), а Vishay выпускает специальные диоды для сброса нагрузки серии SM8S: 6600 Вт для 10/1000 мкс и 5200 Вт для 10/10 000 мкс, допустимая мощность при сбросе нагрузки — на рис. 3 даташита. У SM8S33A те же 36,7–40,6 В пробоя и 53,3 В ограничения, но при 124 А. Серия SM8S10A–SM8S43A помечена как не рекомендованная для новых разработок, замена — SM8S…AHM3.
SM8S бывает только однонаправленным. При переполюсовке такой диод открывается в прямом направлении, и напряжение линии равно его прямому падению — схема за ним видит небольшой минус, а ток ограничивает предохранитель. Vishay поэтому советует TVS с малым прямым падением или выпрямительный диод в линии питания (doc. 88490, с. 4): затворы MOSFET и КМОП-микросхемы обратного напряжения почти не переносят.
Детали
| Позиция | Деталь | Примечание |
|---|---|---|
| VD1 | SMBJ33CA | двунаправленный, у разъёма; без ограничения сброса нагрузки — класс SM8S |
| VD2 | PMEG10030ELP | 100 В, 3 А, площадка катода от 1 см²; или MOSFET 80–100 В с контроллером идеального диода; SS36 на 60 В — только без нагрева |
| C1 | 2 × 2,2 мкФ, 100 В, X7R | у вывода VIN |
| DA1 | TPS54360 | вход 4,5–60 В, 3,5 А |
| R1, R2 | 523 кОм, 84,5 кОм | пуск при 8 В, остановка при 6,25 В |
| R3 | 162 кОм | 600 кГц |
| R4, C5, C8 | 13 кОм, 6,8 нФ, 39 пФ | компенсация по примеру TI |
| C4 | 0,1 мкФ, от 10 В | BOOT–SW |
| VD3 | B560C | 60 В, 5 А |
| L1 | 8,2 мкГн | ток насыщения не ниже порога ограничения DA1 |
| C6, C7 | 2 × 47 мкФ, 10 В, керамика | |
| R5, R6 | 53,6 кОм, 10,2 кОм | 1 % |
Почему не работает
- Устройство перезагружается при запуске двигателя. Это ожидаемо: при просадке ниже 6,25 В преобразователь останавливается. Нужен супервизор сброса и сохранение данных при пропадании питания, либо схема, работающая от 3–4 В.
- TVS-диод сгорел и замкнул вход. Несглаженный сброс нагрузки на диоде класса SMBJ или постоянное перенапряжение — TVS не предназначен для длительной работы в пробое. Проверьте, есть ли в машине ограничение сброса нагрузки, или ставьте SM8S.
- Сгорел диод защиты от переполюсовки, хотя полярность не путали. Обратное напряжение при отрицательном импульсе: ограничение TVS плюс напряжение на конденсаторе, на нагреве больше 60 В. Диоды на 40 и 60 В здесь малы.
- Преобразователь вышел из строя при выбросе. На вход пришло больше 65 В: TVS стоит далеко от разъёма, на длинном отводе, или выбран с напряжением ограничения выше предела микросхемы.
- Разряжает аккумулятор на стоянке. Ток покоя TPS54360 без переключения — 146 мкА, в отключённом состоянии — около 2 мкА. Остальное берёт делитель R1/R2 (около 20 мкА при 12 В) и нагрузка: для постоянного подключения отключайте нагрузку выводом EN.
Частые вопросы
Можно ли питать схему в автомобиле от 7805?
Только маломощную и с оговорками. Предельное входное напряжение MC7805 — 35 В, ровно столько, сколько TI закладывает на ограниченный сброс нагрузки, а TVS, который не проводит при пуске от 24 В, ограничивает выброс выше 35 В. Кроме того, при токе 0,2 А и пуске от 24 В стабилизатор рассеивает 3,8 Вт. Понижающий преобразователь с входом до 60 В решает обе задачи.
Какой TVS-диод поставить на вход 12 В в автомобиле?
Его напряжение пробоя должно быть выше 24 В пуска и 35 В ограниченного сброса нагрузки, а напряжение ограничения — ниже предела защищаемой схемы. TI для 12-вольтовой сети берёт двунаправленный SMBJ33CA: он не открывается при переполюсовке до −16 В и ограничивает импульс 1 на −44 В. Если сброс нагрузки в машине не ограничен централизованно, нужен диод класса SM8S.
Почему защиту от переполюсовки ставят после TVS-диода, а не до?
TVS должен стоять у разъёма, чтобы принять импульс раньше, чем тот дойдёт до схемы. Двунаправленный SMBJ33CA при переполюсовке не проводит: его пробой 36,7 В выше 16 В обратной батареи. Последовательный диод или MOSFET после него блокирует постоянное обратное напряжение.
Что будет с 5 В при пуске двигателя?
TI указывает просадку 12-вольтовой батареи при холодном пуске до 3,2 В. TPS54360 в примере TI отключается при падении входа ниже 6,25 В, так что выход пропадёт и микроконтроллер сбросится. Если устройство должно работать во время пуска, нужен преобразователь, который умеет повышать напряжение, или накопительная ёмкость с расчётом на время провала.
Источники
- Vishay. Transient Voltage Suppressors (TVS) for Automotive Electronic Protection (doc. 88490, revision 09-Aug-10) — с. 1 — испытание пуском от 24 В в течение 10 минут для электроники на 12 В; с. 2–3, табл. 1 и рис. 6 — сброс нагрузки по ISO 7637-2 импульс 5: VS 65–87 В, напряжение батареи 13,5 В, внутреннее сопротивление 0,5–4 Ом, длительность до 400 мс; ток через TVS IPP = (Vin − Vc) / Ri; отказавший TVS замыкает линию; с. 4 — наименьшее напряжение батареи 12 В при −18 °C — 7,2 В, у MOSFET затвор не переносит обратного напряжения, предельное входное напряжение большинства стабилизаторов и преобразователей для автомобиля — 45–60 В
- Texas Instruments. LM74700-Q1 Low IQ Reverse Battery Protection Ideal Diode Controller (SNOSD17G, revised December 2020) — табл. 10-1 — 12-вольтовая батарея: просадка при холодном пуске до 3,2 В, сброс нагрузки 35 В, испытания по ISO 7637-2 и ISO 16750-2; разд. 10.1.1.3 — пробой TVS выше 24 В пуска и 35 В ограниченного сброса нагрузки, обратная полярность до −16 В, импульс 1 по ISO 7637-2 — до −150 В при сопротивлении генератора 10 Ом, около 15 А; SMBJ33CA ограничивает его на −44 В; 600 Вт SMBJ хватает для импульсов ISO 7637-2 и ограниченного сброса нагрузки (ISO 16750-2, импульс B); бюджет 60 В = 44 В ограничения + 16 В на выходном конденсаторе
- Texas Instruments. LM74610-Q1 Zero IQ Reverse Polarity Protection Smart Diode Controller (SNOSCZ1B, revised June 2016) — разд. 8.2 — для несглаженного сброса нагрузки (ISO 16750-2, импульс A) могут понадобиться более мощные TVS SMCJ или SMDJ; двунаправленный TVS симметричен, и его ограничение отрицательных импульсов надо сверять с допустимым обратным напряжением
- Texas Instruments. Basics of Ideal Diodes (SLVAE57B, revised October 2021) — разд. 2 — при переполюсовке ток идёт через защитные диоды микросхем и повреждает электролитические конденсаторы; ISO 7637-2 и ISO 16750-2 описывают переходные процессы в сети автомобиля; разд. 2.1 — недостатки диода Шоттки: потери, нагрев, утечка, падение напряжения при пуске, когда батарея проседает до 3–4 В
- Vishay. SMBJ5.0A thru SMBJ188A: Surface-Mount TRANSZORB Transient Voltage Suppressors (doc. 88392, revision 09-Jan-2024) — 600 Вт для импульса 10/1000 мкс; двунаправленные — суффикс CA, параметры в той же таблице; SMBJ33A: VBR 36,7–40,6 В при 1 мА, VWM 33 В, IPPM 11,3 А, VC 53,3 В, ТКН VBR 0,100 %/°C; SMBJ24A: 26,7–29,5 В, 15,4 А, 38,9 В; SMBJ20A: 22,2–24,5 В
- Vishay. SM8S10A thru SM8S43A: Surface Mount PAR Transient Voltage Suppressors (doc. 88387, revision 06-Feb-2026) — серия не для новых разработок, замена — SM8S10AHM3…SM8S85AHM3; 6600 Вт для 10/1000 мкс и 5200 Вт для 10/10 000 мкс, назначение — защита от сброса нагрузки, только однонаправленные; SM8S24A: VBR 26,7–29,5 В, 170 А, 38,9 В; SM8S33A: 36,7–40,6 В, 124 А, 53,3 В; рис. 3 — мощность при сбросе нагрузки
- Nexperia. PMEG10030ELP: 100 V, 3 A low leakage current Schottky barrier rectifier (product data sheet, 20 February 2023) — 100 В, 3 А, назначение — в том числе защита от переполюсовки; VF не больше 605/670/740 мВ при 0,5/1/2 А (25 °C); Tj до 175 °C; Rth(j-a) 200 К/Вт на стандартной площадке и 120 К/Вт с площадкой катода 1 см²; оговорка о тепловом разгоне диодов Шоттки из-за обратных потерь
- Vishay. SS32, SS33, SS34, SS35, SS36: Surface-Mount Schottky Barrier Rectifiers (doc. 88751, revision 23-Apr-2020) — 3 А; SS34 — 40 В, SS36 — 60 В; прямое напряжение при 3 А не больше 0,5 В у SS32–SS34 и 0,75 В у SS35, SS36
- Texas Instruments. TPS54360 4.5 V to 60 V Input, 3.5 A, Step-Down DC-DC Converter With Eco-Mode (SLVSBB4G, revised June 2018) — вход 4,5–60 В, предельно 65 В; опорное 0,792–0,8–0,808 В; ограничение тока 4,5–5,5–6,8 А во всём диапазоне входа (6,25 А наибольшее при 12 В); потребление без переключения 146 мкА, в отключённом состоянии 2,25 мкА; выводы: 1 BOOT, 2 VIN, 3 EN, 4 RT/CLK, 5 FB, 6 COMP, 7 GND, 8 SW; разд. 8.2, рис. 34 — пример 5 В, 3,5 А, 600 кГц, вход 8,5–60 В: L 8,2 мкГн (ур. 28: не меньше 7,3 мкГн при 60 В и KIND 0,3), 2×47 мкФ, B560C, 2×2,2 мкФ на 100 В, R1/R2 523 и 84,5 кОм — пуск при 8 В, остановка при 6,25 В, R3 162 кОм, R5/R6 53,6 и 10,2 кОм; разд. 8.2.2.5 — диод не ниже наибольшего входного напряжения; 8.2.2.6 — не меньше 3 мкФ эффективной ёмкости на входе; 8.2.2.10 — наименьшее входное 5,56 В при 3,5 А
- onsemi. MC7800, MC7800A, MC7800AE, NCV7800: 1.0 A Positive Voltage Regulators (MC7800/D, Rev. 29, November 2021) — предельное входное напряжение для вариантов на 5–18 В — 35 В
Нашли ошибку?
Смотрите также
- Защита входа питанияПредохранитель, PTC, TVS, crowbar и eFuse: цепочка для 12 В с расчётом
- Защита от переполюсовкиДиод, предохранитель с диодом, P- и N-MOSFET, идеальный диод: потери при 2 А
- DC-DC: buck и boostДроссель, пиковый ток, выходной конденсатор
- Стабилизатор 78xx и LM11177805, 7905, LM1117: конденсаторы, падение, радиатор, защитные диоды
- Понижающий преобразовательЗаполнение, дроссель, пульсации, конденсатор, ключ и диод
- TVS-диодСупрессор: защита от импульсов перенапряжения
- LDO или DC-DCКПД, потери, нагрев LDO, время от батареи
- Сброс нагрузки (load dump)Выброс напряжения при отключении аккумулятора на ходу