Плавный пуск: как ограничить бросок тока в конденсаторы нагрузки

NTC-термистор

Самый простой способ — термистор с отрицательным ТКС последовательно с нагрузкой. Холодный он ограничивает ток, затем греется током нагрузки, и его сопротивление падает в разы. Пример: шина 12 В, 2200 мкФ, нагрузка 2 А, термистор Ametherm SL10 5R003 — 5 Ом ±20 %, до 3 А. Калькулятор открыт с этим примером:

• Пусковой ток. Сопротивление источника, проводов и конденсатора в примере — 0,25 Ом (0,2 Ом контура и 0,05 Ом ESR; для своей схемы его измеряют). Без ограничения это 12 / 0,25 = 48 А. С термистором при 25 °C — 12 / (5 + 0,25) ≈ 2,3 А, с нижним допуском сопротивления −20 % — 2,8 А.
• Энергия. На заряд уходит 158 мДж — Ametherm допускает 20 Дж. Ограничение по энергии на низком напряжении не важно.
• Потери в работе. Сопротивление горячего термистора даташит даёт в двух точках: 0,70 Ом при 1,5 А и 0,50 Ом при 3 А. При 2 А оно между ними — значит, на термисторе 1,0–1,4 В и 2–2,8 Вт. Это до 12 % напряжения шины и заметное тепло. Калькулятор показывает более широкую оценку, 2–4,5 Вт: он берёт ближайшую точку даташита с током не меньше рабочего (0,5 Ом при 3 А) и не интерполирует между точками.
• Повторное включение. Горячий термистор почти не ограничивает ток — при 0,5 Ом и тех же 0,25 Ом контура бросок 16 А. Полное сопротивление восстанавливается через 1–2 минуты (TDK, разд. 1.5), у SL10 5R003 постоянная времени остывания — 30 с.

На сетевом напряжении падение в вольт незаметно, поэтому термисторы и прижились в блоках питания от сети. На 12 В и ниже выгоднее MOSFET.

P-MOSFET с конденсатором затвор–сток

Ключ в плюсовом проводе — P-канальный AO3401A. Скорость нарастания выхода задаёт конденсатор C1 между затвором и стоком — схема из TI SLVA156 (рис. 2, приложение A).

Как работает. Пока VT2 закрыт, затвор подтянут к истоку резистором R1, транзистор заперт. Резистор R4 между базой и эмиттером VT2 держит его закрытым и тогда, когда вывод микроконтроллера после сброса ещё не настроен и «висит». Микроконтроллер открывает VT2, и затвор начинает разряжаться через RT. Когда напряжение затвор–исток доходит до плато — порога открывания плюс немного на ток стока, — транзистор начинает проводить, и выход идёт вверх. Затвор при этом стоит на месте: любое его движение тут же открыло бы или закрыло транзистор сильнее. Значит, весь ток RT, кроме ответвления в R1, идёт через C1, и напряжение на выходе растёт с постоянной скоростью:

Ток заряда нагрузки — по формуле в начале страницы: I = C_н · dU_вых/dt.

Расчёт для 12 В и 470 мкФ.

1. Плато. Порог AO3401A — 0,5–1,3 В по модулю; плато чуть выше, на ток стока. Возьмём диапазон 0,5–2 В — оценка, точного значения при малом токе даташит не даёт.
2. Ток C1. При R1 = RT = 470 кОм:

3. Скорость и ток. С C1 = 33 нФ выход нарастает со скоростью 516–709 В/с, до 12 В — за 17–23 мс. Пусковой ток в 470 мкФ — 0,24–0,33 А. С допуском C1 ±10 % — 0,22–0,37 А. C1 много больше ёмкости затвор–сток самого транзистора (Crss 55 пФ), поэтому её разброс на скорость не влияет — это и требует TI.
4. Затвор во включённом состоянии. Делитель R1/RT даёт $U_{ЗИ} = -12 \cdot \tfrac{470}{470 + 470} = -6$ В, при 16 В — −8 В. Это в пределах ±12 В, и сопротивление канала не больше 60 мОм (нормировано при −4,5 В). Без делителя, с затвором прямо на общем проводе, при 12 В на входе транзистор работал бы на пределе по затвору.
5. Задержка включения. До плато затвор разряжается с постоянной времени (C₁ + C₂)(R₁ ∥ R_T) ≈ 0,53 с — нарастание выхода начинается через 46–213 мс после команды.
6. Подача питания. Если вход подают скачком при запертом ключе, C1 тянет затвор вниз вслед за разряженным выходом, и транзистор открывается без управления — TI разбирает это в SLVA716A (разд. 4.2). Конденсатор C2 между истоком и затвором удерживает затвор: скачок на затворе равен входному напряжению, умноженному на C₁/(C₁ + C₂), то есть 0,24 В при 16 В — вдвое меньше наименьшего порога. С C2 = 1 мкФ было бы 0,51 В — на пороге.

Энергия и SOA. Пока выход нарастает, транзистор работает в линейном режиме: на нём остаётся разность входа и выхода, а через него идёт ток заряда.

• Без нагрузки в транзисторе выделяется столько же, сколько запасает конденсатор: 470 мкФ · 12²/2 = 34 мДж за 17–23 мс, мощность от 2,9–4,0 Вт в начале до нуля в конце.
• С нагрузкой 1 А (12 Ом), включённой с самого начала, к току заряда добавляется ток нагрузки: 67–80 мДж, в среднем 3,4–4,0 Вт, в пике 4,6–5,3 Вт.

Для импульса около 20 мс переходное тепловое сопротивление AO3401A по рис. 11 — примерно 0,1 от 125 °C/Вт, около 12,5 °C/Вт. При 4 Вт это нагрев на 50 °C: при 70 °C вокруг кристалл дойдёт примерно до 120 °C, ниже предельных 150 °C. Граница области безопасной работы для 10 мс на рис. 9 проходит около 13–14 Вт, но построена для 25 °C вокруг. При 70 °C до предельной температуры остаётся 80 К вместо 125 К, и допустимая мощность падает примерно до 6,4 Вт: запас по среднему (4 Вт) и пиковому (5,3 Вт) — около 1,6 раза, а не двукратный. Числа сняты с графиков даташита и ориентировочны; графики AOS построены для платы с медью площадью 1 дюйм² (примечание F), на минимальной площадке нагрев больше. Для большей ёмкости или напряжения проверку повторяют.

Ключ нагрузки TPS22918

Для шин до 5,5 В проще взять готовый ключ нагрузки. TPS22918 содержит n-канальный транзистор на 52 мОм, схему управления затвором с линейным нарастанием и разряд выхода. Время нарастания задаёт конденсатор на выводе CT (SLVSD76C, табл. 2, типичные значения при 5 В, 10–90 %):

Время задано между 10 и 90 % выходного напряжения, поэтому в формулу тока подставляют 80 % от входа — так считает и TI (разд. 9.2.2.5):

Приближённая формула TI (ур. 3) даёт для 470 пФ скорость 288,5 мкс/В; время нарастания TI предлагает получать умножением на входное напряжение: 288,5 мкс/В × 5 В ≈ 1,44 мс — немного больше табличных 1,26 мс. Значения типичные: допуск на время нарастания TI не приводит, поэтому пусковой ток берут с запасом.

Нагрев в работе. Сопротивление ключа при 5 В — до 59 мОм при 25 °C и до 79 мОм при 105 °C. TI допускает 2 А при 70 °C, но с тепловым сопротивлением 183,2 °C/Вт в корпусе SOT-23 при 2 А и 79 мОм ключ рассеивает 0,32 Вт — это +58 °C, и при 70 °C вокруг кристалл выйдет за предельные 125 °C. Наибольшая мощность при 70 °C — (125 − 70)/183,2 = 0,30 Вт, то есть около 1,9 А. Для полных 2 А нужна плата с большей медью под выводами, которая снижает тепловое сопротивление.

Входной конденсатор. TI советует, чтобы входной конденсатор был в 10 раз больше выходного: тогда вход не проседает при включении. Если выходной больше входного, при пропадании питания выход разряжается через встроенный диод транзистора обратно во вход (разд. 9.2.2.2). При 47 мкФ на выходе 10 мкФ на входе мало — их дополняет выходная ёмкость источника.

Порядок подачи. Нарастание управляется, только если напряжение на VIN уже есть, когда приходит сигнал ON. Если ON подан раньше, скорость нарастания не контролируется (разд. 10).

Для 12 В и выше вместо ключа нагрузки ставят электронный предохранитель с выводом dVdt — пример с TPS2595 и расчётом конденсатора в статье «Защита входа питания».

Что выбрать

Детали

Почему не работает

• При подключении питания нагрузка включается сама и бросок тока прежний. Нет конденсатора затвор–исток или он сравним с C1: затвор уходит вниз вслед за выходом.
• На выходе в момент включения короткий отрицательный выброс. TI описывает его для конденсатора затвор–сток, сравнимого с ёмкостью нагрузки (SLVA716A, разд. 4.1). Здесь он ничтожен — C1 больше чем в десять тысяч раз меньше Cн, — но при малой ёмкости нагрузки это соотношение надо проверить.
• MOSFET сгорел через несколько включений. Не проверена область безопасной работы: большая ёмкость, высокое напряжение или нагрузка, включённая во время нарастания. Или транзистор выключали под нагрузкой — см. предупреждение выше.
• Ключ нагрузки включается без плавного нарастания. Сигнал ON подан раньше, чем появилось напряжение на VIN.
• Термистор не спасает при пропадании питания на секунду. Он не успел остыть; для таких случаев термистор шунтируют реле или переходят на MOSFET.
• Вход проседает при включении ключа нагрузки. Выходная ёмкость намного больше входной, а время нарастания мало: увеличьте CT или входной конденсатор.