Kako LTM4641 μModule regulator učinkovito sprječava prenapon?

Srednji naponi sabirnice od 24V~28V uobičajeni su u industrijskim, zrakoplovnim i obrambenim sustavima gdje serijski spojene baterije mogu biti rezervni izvor napajanja, a arhitekture sabirnice od 12V obično su nepraktične zbog gubitaka u distribuciji. Sve veći naponski jaz između sistemske sabirnice i ulaza za napajanje digitalnih procesora predstavlja izazove dizajna koji se odnose na isporuku energije, sigurnost i veličinu rješenja.

Srećom, LTM4641 μModule regulator rješava navedene probleme kroz brzu i pouzdanu reakciju i oporavak, kao i zaštitu od prenapona na ulazu. 

Ovaj dio će vam dati detaljan uvod u neke probleme s kojima smo se suočavali u prošlosti i relativna rješenja, uključujući neke rizike, izazove i probleme industrije s kojima smo se suočili. Ako ste imali ili vas muče ovi problemi, možete bolje naučiti kako ih riješiti pomoću LTM4641 μModule regulatora putem ovog dijeljenja. Nastavimo čitati!

Dijeliti je voditi brigu!

Sadržaj

● Zašto se tradicionalni DC/DC pretvarač suočava s prenaponom Risk?

● Jeftine krivotvorene komponente izazivaju skupe glavobolje

● Što bi trebalo sadržavati planiranje ublažavanja rizika?

● Koje su nedostatke tradicionalnog zaštitnog kruga?

● Kako LTM4641 regulator postiže brzu i pouzdanu reakciju i oporavakm Greške?

● FAQ

● Zaključak

Zašto se tradicionalni DC/DC pretvarač suočava s rizikom od prenapona?

Ako se jednostupanjski neizolirani DC/DC pretvarač koristi na mjestu opterećenja, on mora raditi s iznimno točnim PFM/PWM vremenskim određivanjem vremena. Događaji prenapona na ulazu mogu opteretiti DC/DC pretvarače, što predstavlja rizik od prenapona za opterećenje. 

Pogrešni ili krivotvoreni kondenzatori uvedeni u proizvodnju mogu uzrokovati promjene izlaznog napona koje premašuju nazivne vrijednosti opterećenja, što potencijalno može uzrokovati široko korišteni mikroprocesori poput FPGA, ASIC zapaliti.

Ovisno o razmjeru oštećenja, uzrok može biti teško pronaći. Plan za smanjenje rizika od prenapona apsolutno je neophodan kako bi se spriječilo nezadovoljstvo kupaca. 

Tradicionalne sheme zaštite od prenapona koje uključuju osigurač nisu nužno dovoljno brze, niti dovoljno pouzdane, da zaštite moderne FPGA, ASIC-ove i mikroprocesore, osobito kada je izlazni napon 24V ili 28V nominalni. Aktivna zaštita na POL DC/DC je neophodna. 

LTM4641 je snižavajući μModule® regulator od 38 V DC/DC s naponom od 10 V koji štiti od mnogih grešaka, uključujući i oporavak, uključujući i izlazni prenapon.

Važnost preciznog vremena prekidača povećava se s ulaznim naponom i prenaponom Kada postoji široka razlika između ulaznog i izlaznog napona, preklopni DC/DC regulatori se preferiraju u odnosu na linearne regulatore zbog njihove mnogo veće učinkovitosti. 

● Margina za pogrešku DC/DC regulatora je smanjena

Kako bi se postigla mala veličina otopine, neizolirani stepenasti pretvarač najbolji je izbor, koji radi na dovoljno visokoj frekvenciji da smanji zahtjeve veličine njegove magnetske snage i kondenzatora filtera. 

Međutim, u aplikacijama s visokim omjerom opadanja, DC/DC preklopni pretvarač mora raditi pri radnim ciklusima do 3%, zahtijevajući točno vrijeme PWM/PFM. 

Nadalje, digitalni procesori zahtijevaju čvrstu regulaciju napona i brzi prolazni odgovor potrebno je da se napon zadrži u sigurnim granicama. Pri relativno visokim ulaznim naponima, margina greške u vremenu uključivanja gornje bočne sklopke DC/DC regulatora je smanjena.

Prenaponi na sabirnici, koji su često prisutni u zrakoplovnim i obrambenim aplikacijama, predstavljaju opasnost ne samo za DC/DC pretvarač, već i za opterećenje. DC/DC pretvarač mora biti ocijenjen za regulaciju kroz prenaponski udar brzom upravljačkom petljom, tako da se postigne dovoljno odbacivanje linije. 

Ako DC/DC pretvarač ne uspije regulirati ili preživjeti prenapon sabirnice, na opterećenju se javlja prenapon. Prenaponski kvarovi također mogu biti uvedeni jer se kondenzatori za premošćivanje opterećenja degradiraju sa starošću i temperaturom, što rezultira slabijim prijelaznim odzivom opterećenja tijekom životnog vijeka krajnjeg proizvoda. 

● Kondenzatori degradiraju izvan granica dizajna kontrolne petlje

Ako kondenzatori degradiraju izvan granica dizajna kontrolne petlje, opterećenje može biti izloženo prenaponu pomoću dva moguća mehanizma: 

Prvo, čak i ako upravljačka petlja ostane stabilna, događaji s teškim prijelaznim korakom opterećenja pokazat će veće promjene napona nego što se očekivalo na početku projektiranja. 

Drugo, ako upravljačka petlja postane uvjetno stabilna (ili, što je još gore, nestabilno), izlazni napon može oscilirati s vrhovima koji prelaze prihvatljive granice. 

Kondenzatori se također mogu neočekivano ili prerano razgraditi ako se koristi pogrešan dielektrični materijal ili kada lažne komponente uđu u proizvodni tok.

Dizajn i ispitivanje visokonaponskog linearnog Poewr napajanja (0 - 200V)

Jeftine krivotvorene komponente stvaraju skupu glavoboljus

Krivotvorene komponente na sivom ili crnom tržištu mogu biti primamljive, ali ne zadovoljavaju standarde originalnog proizvoda (npr. mogu se reciklirati, dobiti od elektroničkog otpada ili sagraditi od inferiornih materijala). Kratkoročna ušteda postaje veliki dugoročni trošak kada krivotvoreni proizvod propadne. Krivotvoreni kondenzatori, na primjer, mogu otkazati na više načina. Problemi uključuju: 

1. Uočeno je da krivotvoreni tantalski kondenzatori trpe unutarnje samozagrijavanje s mehanizmom pozitivne povratne sprege do točke kada dosegnu toplinski bijeg. 

2. Krivotvoreni keramički kondenzatori mogu sadržavati ugrožen ili lošiji dielektrični materijal, što rezultira ubrzanim gubitkom kapaciteta s godinama ili na povišenim radnim temperaturama. 

3. Kada kondenzatori katastrofalno pokvare ili degradiraju vrijednost kako bi se inducirala nestabilnost kontrolne petlje, valni oblici napona mogu postati mnogo veći u amplitudi od izvorno projektiranih, ugrožavajući opterećenje. 

Nažalost po industriju, krivotvorene komponente sve više pronalaze svoj put u lancu opskrbe i tijeku proizvodnje elektronike, čak i u najosjetljivijim i najsigurnijim aplikacijama. 

Izvješće Odbora za oružane snage Senata Sjedinjenih Država (SASC) objavljeno u svibnju 2012. otkrilo je raširene krivotvorene elektroničke komponente u vojnim zrakoplovima i oružnim sustavima koje bi mogle ugroziti njihove performanse i pouzdanost - sustave koje su izgradili vodeći izvođači u obrambenoj industriji. 

Zajedno s povećanjem broja elektroničkih komponenti u takvim sustavima - više od 3,500 integriranih sklopova u novom Joint Strike Fighteru - krivotvorene komponente predstavljaju rizik performansi sustava i pouzdanost koji se više ne može zanemariti. 

Što treba planirati za smanjenje rizika Contau?

Svaki plan ublažavanja rizika trebao bi razmotriti kako će sustav reagirati i oporaviti se od stanja prenapona. Problemi uključuju: 

1. Je li prihvatljiva mogućnost dima ili požara kao posljedica prenaponskog kvara? 

2. Bi li napori za utvrđivanje temeljnog uzroka i provedba korektivnih radnji bili otežani oštećenjem uzrokovanom prenaponom? 

3. Ako bi lokalni operater uključio (ponovno pokrenuo) kompromitirani sustav, bi li još veća šteta za sustav dodatno ometala napore za oporavak?

4. Koji je proces i vrijeme potrebno za utvrđivanje uzroka kvara i nastavak normalnog rada sustava?

Koje su nedostatke tradicionalnog zaštitnog kruga?

A tradicionalna shema zaštite od prenapona sastoji se osigurača, silicij kontroliranog ispravljača (SCR) i Zener diode (slika 1). Ako ulazni napon napajanja premašuje Zener probojni napon, aktivira se SCR, povlačeći dovoljnu struju da se otvori gornji osigurač.

 Slika 1. Tradicionalni krug zaštite od prenapona koji se sastoji od osigurača, SCR i Zener dioda

● Vrijeme troši - Iako je jeftin, vrijeme odziva ovog kruga nije dovoljno za pouzdanu zaštitu najnovijih digitalnih sklopova, osobito kada je uzvodna opskrbna tračnica sabirnica srednjeg napona. Štoviše, oporavak od kvara prenapona je invazivan i dugotrajan. 

● manas - Ovaj jednostavan sklop relativno je jednostavan i jeftin, ali postoje nedostaci ovog pristupa: Varijacije u Napon proboja Zener diode（锚文本, 16px,蓝色,arial,加粗,下划线）, prag okidanja SCR vrata i struja potrebna da pregori osigurač rezultiraju nedosljednim vremenima odziva. Zaštita se može aktivirati prekasno kako bi spriječila da opasan napon dođe do opterećenja. 

● Puno truda za oporavak - Razina napora potrebna za oporavak od kvara je visoka, što uključuje fizičko servisiranje osigurača i ponovno pokretanje sustava. Ako naponska tračnica koja se razmatra napaja digitalnu jezgru, zaštitna sposobnost SCR-a je ograničena, budući da je pad naprijed pri visokim strujama usporediv ili iznad napona jezgre najnovijih digitalnih procesora. 

Zbog ovih nedostataka, tradicionalna shema zaštite od prenapona nije prikladna za opterećenja za napajanje DC/DC pretvorbe visokog napona u niski napon, kao što su ASIC ili FPGA, čija bi se vrijednost mogla procijeniti u stotinama ako ne i tisućama dolara.

Kako LTM4641 regulator postiže brzu i pouzdanu reakciju i oporavak od kvarova?

Bolje rješenje bilo bi točno detektirati neizbježno stanje prenapona i reagirati brzim odspajanjem ulaznog napajanja uz pražnjenje viška napona na opterećenju s stazom niske impedancije. To je moguće sa zaštitnim značajkama u LTM4641. 

● Kompletne komponente za nadzor i zaštitu

U srcu uređaja je 38V, 10A step-down regulator s induktorom, upravljačkim IC-om, prekidačima za napajanje i kompenzacijom koji se nalaze u jednom paketu za površinsku montažu. 

Također uključuje opsežne sklopove za nadzor i zaštitu za zaštitu opterećenja visoke vrijednosti kao što su ASIC, FPGA i mikroprocesori. 

LTM4641 stalno prati ulazni podnapon, ulazni prenapon, previsoku temperaturu i izlazni prenapon i nadstrujne uvjete te djeluje na odgovarajući način kako bi zaštitio opterećenje. 

● Podesivi pragovi okidanja

Kako bi se izbjeglo lažno ili prerano izvršavanje zaštitnih značajki, svaki od ovih nadziranih parametara ima ugrađenu otpornost na propuste i pragove okidača koje može podesiti korisnik, s izuzetkom zaštite od prekomjerne struje, koja se provodi pouzdano, ciklus po ciklus s kontrolom strujnog načina rada. 

U slučaju stanja prenapona na izlazu, LTM4641 reagira unutar 500ns od otkrivanja kvara (slika 2).   

 

Slika 2. LTM4641 reagira na stanje prenapona unutar 500ns, štiteći opterećenje od naponskog stresa

Rješenja za zaštitu od LTM4641

● LTM4641 reagira spretno i pouzdano kako bi zaštitio nizvodne uređaje i, za razliku od rješenja temeljenih na osiguračima, može se automatski resetirati i ponovno naoružati nakon što uvjeti kvara nestanu. 

● LTM4641 koristi interno diferencijalno pojačalo za regulaciju napona na terminalima za napajanje opterećenja, minimizirajući pogreške koje proizlaze iz uobičajenog šuma i pada napona u tragovima PCB-a između LTM4641 i opterećenja. 

● Istosmjerni napon na opterećenju reguliran je na bolju od ±1.5% točnosti preko linije, opterećenja i temperature. Ovo precizno mjerenje izlaznog napona također se dovodi u brzi izlazni prenaponski komparator, koji pokreće zaštitne značajke LTM4641. 

● Kada se otkrije stanje prenapona, μModule regulator brzo pokreće nekoliko istovremenih radnji. Vanjski MOSFET (MSP na slici 3) isključuje ulazno napajanje, uklanjajući visokonaponsku stazu iz regulatora i opterećenje visoke vrijednosti. Drugi vanjski MOSFET (MCB na slici 3) implementira a nisko funkcija poluge, brzo pražnjenje premosnih kondenzatora opterećenja (COUT na slici 3). 

● Ugrađeni DC/DC regulator za smanjenje brzine u LTM4641 ulazi u stanje isključenog isključivanja i izdaje signal greške označen pinom HYST koji sustav može koristiti za pokretanje dobro upravljanog slijeda isključivanja i/ili resetiranja sustava. Za otkrivanje stanja kvara koristi se namjenski referentni napon neovisno o referentnom naponu kontrolne petlje. To osigurava otpornost na kvar u jednoj točki, ako referenca kontrolne petlje ne uspije.

 Slika 3. Plan zaštite od prenapona LTM4641 izlaza. Ikone sonde odgovaraju valnim oblicima na slici 2

● Zaštitne značajke LTM4641 poduprte su njegovim opcijama za oporavak od kvara. U tradicionalnoj shemi zaštite od prenapona/SCR zaštite, osigurač se oslanja na odvajanje napajanja od opterećenja visoke vrijednosti. Oporavak od kvara koji je pregorio u osiguraču zahtijeva ljudsku intervenciju—netko s fizičkim pristupom osiguraču kako bi ga uklonio i zamijenio—uvodeći neprihvatljivo odgodu u obnavljanju kvara za dugotrajne ili udaljene sustave.

● Suprotno tome, LTM4641 može nastaviti s normalnim radom nakon što je stanje kvara uklonjeno ili prebacivanjem kontrolnog pina logičke razine ili konfiguriranjem LTM4641 za autonomno ponovno pokretanje nakon određenog vremenskog ograničenja. Ako se uvjeti kvara ponovno pojave nakon što LTM4641 nastavi s radom, gore spomenute zaštite se odmah ponovno uključuju kako bi zaštitile opterećenje.

Ulazna zaštita od prenapona LTM4641

U nekim slučajevima sama izlazna zaštita od prenapona nije dovoljna i potrebna je zaštita od prenapona na ulazu. Zaštitni sklop LTM4641 može nadzirati ulazni napon i aktivirati njegove zaštitne značajke ako se prekorači prag napona koji je konfigurirao korisnik. 

Ako očekivani maksimalni ulazni napon premašuje ocjenu modula od 38 V, zaštita od prenapona na ulazu može se proširiti do 80 V s LTM4641 i dalje potpuno operativnim dodavanjem vanjskog visokonaponskog LDO-a kako bi upravljački i zaštitni krugovi ostali živima (slika 4).

 

Slika 4. Ulazna zaštita od prenapona do 80V, korištenjem LTM4641 i vanjskog LDO-a

Često postavljana pitanja

1. P: Koja je uloga regulatora?

O: Regulator nadzire cijeli sustav, a njegova glavna odgovornost je osigurati usklađenost s regulatornim okvirom.

2. P: Koja je razlika između DC/DC pretvarača i regulatora?

O: DC/DC pretvarači reguliraju električnu snagu uključivanjem i isključivanjem sklopnih elemenata (FET, itd.). S druge strane, LDO regulatori reguliraju napajanje tako što kontroliraju otpor FET-a na uključenje. DC/DC pretvarači su vrlo učinkoviti u pretvaranju električne energije pomoću sklopne kontrole.

3. P: Zašto vam treba DC u DC pretvarač?

O: DC-DC pretvarač se koristi za smanjenje visokonaponskog istosmjernog ulaza na niskonaponski DC izlaz određene specifične opreme. Također se koriste za izolaciju nekih vrlo osjetljivih komponenti u krugu od drugih komponenti u krugu kako bi se izbjegla bilo kakva oštećenja.

4. P: Što je DC/DC regulator napona?

O: DC-DC pretvarač je električni sustav (uređaj) koji pretvara istosmjerne (DC) izvore s jedne razine napona u drugu. Drugim riječima, DC-DC pretvarač kao ulaz uzima istosmjerni ulazni napon i izlazi drugačiji istosmjerni napon. DC-DC pretvarač se također naziva DC-DC pretvarač snage ili regulator napona.

Zaključak

Kroz ovaj dio upoznajemo izazove i probleme industrije, te odgovarajuća rješenja u prošlosti te kako ih rješava LMT4641 μModule regulator. Kombinira učinkovit DC/DC regulator s brzim i preciznim izlaznim zaštitnim krugom od prenapona i učinkovito sprječava rizik od prenapona. Kako mislite o ovom proizvodu? Ostavite svoje komentare ispod i recite nam svoju ideju!

također pročitajte

● μModulski regulatori smanjuju veličinu i napore u dizajnu

● Kako otkriti Zener diodu Regulatori napona na bazi?

● Potpuni vodič kroz LDO regulator u 2021

● Kako LTC3035 LDO regulator balansira nizak napon ispadanja i mali volumen?

Ostavite poruku 

Lista Poruka