Добавить защиту от короткого замыкания в конвертер Boost
Повышающий преобразователь представляет собой преобразователь постоянного тока, используемый для создания выходного напряжения, которое выше входного напряжения. Преобразователи Boost также используются для управления светодиодами, размещенными последовательно в таких продуктах, как светодиодные фонарики. Повышающий преобразователь страдает от уязвимости к нагрузке на короткое замыкание. В этом документе обсуждается, почему преобразователи с пониженным коэффициентом усиления уязвимы для коротких замыканий, способов защиты преобразователя импульсов от короткого замыкания и альтернативных преобразователей силовой электроники, которые не имеют уязвимости короткого замыкания, которая может использоваться вместо преобразователя ускорения.
Введение в конвертер Boost
Как было сказано ранее, преобразователь импульсов генерирует выходное напряжение, превышающее входное напряжение. Примеры ускорительных преобразователей включают следующее:
- Изготовление 5V зарядных портов в литиевой аккумуляторной батарее
- Изготовление рельсов питания в смартфоне.
- Светодиоды вождения последовательно в светодиодных фонарях или фонариках.
- Регулятор напряжения в проекте Arduino.
- Создание высокого напряжения для запуска двигателя из одноячеистой литиевой батареи.
На рисунке 1 показана упрощенная схема преобразователя импульсов. Это простая схема, состоящая из конденсаторов, индуктивности, МОП-транзистора и диода. Выход управляется через замкнутый контур обратной связи (не показан для простоты), контролируя рабочий цикл или процент времени, в течение которого MOSFET включен. Передаточная функция или соотношение между выходным напряжением и входным напряжением составляет $ Vout / Vin = 1 / (1-D), где Vout - выходное напряжение, Vin - входное напряжение, D - рабочий цикл. В реальном повышающем преобразователе был бы чип контроллера PWM, который не показан на рисунке 1.
Рисунок 1: Упрощенная схема ускорителя
Обратите внимание, что если выходной вывод ускорительного преобразователя закорочен на массу, то входное напряжение замыкается на землю через индуктор и диод. Ничто не ограничивает ток, который будет протекать, кроме сопротивления провода, и предел тока источника питания, подключенного к входному напряжению. Повышающий преобразователь не сработает с диодом, индуктором или следами, ловящими огонь, плавление или какой-либо другой катастрофический сбой, если не предпринять шаги для защиты ускорительного преобразователя.
Общая стратегия защиты
Общая стратегия защиты, описанная в этой статье, заключается в том, чтобы ввести переключатель между источником питания и повышающим преобразователем, который используется для отключения преобразователя напряжения от источника питания в случае условия нагрузки на короткое замыкание. Этот переключатель может быть реализован в виде MOSFET, переключателя нагрузки, интегральной схемы ускорительного преобразователя со встроенным защитным переключателем или предохранителя.
Защита с помощью MOSFET
MOSFET, добавленный к передней части повышающего преобразователя, может использоваться для отключения источника питания от ускорительного преобразователя. См. Рисунки 2 и 3 для упрощенной схемы. MOSFET может потребовать дополнительных схем для смещения ворот. N-канальный MOSFET требует, чтобы напряжение на затворе было выше, чем его исходный терминал. Для этого может потребоваться ИС драйвера затвора или зарядный насос. P-канальный MOSFET требует, чтобы затвор был выведен ниже его исходной клеммы. Если входное напряжение достаточно высокое, затвор П-канала MOSFET можно потянуть на землю, чтобы включить MOSFET. По этой причине использование P-канального MOSFET может быть самым простым и простым выбором. Обратите внимание, что в обеих схемах основной диод MOSFET указывает на преобразователь повышения мощности на источник питания, чтобы ток блокировался, если MOSFET не включен.
При выборе MOSFET для этого приложения важными считаются значения напряжения источника стока, RDS (ON) и порога напряжения затвора. Напряжение номинального тока стока должно быть на несколько напряжений выше максимального входного напряжения. Сопротивление состояния должно быть достаточно низким, чтобы не генерировать много потерь P = I2R $. Пороговое напряжение затвора должно быть достаточно низким, чтобы MOSFET можно было легко включать и выключать.
Рисунок 2: Упрощенная схема повышающего преобразователя с n-канальным полевым МОП-транзистором между источником питания и входом форсированного преобразователя для защиты от короткого замыкания
Рисунок 3: Упрощенная схема ускорительного преобразователя с p-канальным МОП-транзистором между источником питания и входом преобразователя для защиты от короткого замыкания
Защита с помощью переключателя нагрузки
Переключатель нагрузки - это силовой MOSFET с интегрированной схемой. Дополнительные функции могут включать в себя зарядный насос и переключатель уровня для смещения затвора MOSFET, а также функции защиты от перегрузки по току, которые закрывают выключатель, если ток чрезмерен. Использование переключателя нагрузки имеет следующие преимущества перед использованием MOSFET:
- Сокращает количество спецификаций
- Снижает площадь печатной платы
- Уменьшает сложность конструкции, так как вам не нужно добавлять дополнительные схемы управления.
Рисунок 4: Упрощенная схема ускорителя с переключателем нагрузки на входе для защиты от короткого замыкания
Контроллеры конверторов Boost со встроенной защитой
Практические преобразователи напряжения управляются интегральной схемой, которая регулирует преобразование мощности. Некоторые из этих контроллеров контроллера преобразователя имеют встроенные механизмы защиты, такие как переключатели нагрузки. Использование контроллера со встроенной защитой упрощает проектирование, уменьшает количество спецификаций и уменьшает длину пэда печатной платы. Экземпляры интегральных микросхем ускорителя, которые включают в себя функции защиты, - это LM4510 и TPS61080 от Texas Instruments.
Рисунок 5: Упрощенный пример ускорителя IC с встроенной защитой
Защита с предохранителем
На входе или выходе повышающего преобразователя может быть установлен предохранитель для защиты от условий нагрузки на короткое замыкание. См. Рисунок 6 для примера того, как это делается.
Рисунок 6: Защита с помощью предохранителей на входе или выходе преобразователя. Обратите внимание, что переключатели нагрузки и схемы защиты MOSFET также могут быть размещены между выходом преобразователя и нагрузкой, как показано на схемах защиты предохранителей
Автор рекомендует использовать другие подходы, изложенные в этой статье, потому что дизайн с предохранителем более хлопот. Если возникает условие короткого замыкания, предохранитель будет дуть и должен быть заменен. Схемы, построенные с дополнительными защитными МОП-транзисторами, переключателями нагрузки или встроенной защитой, не потребуют замены каких-либо компонентов, если преобразователи работают должным образом. Эти конструкции позволят сохранить конечному пользователю время и деньги на замену сожженных предохранителей. Кроме того, предохранители не срабатывают так быстро, как можно было бы ожидать от чтения таблицы данных. Это может привести к тому, что компоненты и следы будут сожжены до того, как предохранитель ударит. Конструкции с использованием MOSFET, переключателей нагрузки и микросхем со встроенной защитой могут отключать от нагрузки в микросекундах или быстрее, обеспечивая дополнительную безопасность и надежность для схемы. Однако решение для плавких предохранителей может быть самым простым и дешевым в реализации.
Вывод
Преобразователь усиления используется повсеместно, но страдает от уязвимости к нагрузкам на короткое замыкание. В этом документе обсуждалось несколько подходов к устранению этой уязвимости, в том числе использование MOSFET, переключателей нагрузки, микросхем со встроенной защитой и предохранителей для отключения силового преобразователя в случае короткого замыкания.