Кратковременные скачки напряжения представляют серьёзную опасность для интегральных схем. Максимальное напряжение, которое может выдержать интегральная схема, зависит от процесса её проектирования и может быть особенно низким для КМОП-устройств с малой геометрией. Импульсные или постоянные перенапряжения, превышающие абсолютный максимум напряжения для микросхемы, могут привести к необратимому повреждению устройства.
Защита от перенапряжения особенно необходима в автомобильных системах с напряжением 12 В и 24 В, где пиковые значения переходных процессов при «сбросе нагрузки» могут достигать 60 В. Некоторые методы защиты от перенапряжения шунтируют входные переходные процессы, замыкая их на землю с помощью таких устройств, как лавинные диоды и металлооксидные варисторы. Сложность шунтирования заключается в том, что может потребоваться поглощение большого количества энергии. Шунтирующие схемы также могут быть непривлекательными, если требуется обеспечить непрерывную защиту при перенапряжении (как в случае с двумя аккумуляторами).
Схема, показанная на рисунке, представляет собой прецизионный разъединитель, разработанный для защиты нагрузки импульсного стабилизатора с абсолютным максимальным входным напряжением 24 В. Схема состоит из недорогих дискретных компонентов и использует один транзистор. Поскольку в этой схеме используется проходной транзистор PFET (VT1 ), прямое падение напряжения и связанные с ним потери мощности незначительны.
Как работает схема
Регулируемый опорный источник TL431 идеально подходит для решения этой задачи, поскольку позволяет с минимальными затратами определить точную точку срабатывания и поддерживать температурную стабильность, что невозможно при использовании стабилитрона или других подходов (1 % для версии A, 0,5 % для версии B). Чтобы сохранить эту точность, резисторы R1 и R2 должны иметь допуск 1 % или меньше.
Регулируемые источники опорного напряжения часто понимают неправильно. Например: «Что это за третий провод, идущий от этого диода?» Существует множество разновидностей регулируемых источников опорного напряжения. У некоторых из них другое внутреннее опорное напряжение, а у некоторых — другая полярность усиления.
Все они состоят из двух основных (и очень полезных) компонентов: температурно-стабильного прецизионного источника опорного напряжения и усилителя ошибки с высоким коэффициентом усиления (в этой схеме используется в качестве компаратора). Большинство устройств имеют однополярный выход в виде открытого коллектора или эмиттера.
Входное напряжение контролируется микросхемой TL431 через делитель напряжения R1 и R2 . Схема настроена на отключение при напряжении 19,2 В.
Напряжение на выходе TL431 снижается, когда напряжение на контрольном выводе превышает 1,24 В. Напряжение на катоде TL431 может снижаться до уровня насыщения, равного примерно 1,2 В. Этого достаточно, чтобы отключить транзистор VT2. Он был специально выбран для обеспечения высокого порога срабатывания (>1,3 В). Не производите замену транзистора VT2 без учета этого обстоятельства.
Точка срабатывания может находиться в диапазоне от 2,7 до 60 В. При напряжении ниже 2,7 В схема переходит в выключенное состояние. Это происходит из-за того, что входного напряжения недостаточно для того, чтобы удовлетворить пороговое напряжение между затвором и истоком транзисторов VT1 и VT2.
В выключенном состоянии схема представляет собой сопротивление около 42 кОм на входе (нагрузка в выключенном состоянии). Стабилитроны D2 и D3 необходимы для ограничения максимального напряжения между затвором и истоком, которое видят транзисторы VT1 и VT2 (оно не должно превышать 20 В). D3 также предотвращает превышение максимального напряжения 35 В на катоде D1. Резистор R4 обеспечивает небольшое смещение транзистора VT2, необходимое для компенсации утечки стока транзистора VT2 в выключенном состоянии. Обратите внимание, что встроенный диод в транзисторе VT1 означает отсутствие защиты нагрузки при обратном напряжении батареи (отрицательном входном напряжении).
Защита от обратного подключения
Для защиты от обратного подключения аккумулятора требуется либо блокирующий диод, либо второй полевой транзистор (соединённый «спина к спине»). Схема спроектирована таким образом, чтобы быстро срабатывать, но медленнее восстанавливаться. При обнаружении перенапряжения конденсатор C1 быстро разряжается на землю через TL431. Когда условия нормализуются, повторное подключение задерживается на время, определяемое постоянной времени R3•C1. Большинство нагрузок (обычно регуляторы) содержат большие входные конденсаторы, которые дают время для срабатывания схемы отключения, ограничивая скорость нарастания переходного процесса.
Необходимое время отклика определяется характером ожидаемого переходного процесса и доступной ёмкостью. Отключение в этой схеме происходит примерно за 12 мкс. Максимальное время нарастания переходного процесса пропорционально этому временному интервалу и ёмкости нагрузки. Эта схема была протестирована с ёмкостью нагрузки 1 мкФ. Допускается и рекомендуется использовать ёмкость нагрузки большего значения, если ожидается быстрый рост переходного процесса с низким сопротивлением источника.
Измерение времени отклика
Часть сигнала, соответствующая выключению, медленно затухает из-за рассеивания энергии в тестовой нагрузке 1 кОм, обусловленного емкостью конденсатора, равной 1 мкФ. Форма управляющего сигнала также демонстрирует это затухание, поскольку используемый тестовый источник не может потреблять ток.
Обратите внимание, что при быстром нарастании перенапряжения выход успевает зарядиться до 19,2 В, после чего цепь размыкается. После этого отключенное выходное напряжение падает до уровня нагрузки 1 кОм.