Ochranný obvod proti přepětí, nadproudu, přechodnému napětí a přepólování pomocí řadiče hot swap rt1720 s časovačem poruch

V elektronickém obvodu je často nezbytně nutné použít speciální ochrannou jednotku k ochraně obvodu před přepětím, nadproudem, přechodným napětím a obrácenou polaritou atd. Abychom ochránili obvod před těmito rázy, představil Richtek Semiconductor integrovaný obvod RT1720A, což je zjednodušený ochranný integrovaný obvod navržený tak, aby vyhovoval potřebám. Nízké náklady na malou velikost a velmi málo požadavků na komponenty činí tento obvod ideální pro použití pro mnoho různých praktických a vestavěných aplikací.

Takže v tomto článku se chystám navrhnout, vypočítat a otestovat tento ochranný obvod a nakonec bude podrobné video ukazující fungování obvodu, takže pojďme začít. Zkontrolujte také naše předchozí ochranné obvody.

IC RT1720

Jedná se o nízkonákladový ochranný integrovaný obvod navržený ke zjednodušení implementace. Zábavným faktem o IC je, že velikost tohoto IC je pouze 4,8 x 2,9 x 0,75 mm. Nenechte se tedy zmást obrazem, tento IC je extrémně malý a rozteč pinů je jen 0,5 mm.

Vlastnosti IC RT1720:

Široký provozní rozsah vstupu: 5V až 80V
Záporné jmenovité vstupní napětí do -60V
Nastavitelné výstupní napětí svorky
Nastavitelná ochrana proti nadproudu
Programovatelný časovač pro ochranu proti poruchám
Nízký vypínací proud
Pohon interního nabíjecího čerpadla N-MOSFET
Rychlé 80mA MOSFET vypnutí pro přepětí
Indikace poruchového výstupu

Seznam prvků a parametry dimenze jsou převzaty z datového listu.

Kruhový diagram

Jak již bylo zmíněno dříve, tento obvod lze použít pro:

Potlačovač přepětí přechodového napětí
Obvod ochrany proti přepětí
Obvod nadproudové ochrany
Obvod přepěťové ochrany
Obvod ochrany proti přepólování

Zkontrolujte také naše předchozí ochranné obvody:

Omezení zapínacího proudu pomocí termistoru NTC
Obvod ochrany proti přepětí
Ochranný obvod proti zkratu
Obvod ochrany proti přepólování
Elektronický jistič

Požadované komponenty

Sl. Č	Díly	Typ	Množství
1	RT1720	IC	1
2	MMBT3904	Tranzistor	1
3	1 000 pF	Kondenzátor	1
4	1N4148 (BAT20J)	Dioda	1
5	470uF, 25V	Kondenzátor	1
6	1uF, 16V	Kondenzátor	1
7	100 tis., 1%	Rezistor	4
8	25 mR	Rezistor	1
9	IRF540	Mosfet	2
10	Napájecí jednotka	30 V, DC	1
11	Konektor 5mm	Obecný	2
10	Palubní deska	Obecný	1

Jak funguje tento ochranný obvod?

Pokud se podíváte blíže na výše uvedené schéma, uvidíte, že existují dva terminály, jeden pro vstup a druhý pro výstup. Vstupní napětí je přiváděno přes vstupní svorku.

100K pull-up odpor R8 táhne pin vysoko SHDN. Tím, že je tento pin vysoký, umožňuje IC.

25mR rezistor R7 nastavuje aktuální omezení tohoto IC. Pokud chcete vědět, jak jsem získal hodnotu 25 mR pro aktuální snímací rezistor, najdete ji v části výpočtu v tomto článku.

Tranzistor T1, dioda D2, rezistor R6 a MOSFET Q2 tvoří společně ochranný obvod s obrácenou polaritou. Obecně platí, že když je na kolík VIN obvodu přivedeno napětí, napětí nejprve táhne kolík SHDN High a napájí IC přes kolík VCC, poté protéká rezistorem R6 snímajícím proud, nyní je dioda D2 v předpětí zapne tranzistor T1 a proud protéká tranzistorem, díky němuž je MOSFET Q2, na kterém je také zapnut Q1, a nyní může proud protékat přímo přes MOSFET na zátěž.

Nyní, když je na svorku VIN přivedeno reverzní napětí, je dioda D2 ve stavu reverzního zkreslení a nyní nemůže protékat MOSFET. Rezistor R3 a R4 tvoří dělič napětí, který funguje jako zpětná vazba, která umožňuje přepěťovou ochranu. Pokud chcete vědět, jak jsem vypočítal hodnoty rezistoru, najdete jej v části výpočtu v tomto článku.

MOSFET Q1 a Q2 tvoří externí přepínač zatížení N-MOSFET. Pokud napětí stoupne nad nastavené napětí, které je nastaveno externím zpětnovazebním rezistorem, překročí prahové napětí, reguluje IC linka RT1720 pomocí externího zátěžového spínače MOSFET, dokud se nevypne nastavitelný časovač poruch a nevypne MOSFET, aby se zabránilo přehřátí.

Když zátěž čerpá více než aktuální nastavenou hodnotu (nastavenou externím snímacím rezistorem připojeným mezi SNS a VCC), IC ovládá zátěžový spínač MOSFET jako zdroj proudu, aby omezil výstupní proud, dokud se nevypne časovač poruchy a nevypne MOSFET. Také výstup FLT klesá, což signalizuje poruchu. Přepínač zátěže MOSFET zůstává zapnutý, dokud VTMR nedosáhne 1,4 V, což poskytuje čas na případné úklid systému, než se MOSFET vypne.

Výstup PGOOD RT1720 s otevřeným odtokem stoupá, když se spínač zátěže plně zapne a zdroj MOSFET se přiblíží svému odtokovému napětí. Tento výstupní signál lze použít k povolení navazujících zařízení nebo k signalizaci systému, který nyní může zahájit normální provoz.

Vstup SHDN IC deaktivuje všechny funkce a snižuje klidový proud VCC až na 7μA.

Poznámka: Podrobnosti o interních funkcích a schématu jsou převzaty z datového listu.

Poznámka: Tento integrovaný obvod vydrží bez poškození reverzní napájecí napětí až 60 V pod zemí

Konstrukce obvodu

Pro demonstraci je tento přepěťový a nadproudový ochranný obvod konstruován na ručně vyrobené desce plošných spojů pomocí schématu; Většina komponent použitých v tomto výukovém programu jsou komponenty pro povrchovou montáž, proto je PCB povinná pro pájení a umístění všech dohromady.

Poznámka! Všechny komponenty byly umístěny co nejblíže ke snížení parazitní kapacity, indukčnosti a odporu

Výpočty

Datasheet tohoto IC nám poskytuje všechny podrobnosti potřebné k výpočtu časovače poruch, přepěťové ochrany a nadproudové ochrany pro tento IC.

Výpočet kondenzátoru časovače poruch

V případě dlouhé poruchy se GATE opakovaně zapíná a vypíná. Časování zapnutí a vypnutí (tGATE_ON a tGATE_OFF) jsou řízeny nabíjecími a vybíjecími proudy TMR (iTMR_UP a iTMR_DOWN) a rozdílem napětí mezi prahovými hodnotami západky a odblokování TMR (VTMR_L - VTMR_UL):

t _{GATE_ON} = C _TMR * (_{VTMR_L} - _{VTMR_UL}) / (i _{TMR_UP}) tGATE_ON = 4,7 uF x (1,40 V _- _0,5 V) / 25 _uA = 169 mS t _{GATE_OFF =} C _{TMR *} (V _{TMR_L -} V _{TMR_UL}) / (i _{TMR_DOWN}) tGATE_OFF = 4,7 uF x (1,40 V - 0,5 V) / 3uA = 1,41 S.

Výpočet odporu rezistoru proudu

Aktuální snímací rezistor lze vypočítat podle následujícího vzorce

Rsns = VSNS / ILIM = 50mV / 2A = 25mR

Poznámka: Hodnota 50 mV uvedená v datovém listu

Výpočet přepěťové ochrany

VOUT_OVP = 1,25 V x (1+ R2 / R1) = 1,25 x (1+ 100 k / 10 k) = 1,25 x (11) = 13,75 V

Testování obvodu ochrany proti přepětí a proudu

K testování obvodu se používají následující nástroje a nastavení,

12V spínaný napájecí zdroj (SMPS)
Multimetr Meco 108B +
USB osciloskop Hantech 600BE

Pro konstrukci obvodu se používají 1% kovové filmové rezistory a tolerance kondenzátorů se nebere v úvahu.

Teplota v místnosti byla během testování 22 stupňů Celsia.

Nastavení testu

Následující nastavení se používá k testování obvodu

Pro demonstrační účely jsem použil buck převodník ke změně vstupního napětí obvodu

Výkonové odpory 10 Ohmů fungují jako zátěže,
Přepínač slouží k rychlému přidání nadměrného zatížení. Můžete to sledovat na videu níže.
Mecho 108B + zobrazující vstupní napětí.
Mecho 450B + zobrazující zatěžovací proud.

Nyní, jak vidíte na obrázku výše, jsem zvýšil vstupní napětí a IC začíná omezovat proud, protože je nyní v poruchovém stavu.

Pokud vám pracovní princip obvodu není jasný, podívejte se na video.

Poznámka: Vezměte prosím na vědomí, že pro demonstrační účely jsem zvýšil hodnotu časovače poruch.

Aplikace

Jedná se o velmi užitečný integrovaný obvod a lze jej použít pro mnoho aplikací, z nichž některé jsou uvedeny níže

Automobilová / avionická přepěťová ochrana
Hot-Swap / Live vložení
High-Side Switch pro systémy napájené z baterie
Aplikace pro jiskrovou bezpečnost
Ochrana proti přepólování

Doufám, že se vám tento článek líbil a dozvěděli jste se něco nového. Pokračujte ve čtení, pokračujte v učení, pokračujte v budování a uvidíme se v příštím projektu.