כיצד מווסת LTM4641 μModule מונע ביעילות מתח יתר?

מתחי אפיק ביניים של 24V~28V נומינליים הם דבר שבשגרה במערכות תעשייתיות, תעופה וחלל והגנה, בהן סוללות המחוברות בסדרה עשויות להוות מקור כוח גיבוי וארכיטקטורות אפיק 12V נוטות להיות בלתי מעשיות עקב הפסדי הפצה. פער המתח המתרחב בין אפיק המערכת לבין כניסות הכוח של מעבדים דיגיטליים מציג אתגרי תכנון הנוגעים לאספקת חשמל, בטיחות וגודל הפתרון.

למרבה המזל, הרגולטור LTM4641 μModule פותר את הבעיות הנ"ל באמצעות תגובה והתאוששות מהירה ואמינה, כמו גם הגנת נחשולי כניסה. 

נתח זה ייתן לך היכרות מפורטת עם כמה בעיות שהתמודדנו איתנו בעבר ופתרונות יחסיים, כולל כמה סיכונים, אתגרים ובעיות בתעשייה שהתמודדנו איתנו. אם הבעיות הללו היו או מוטרדות לך, תוכל ללמוד טוב יותר כיצד לפתור אותן עם ווסת LTM4641 μModule באמצעות חלק זה. בואו נמשיך לקרוא!

שיתוף הוא אכפתיות!

תוֹכֶן

● מדוע ממיר DC/DC מסורתי מתמודד עם מתח יתר Risk?

● רכיבים מזויפים זולים מייצרים כאבי ראש יקרים

● מה צריך להכיל תכנון להפחתת סיכונים?

● מהן החוסרים במעגל ההגנה המסורתי?

● כיצד רגולטור LTM4641 משיג תגובה מהירה ומהימנה ומתאוששמ תקלות?

● שאלות נפוצות

● סיכום

מדוע ממיר DC/DC מסורתי עומד בפני סכנת מתח יתר?

אם נעשה שימוש בממיר DC/DC מופחת חד-שלבי לא מבודד בנקודת העומס, עליו לפעול בתזמון PFM/PWM מדויק במיוחד. אירועי נחשול קלט עלולים להלחיץ ​​ממירי DC/DC, מהווים סיכון מתח יתר לעומס. 

קבלים שגויים או מזויפים המוכנסים לייצור עלולים לגרום לסטיות מתח המוצא החורגות מדירוג העומס העלולים לגרום ל מיקרו-מעבדים בשימוש נרחב כמו FPGA, ASIC להצית.

בהתאם להיקף הנזק, יתכן וקשה למצוא את הסיבה לשורש. תוכנית להפחתת סיכון מתח יתר היא הכרחית לחלוטין כדי למנוע חוסר שביעות רצון של לקוחות. 

תוכניות הגנת מתח יתר מסורתיות המערבות נתיך אינן בהכרח מהירות מספיק, ולא מספיק מהימנות, כדי להגן על רכיבי FPGA, ASIC ומיקרו-מעבדים מודרניים, במיוחד כאשר מסילת המתח במעלה הזרם היא 24V או 28V נומינלית. יש צורך בהגנה אקטיבית ב-POL DC/DC. 

ה-LTM4641 הוא וסת μModule® המופחת בדירוג 38V, 10A DC/DC, המגן מפני תקלות רבות ומתאושש ממנה, כולל מתח יתר במוצא.

החשיבות של תזמון מפסק מדויק עולה עם מתח הכניסה והנחשולים כאשר קיים הפרש רחב בין מתחי הקלט והמוצא, מועדפי מיתוג ווסתי DC/DC על פני ווסתים ליניאריים בשל יעילותם הרבה יותר גבוהה. 

● מרווח שגיאה של ווסת DC/DC מופחת

כדי להשיג גודל פתרון קטן, ממיר מטה לא מבודד הוא הבחירה העליונה, הפועל בתדר גבוה מספיק כדי לכווץ את דרישות הגודל של מגנטי הכוח וקבלי הסינון שלו. 

עם זאת, ביישומים עם יחס ירידה גבוה, ממיר מיתוג DC/DC חייב לפעול במחזורי עבודה של עד 3%, ודורש תזמון PWM/PFM מדויק. 

יתר על כן, ויסות מתח הדוק נדרש על ידי מעבדים דיגיטליים, ו תגובה חולפת מהירה יש צורך לשמור על המתח בגבולות בטוחים. במתחי כניסה גבוהים יחסית, מרווח השגיאה בזמן ההפעלה של מתג הצד העליון של ווסת DC/DC מצטמצם.

עליות מתח באפיק, אשר קיימות לעיתים קרובות ביישומי תעופה וחלל והגנה, מהווים סכנה לא רק לממיר DC/DC, אלא גם לעומס. יש לדרג את ממיר DC/DC כדי לווסת את מתח-היתר באמצעות לולאת בקרה מהירה, כך שתושג דחיית קו מספקת. 

אם ממיר DC/DC לא מצליח לווסת או לשרוד גל אוטובוס, מתח יתר מוצג לעומס. תקלות מתח יתר עשויות להופיע גם כאשר קבלי העוקף של העומס מתכלים עם הגיל והטמפרטורה, מה שגורם לתגובת עומס חולף רופפת יותר במהלך חיי המוצר הסופי. 

● קבלים מתכלים מעבר לגבולות העיצוב של לולאת הבקרה

אם הקבלים מתכלים מעבר לגבולות התכנון של לולאת הבקרה, העומס יכול להיחשף למתח יתר על ידי שני מנגנונים אפשריים: 

ראשית, גם אם לולאת הבקרה תישאר יציבה, אירועי שלבי עומס ארעיים כבדים ידגימו סטיות מתח גבוהות יותר ממה שציפו בתחילת התכנון. 

שנית, אם לולאת הבקרה הופכת יציבה מותנית (או, גרוע מכך, לא יציבה), מתח המוצא יכול להתנודד עם פסגות החורגות מהגבולות המקובלים. 

קבלים יכולים גם להתקלקל באופן בלתי צפוי או בטרם עת כאשר נעשה שימוש בחומר דיאלקטרי שגוי, או כאשר רכיבים מזויפים נכנסים לזרימת הייצור.

עיצוב ובדיקה של אספקת כוח ליניארי במתח גבוה (0 - 200V)

רכיבים מזויפים זולים יוצרים כאב ראש יקרs

רכיבים מזויפים בשוק האפור או השוק השחור יכולים להיות מפתים, אבל הם אינם עומדים בסטנדרטים של המאמר המקורי (למשל, הם עשויים להיות ממוחזרים, מוחזרים מפסולת אלקטרונית או בנויים מחומרים נחותים). חיסכון לטווח קצר הופך להוצאה אדירה לטווח ארוך כאשר מוצר מזויף נכשל. קבלים מזויפים, למשל, יכולים להיכשל במספר דרכים. הבעיות כוללות: 

1. קבלי טנטלום מזויפים נראו כסובלים מחימום עצמי פנימי עם מנגנון משוב חיובי עד כדי הגעה לבריחה תרמית. 

2. קבלים קרמיים מזויפים עשויים להכיל חומר דיאלקטרי פגום או נחות, וכתוצאה מכך לאובדן מואץ של קיבול עם הגיל או בטמפרטורות עבודה גבוהות. 

3. כאשר קבלים נכשלים בצורה קטסטרופלית או יורדים בערכם כדי לגרום לחוסר יציבות בלולאת בקרה, צורות הגל של המתח יכולות להיות גדולות בהרבה במשרעתן ממה שתוכנן במקור, מה שמסכן את העומס. 

לרוע המזל של התעשייה, רכיבים מזויפים מוצאים את דרכם יותר ויותר לשרשרת האספקה ​​ולזרימת ייצור האלקטרוניקה, אפילו ביישומים הרגישים והמאובטחים ביותר. 

דו"ח של ועדת השירותים המזוינים של הסנאט של ארצות הברית (SASC) שפורסם בפומבי במאי 2012 מצא רכיבים אלקטרוניים מזויפים נרחבים בכלי טיס ומערכות נשק צבאיים שעלולים לפגוע בביצועים ובאמינות שלהם - מערכות שנבנו על ידי הקבלנים המובילים בתעשייה הביטחונית. 

יחד עם המספר ההולך וגדל של רכיבים אלקטרוניים במערכות כאלה - יותר מ-3,500 מעגלים משולבים ב-Joint Strike Fighter החדש - רכיבים מזויפים מהווים סיכון ביצועים ואמינות של המערכת שאי אפשר עוד להתעלם ממנו. 

מה צריך לכלול תכנון הפחתת סיכוניםin

כל תוכנית להפחתת סיכונים צריכה לשקול כיצד המערכת תגיב למצב של מתח יתר ותתאושש ממנו. הבעיות כוללות: 

1. האם מקובלת אפשרות של עשן או שריפה כתוצאה מתקלת מתח יתר? 

2. האם המאמצים לברר את שורש הסיבה וליישם פעולות מתקנות ייפגעו על ידי נזק הנובע מתקלת מתח יתר? 

3. אם מפעיל מקומי היה מפעיל מחזור (אתחול מחדש) של מערכת שנפגעה, האם נזק גדול עוד יותר למערכת היה גורם עוד יותר להפריע למאמצי השחזור?

4. מהו התהליך והזמן הנדרש לקביעת סיבת התקלה וחידוש פעולת המערכת הרגילה?

מהן החוסרים במעגל ההגנה המסורתי?

A ערכת הגנת מתח יתר מסורתית מורכב של נתיך, מיישר מבוקר סיליקון (SCR), ודיודת זנר (איור 1). אם מתח אספקת הכניסה חורג ממתח התמוטטות הזנר, ה-SCR מופעל, ומושך מספיק זרם כדי לפוצץ את הפתיל במעלה הזרם.

 איור 1. מעגל הגנת מתח יתר מסורתי המורכב מפתיל, SCR ו-Zeneדיודה r

● דורש זמן רב - אמנם לא יקר, אבל זמן התגובה של מעגל זה אינו מספיק כדי להגן בצורה מהימנה על המעגלים הדיגיטליים העדכניים ביותר, במיוחד כאשר מסילת האספקה ​​במעלה הזרם היא אפיק מתח ביניים. יתרה מכך, התאוששות מתקלת מתח יתר היא פולשנית וגוזלת זמן. 

● חִסָרוֹןs - המעגל הפשוט הזה הוא פשוט וזול יחסית, אבל יש חסרונות של גישה זו: וריאציות ב מתח פירוק של דיודת זנר（锚文本，16px，蓝色，arial，加粗，下划线）, סף ההדק של שער SCR והזרם הנדרשים כדי לפוצץ את הפתיל מביאים לזמני תגובה לא עקביים. ההגנה עלולה להפעיל מאוחר מדי כדי למנוע ממתח מסוכן להגיע לעומס. 

● מאמץ רב להתאושש - רמת המאמץ הנדרשת להתאוששות מתקלה גבוהה, הכוללת טיפול פיזי בפתיל והפעלה מחדש של המערכת. אם מסילת המתח הנבדקת מפעילה את הליבה הדיגיטלית, יכולת ההגנה של SCR מוגבלת, מכיוון שהירידה קדימה בזרמים גבוהים דומה או מעל למתח הליבה של המעבדים הדיגיטליים העדכניים ביותר. 

בגלל החסרונות הללו, ערכת ההגנה על מתח יתר המסורתית אינה מתאימה לעומסי המרת מתח גבוה למתח נמוך DC/DC כגון ASICs או FPGAs שיכולים להיות מוערכים במאות אם לא אלפי דולרים.

כיצד רגולטור LTM4641 משיג תגובה מהירה ומהימנה ומתאושש מתקלות?

פתרון טוב יותר יהיה לזהות במדויק מצב מתח יתר קרוב ולהגיב על ידי ניתוק מהיר של אספקת הכניסה תוך פריקת מתח עודף בעומס עם נתיב עכבה נמוך. זה אפשרי עם תכונות ההגנה ב-LTM4641. 

● רכיבים שלמים לניטור והגנה

בליבו של המכשיר נמצא וסת ירידה של 38V בדירוג 10A עם המשרן, IC הבקרה, מתגי המתח והפיצוי הכלולים בחבילה אחת להתקנה על פני השטח. 

הוא כולל גם מעגלי ניטור והגנה נרחבים להגנה על עומסים בעלי ערך גבוה כגון ASICs, FPGAs ומיקרו-מעבדים. 

ה-LTM4641 שומר על שמירה קבועה על תת-מתח בכניסה, מתח-יתר בכניסה, טמפרטורת-יתר ותנאי מתח-יתר במוצא וזרם-יתר ופועל כראוי להגנה על העומס. 

● ספי טריגר מתכווננים

כדי למנוע הפעלה שגויה או מוקדמת של תכונות ההגנה, לכל אחד מהפרמטרים המנוטרים הללו יש חסינות תקלות מובנית וספי טריגר הניתנים להתאמה למשתמש, למעט הגנת זרם יתר, המיושמת באופן אמין, מחזור אחר מחזור עם בקרת מצב זרם. 

במקרה של מצב מתח יתר במוצא, ה-LTM4641 מגיב תוך 500ns מזיהוי תקלות (איור 2).   

 

איור 2. ה-LTM4641 מגיב למצב מתח יתר בתוך 500ns, ומגן על העומס מפני מתח מתח

פתרונות ההגנה של LTM4641

● ה-LTM4641 מגיב בזריזות ובאמינות כדי להגן על התקנים במורד הזרם, ובניגוד לפתרונות מבוססי נתיך, הוא יכול לאפס אוטומטית ולהתחמש מחדש לאחר שמצבי התקלה שוככים. 

● ה-LTM4641 משתמש במגבר חישה דיפרנציאלי פנימי כדי לווסת את המתח במסופי המתח של העומס, תוך מזעור שגיאות הנובעות מרעש במצב משותף וירידות מתח עקבות PCB בין ה-LTM4641 לעומס. 

● מתח DC בעומס מווסת לרמת דיוק טובה יותר מ-±1.5% על פני קו, עומס וטמפרטורה. מדידת מתח מוצא מדויקת זו מוזנת גם למשווה מתח יתר המוצא המהיר, אשר מפעיל את תכונות ההגנה של ה-LTM4641. 

● כאשר מזוהה מצב מתח יתר, ווסת μModule מפעיל במהירות מספר דרכי פעולה בו-זמנית. MOSFET חיצוני (MSP באיור 3) מנתק את אספקת הכניסה, מסיר את נתיב המתח הגבוה מהווסת ואת העומס בעל הערך הגבוה. MOSFET חיצוני אחר (MCB באיור 3) מיישם את א נמוך פונקציית ברזל, פריקה מהירה של קבלי העוקפים של העומס (COUT באיור 3). 

● הרגולטור המובנה להורדת DC/DC של ה-LTM4641 נכנס למצב כיבוי נעול ומוציא אות תקלה המצוין על ידי פין HYST אשר יכול לשמש את המערכת כדי להתחיל רצף כיבוי מנוהל היטב ו/או איפוס מערכת. ייחוס מתח ייעודי ללא תלות במתח הייחוס של לולאת הבקרה משמש לאיתור מצבי תקלה. זה מספק עמידות בפני כשל חד-נקודתי, במקרה שההפניה של לולאת הבקרה תיכשל.

 איור 3. תוכנית הגנת מתח יתר של פלט LTM4641. אייקוני הבדיקה תואמים לצורות הגל באיור 2

● תכונות ההגנה של ה-LTM4641 מתחזקות על ידי אפשרויות שחזור התקלות שלו. בתכנית הגנת נתיך/SCR מסורתית, מסתמכים על נתיך כדי להפריד את ספק הכוח מהעומס בעל הערך הגבוה. התאוששות מתקלה מפוצצת פתיל מצריכה התערבות אנושית - מישהו עם גישה פיזית לפתיל כדי להסירו ולהחליפו - הצגת עיכוב בלתי מקובל בהתאוששות תקלות עבור זמן פעולה גבוה או מערכות מרוחקות.

● לעומת זאת, ה-LTM4641 יכול לחזור לפעולה רגילה לאחר שמצב התקלה נמחק, על-ידי החלפת פין בקרת רמה לוגית או על-ידי הגדרת ה-LTM4641 להפעלה מחדש אוטונומית לאחר פרק זמן קצוב מוגדר. אם מצבי התקלה מופיעים שוב לאחר שה-LTM4641 חוזר לפעולה, ההגנות הנ"ל יופעלו מיד מחדש כדי להגן על העומס.

הגנת נחשולי כניסה של LTM4641

במקרים מסוימים, הגנת מתח יתר במוצא בלבד אינה מספקת, ונדרשת הגנת מתח יתר בכניסה. מעגלי ההגנה של ה-LTM4641 יכולים לנטר את מתח הכניסה ולהפעיל את תכונות ההגנה שלו במקרה של חריגה מסף מתח שהוגדר על ידי המשתמש. 

אם מתח הכניסה המקסימלי הצפוי חורג מהדירוג של 38V של המודול, ניתן להרחיב את הגנת נחשולי כניסה עד ל-80V כאשר ה-LTM4641 עדיין פועל במלואו על ידי הוספת מתח גבוה חיצוני LDO כדי לשמור על מעגל הבקרה וההגנה בחיים (איור 4).

 

איור 4. הגנת נחשולי כניסה עד 80V, באמצעות LTM4641 ו-LDO חיצוני

שאלות נפוצות

1. ש: מהו תפקידו של רגולטור?

ת: הרגולטור מפקח על כל המערכת, ואחריותו העיקרית היא לדאוג לעמידה במסגרת הרגולטורית.

2. ש: מה ההבדל בין ממיר DC/DC לווסת?

ת: ממירי DC/DC מווסתים את הספק החשמלי על ידי הפעלה וכיבוי של רכיבי מיתוג (FETs וכו'). מצד שני, הרגולטורים של LDO מסדירים את אספקת החשמל על ידי שליטה בהתנגדות ההפעלה של FETs. ממירי DC/DC יעילים מאוד בהמרת חשמל באמצעות בקרת המיתוג.

3. ש: למה אתה צריך ממיר DC ל DC?

ת: ממיר DC-DC משמש להפחתת כניסת DC במתח גבוה לפלט DC במתח נמוך של ציוד ספציפי מסוים. הם משמשים גם כדי לבודד כמה רכיבים רגישים מאוד במעגל ממרכיבים אחרים במעגל כדי למנוע כל נזק.

4. ש: מהו ווסת מתח DC/DC?

ת: ממיר DC-DC הוא מערכת חשמלית (מכשיר) אשר ממירה מקורות זרם ישר (DC) מרמת מתח אחת לאחרת. במילים אחרות, ממיר DC-DC מקבל כקלט מתח כניסה DC ומוציא מתח DC שונה. ממיר DC-DC נקרא גם ממיר מתח DC-DC או ווסת מתח.

סיכום

באמצעות שיתוף זה, אנו לומדים את האתגרים ובעיות התעשייה, והפתרונות התואמים בעבר, וכיצד הרגולטור LMT4641 μModule פותר אותם. הוא משלב וסת DC/DC יעיל עם מעגל הגנה על מתח יתר פלט מהיר ומדויק, ומונע ביעילות את סיכוני מתח היתר. איך אתה חושב על המוצר הזה? השאר את ההערות שלך למטה וספר לנו את הרעיון שלך!

קרא גם

● הרגולטורים של μModule מצמצמים את גודל ספק הכוח ואת מאמצי העיצוב

● כיצד לזהות דיודה זנר ווסתי מתח מבוססים?

● מדריך שלם לרגולטור LDO בשנת 2021

● כיצד וסת LTC3035 LDO מאזן מתח נשירה נמוך ונפח קטן?

השאר הודעה 

רשימת הודעות