Veškeré elektronické systémy jsou často vystaveny nepříznivým povětrnostním podmínkám a hrozbám, jako jsou elektrostatické výboje (ESD), elektrické rychlé přechodné jevy (EFT) a blesky. Výkonoví designéři musí upřednostnit ochranu vedení, aby se zabránilo selhání systému, a to zejména pro průmyslové aplikace s přívodním napětím 24V.Systémy ochrany obvodu jsou schopné chránit napájení a celkový systém proti nadproudu, zkratu na vstupu zapínacího proudu, přepětí, podpětí, vstupního přepólování. Uvedu několik příkladů této ochrany, od diskrétního řešení až po integrované řešení eFuse od Texas Instruments. Pokud tato ochrana není dostatečná, elektronické součástky se doslova vypaří z plošného spoje.
Obr.1. Dopad nevhodně navržené ochrany
Diskrétní řešení
Diskrétní řešení je tradiční způsob ochrany napájecí cesty. Jedno takové řešení je zobrazeno na obrázku 2. Implementace s diskrétními součástkami využívá dioda zapojenou v sérii na ochranu systému před opačnou polaritou (nesprávného propojení) a zpětný proud. V případě, že diodou teče proud 2A,rozptyluje se přibližně 1W výkonu přes diodu, která zvýší teplotu desky. Implementace využívá PFET (high-side switch) spolu s bi-polárním tranzistorem BJT, operačním zesilovačem, Zenerovou diodou, odpory a kondenzátory splní všechny požadavky na ochranu. Tento systém řešení je objemný a tím pádem nákladný, jelikož obsahuje mnoho součástek. Navíc, tato implementace nezahrnuje tepelnou ochranu vypnutí a proudové omezení je závislé na teplotě. Lze využit tradiční pojistku, která chrání proti zkratu, ale pojistka trvá několik milisekund až sekund než zabere a to může dané zařízení nenávratně poškodit. Další informace o nahrazení diskrétního řešení pomocí eFuse se dozvíte zde: Upgrade your fuse.
Obr.2. Diskrétní řešení
Řešení pomocí Hot -Swap a ORing
Další možnost ochrany je znázorněna na obrázku 3. Využití tzv „hot-swap“ a „ORing“ regulátorů. Kvůli účinnosti a spolehlivosti se využívají externí FET tranzistory. Bohužel tato implementace má problémy právě s ovládáním vnějších FET tranzistorů a s vnějším měřícím odporem. Je třeba řešit ochranu proti přepólování. Tato implementace se snaží zachovat teplotu pod stanoveným limitem a bezpečnou provozní oblast (SOA), právě díky vnějším FET tranzistorům. I když toto řešení je lepší než diskrétní provedení, není vhodný pro prostorově vázané systémy, jako jsou vstupní / výstupní moduly.
Obr.3. Hot -Swap a ORing ochrana
Integrované řešení - eFuse
Existuje řešení, kdy celá diskrétní implementace mizí do jediného integrovaného obvodu o velikosti 3 x 4mm. Vně zůstane jen několik komponent, jako Transient Voltage diody (TVS), odpory a kondenzátory, jak je znázorněno na obrázku 4. EFuse integruje všechny funkce ochrany výše uvedených do jediného zařízení, efektivně a s minimálním úsilím designu. EFuses také obsahuje funkce, jako je monitoring napětí a proudu, indikaci poruch pro diagnostiku systému. Ochrana SOA FET tranzistorů a robustní tepelnou ochranou zajišťuje také eFuse, Obstojí i v náročných prostředích. Je vhodný i do prostorově omezených aplikací, pomáhá snižovat systémové řešení o více než polovinu.
Jeden z těchto typů řešení je TPS2660(až do 60V). Nabízí ochranu před nárazovým proudem, nadproudem, zkratem na vstupu, ochranu proti přepólování, přepětím a podpětím. Poskytuje také monitoring a indikaci poruchy pro diagnostiku systému. Jeho architektura je zvolena tak, aby byla odolná vůči standardním testům: rázový impulz popsaný v normě IEC 61000-4-5, EFT dle IEC 61000-4-4 a poklesy a přerušení napětí dle normy IEC 61131-2.
Robustní a efektivní systém ochrany napájení má zásadní význam pro elektronický design systému. S integrovanými ochrannými zařízeními, mohou návrháři vytvářet svůj systém jednoduše, účinně a dostat zařízení rychleji na trh. Navíc ušetřit čas a tím i peníze při ladění odolnosti EMC. Referenční design si můžete prohlédnout zde: Input Protection and Backup Supply Reference Design for a 25W PLC Controller Unit.
