In che modo il regolatore μModule LTM4641 previene in modo efficiente la sovratensione?

Le tensioni intermedie del bus di 24V~28V nominali sono comuni nei sistemi industriali, aerospaziali e di difesa in cui le batterie collegate in serie possono essere una fonte di alimentazione di backup e le architetture bus a 12V tendono a essere poco pratiche a causa delle perdite di distribuzione. L'aumento del divario di tensione tra il bus di sistema e gli ingressi di alimentazione dei processori digitali presenta sfide di progettazione relative all'erogazione di potenza, alla sicurezza e alle dimensioni della soluzione.

Fortunatamente, il regolatore μModule LTM4641 risolve i problemi di cui sopra attraverso una reazione e un ripristino rapidi e affidabili, oltre alla protezione contro le sovratensioni in ingresso. 

Questa condivisione ti fornirà un'introduzione dettagliata ad alcuni problemi che abbiamo affrontato in passato e alle relative soluzioni, inclusi alcuni rischi, sfide e problemi di settore che abbiamo dovuto affrontare. Se sei stato o sei turbato da questi problemi, puoi imparare meglio a risolverli con il regolatore μModule LTM4641 attraverso questa condivisione. Continuiamo a leggere!

La condivisione è la cura!

Contenuti

● Perché il convertitore CC/CC tradizionale deve affrontare la sovratensione Riok?

● Componenti contraffatti economici generano mal di testa costosi

● Cosa dovrebbe contenere una pianificazione di mitigazione del rischio?

● Quali sono le inadeguatezze del circuito di protezione tradizionale?

● In che modo il regolatore LTM4641 ottiene una reazione rapida e affidabile e si riprendem Difetti?

● FAQ

● Conclusione

Perché il convertitore CC/CC tradizionale affronta il rischio di sovratensione?

Se un convertitore DC/DC step-down non isolato a stadio singolo viene utilizzato nel punto di carico, deve funzionare con una temporizzazione PFM/PWM estremamente accurata. Gli eventi di sovratensione in ingresso possono sollecitare i convertitori DC/DC, presentando un rischio di sovratensione per il carico. 

Condensatori errati o contraffatti introdotti nella produzione possono causare escursioni della tensione di uscita che superano i valori nominali del carico causando potenzialmente il microprocessori ampiamente utilizzati come FPGA, ASIC accendere.

A seconda dell'entità del danno, la causa principale potrebbe essere difficile da trovare. Un piano di mitigazione del rischio di sovratensione è assolutamente necessario per prevenire l'insoddisfazione dei clienti. 

I tradizionali schemi di protezione da sovratensione che coinvolgono un fusibile non sono necessariamente abbastanza veloci, né abbastanza affidabili, per proteggere i moderni FPGA, ASIC e microprocessori, in particolare quando la linea di tensione a monte è di 24 V o 28 V nominali. È necessaria una protezione attiva al POL DC/DC. 

L'LTM4641 è un regolatore μModule® step-down DC/DC da 38 A con valore nominale di 10 V che difende e ripristina da molti guasti, inclusa la sovratensione in uscita.

L'importanza di un'accurata temporizzazione del commutatore aumenta con la tensione di ingresso e le sovratensioni Quando esiste un ampio differenziale tra le tensioni di ingresso e di uscita, i regolatori CC/CC a commutazione sono preferiti rispetto ai regolatori lineari per la loro efficienza molto più elevata. 

● Il margine di errore del regolatore CC/CC è ridotto

Per ottenere una soluzione di dimensioni ridotte, un convertitore step-down non isolato è la scelta migliore, operando a una frequenza sufficientemente elevata da ridurre i requisiti di dimensione dei suoi magneti di potenza e dei condensatori di filtro. 

Tuttavia, in applicazioni con elevato rapporto step-down, un convertitore di commutazione CC/CC deve funzionare con cicli di lavoro inferiori al 3%, richiedendo una temporizzazione PWM/PFM accurata. 

Inoltre, i processori digitali richiedono una stretta regolazione della tensione e risposta transitoria veloce è necessario per mantenere la tensione entro limiti di sicurezza. A tensioni di ingresso relativamente elevate, il margine di errore nel tempo di attivazione dell'interruttore sul lato superiore del regolatore CC/CC è ridotto.

I picchi di tensione del bus, che sono spesso presenti nelle applicazioni aerospaziali e di difesa, rappresentano un pericolo non solo per il convertitore CC/CC, ma anche per il carico. Il convertitore c.c./c.c. deve essere dimensionato per regolare il picco di sovratensione con un circuito di controllo rapido, in modo da ottenere una reiezione di linea sufficiente. 

Se il convertitore CC/CC non riesce a regolare o non sopravvive a una sovratensione del bus, viene presentata una sovratensione al carico. I guasti di sovratensione possono anche essere introdotti quando i condensatori di bypass del carico si degradano con l'età e la temperatura, il che si traduce in una risposta del carico transitorio più flessibile nel corso della vita del prodotto finale. 

● I condensatori si degradano oltre i limiti del progetto del circuito di controllo

Se i condensatori si degradano oltre i limiti del progetto del circuito di controllo, il carico può essere esposto a sovratensione mediante due possibili meccanismi: 

In primo luogo, anche se il circuito di controllo rimane stabile, gli eventi di carico transitorio pesanti mostreranno escursioni di tensione più elevate di quanto previsto all'inizio della progettazione. 

In secondo luogo, se l'anello di controllo diventa condizionatamente stabile (o, peggio ancora, instabile), la tensione di uscita può oscillare con picchi che superano i limiti accettabili. 

I condensatori possono anche degradarsi inaspettatamente o prematuramente quando viene utilizzato un materiale dielettrico errato o quando componenti falsi entrano nel flusso di produzione.

Progettazione e test di alimentazione lineare ad alta tensione (0 - 200V)

Componenti contraffatti economici generano costosi mal di testas

I componenti contraffatti del mercato grigio o del mercato nero possono essere allettanti, ma non soddisfano gli standard dell'articolo originale (ad esempio, possono essere riciclati, recuperati dai rifiuti elettronici o costruiti con materiali scadenti). Un risparmio a breve termine diventa un'enorme spesa a lungo termine quando un prodotto contraffatto si guasta. I condensatori contraffatti, ad esempio, possono guastarsi in diversi modi. I problemi includono: 

1. Si è visto che condensatori al tantalio contraffatti subiscono un autoriscaldamento interno con un meccanismo di feedback positivo al punto da raggiungere l'instabilità termica. 

2. I condensatori ceramici contraffatti possono contenere materiale dielettrico compromesso o inferiore, con conseguente perdita accelerata di capacità con l'età o a temperature di esercizio elevate. 

3. Quando i condensatori si guastano in modo catastrofico o si riducono di valore per indurre l'instabilità dell'anello di controllo, le forme d'onda di tensione possono diventare molto maggiori in ampiezza rispetto a quanto originariamente progettato, mettendo in pericolo il carico. 

Sfortunatamente per l'industria, i componenti contraffatti trovano sempre più spazio nella catena di approvvigionamento e nel flusso di produzione dell'elettronica, anche nelle applicazioni più sensibili e sicure. 

Un rapporto del Comitato per i servizi armati del Senato degli Stati Uniti (SASC) pubblicato pubblicamente nel maggio 2012 ha rilevato componenti elettronici contraffatti diffusi negli aerei militari e nei sistemi d'arma che potrebbero comprometterne le prestazioni e l'affidabilità, sistemi costruiti dai migliori appaltatori del settore della difesa. 

Insieme al numero crescente di componenti elettronici in tali sistemi, più di 3,500 circuiti integrati nel nuovo Joint Strike Fighter, i componenti contraffatti rappresentano un rischio per le prestazioni e l'affidabilità del sistema che non può più essere ignorato. 

Cosa dovrebbe fare una pianificazione della mitigazione del rischio Contain?

Qualsiasi piano di mitigazione del rischio dovrebbe considerare come il sistema risponderebbe e si riprenderebbe da una condizione di sovratensione. I problemi tra cui: 

1. È accettabile la possibilità di fumo o incendio derivante da un guasto da sovratensione? 

2. Gli sforzi per determinare la causa principale e implementare azioni correttive sarebbero ostacolati da danni derivanti da un guasto da sovratensione? 

3. Se un operatore locale dovesse spegnere e riaccendere (riavviare) un sistema compromesso, un danno ancora maggiore al sistema ostacolerebbe ulteriormente gli sforzi di ripristino?

4. Qual è il processo e il tempo necessari per determinare la causa del guasto e riprendere il normale funzionamento del sistema?

Quali sono le inadeguatezze del circuito di protezione tradizionale?

A schema tradizionale di protezione da sovratensione consiste di un fusibile, raddrizzatore controllato al silicio (SCR) e diodo Zener (Figura 1). Se la tensione di alimentazione in ingresso supera la tensione di rottura Zener, l'SCR si attiva, assorbendo corrente sufficiente per aprire il fusibile a monte.

 Figura 1. Circuito di protezione da sovratensione tradizionale costituito da un fusibile, SCR e Zener diodo

● Richiede tempo - Sebbene poco costoso, il tempo di risposta di questo circuito è insufficiente per proteggere in modo affidabile i circuiti digitali più recenti, in particolare quando la barra di alimentazione a monte è un bus a tensione intermedia. Inoltre, il ripristino da un guasto da sovratensione è invasivo e richiede tempo. 

● Inconvenientes - Questo semplice circuito è relativamente semplice ed economico, ma ci sono degli svantaggi di questo approccio: variazioni nel Tensione di rottura del diodo Zener（锚文本，16px，蓝色，arial，加粗，下划线）, soglia di attivazione del gate SCR e corrente richiesta per bruciare il fusibile determinano tempi di risposta incoerenti. La protezione potrebbe attivarsi troppo tardi per evitare che tensioni pericolose raggiungano il carico. 

● Tanta fatica per recuperare - Il livello di sforzo richiesto per il ripristino da un guasto è elevato e comporta la manutenzione fisica del fusibile e il riavvio del sistema. Se la barra di tensione in esame alimenta il core digitale, la capacità di protezione di un SCR è limitata, poiché la caduta diretta a correnti elevate è paragonabile o superiore alla tensione del core dei più recenti processori digitali. 

A causa di questi inconvenienti, il tradizionale schema di protezione da sovratensione non è adatto per carichi di alimentazione da alta tensione a bassa tensione CC/CC come ASIC o FPGA che potrebbero essere valutati nell'ordine di centinaia se non migliaia di dollari.

In che modo il regolatore LTM4641 ottiene una reazione rapida e affidabile e si riprende dai guasti?

Una soluzione migliore sarebbe rilevare con precisione una condizione di sovratensione imminente e rispondere scollegando rapidamente l'alimentazione di ingresso scaricando al contempo la tensione in eccesso sul carico con un percorso a bassa impedenza. Ciò è possibile con le funzioni di protezione dell'LTM4641. 

● Componenti completi per il monitoraggio e la protezione

Il cuore del dispositivo è un regolatore step-down da 38 V e 10 A con induttore, circuito integrato di controllo, interruttori di alimentazione e compensazione, tutti contenuti in un unico pacchetto di montaggio superficiale. 

Include anche un ampio circuito di monitoraggio e protezione per proteggere carichi di alto valore come ASIC, FPGA e microprocessori. 

L'LTM4641 mantiene un controllo costante delle condizioni di sottotensione in ingresso, sovratensione in ingresso, sovratemperatura e sovratensione e sovracorrente in uscita e agisce in modo appropriato per proteggere il carico. 

● Soglie di attivazione regolabili

Per evitare l'esecuzione errata o prematura delle funzioni di protezione, ciascuno di questi parametri monitorati ha un'immunità aglitch incorporata e soglie di attivazione regolabili dall'utente ad eccezione della protezione da sovracorrente, che viene implementata in modo affidabile, ciclo per ciclo con controllo della modalità di corrente. 

In caso di condizione di sovratensione in uscita, l'LTM4641 reagisce entro 500 ns dal rilevamento del guasto (Figura 2).   

 

Figura 2. L'LTM4641 risponde a una condizione di sovratensione entro 500 ns, proteggendo il carico dallo stress di tensione

Le soluzioni di protezione di LTM4641

● L'LTM4641 risponde in modo agile e affidabile per proteggere i dispositivi a valle e, a differenza delle soluzioni basate su fusibili, può ripristinarsi e riarmarsi automaticamente dopo che le condizioni di guasto sono diminuite. 

● L'LTM4641 utilizza un amplificatore di rilevamento differenziale interno per regolare la tensione ai terminali di alimentazione del carico, riducendo al minimo gli errori derivanti dal rumore di modo comune e dalle cadute di tensione della traccia PCB tra l'LTM4641 e il carico. 

● La tensione CC al carico è regolata con una precisione migliore di ±1.5% su linea, carico e temperatura. Questa misurazione accurata della tensione di uscita viene inviata anche al comparatore di sovratensione di uscita veloce, che attiva le funzioni di protezione dell'LTM4641. 

● Quando viene rilevata una condizione di sovratensione, il regolatore μModule avvia rapidamente diverse azioni simultanee. Un MOSFET esterno (MSP nella Figura 3) scollega l'alimentazione di ingresso, rimuovendo il percorso ad alta tensione dal regolatore e il carico di valore elevato. Un altro MOSFET esterno (MCB in Figura 3) implementa a Basso funzione del piede di porco, scaricando rapidamente i condensatori di bypass del carico (COUT in Figura 3). 

● Il regolatore step-down CC/CC integrato nell'LTM4641 entra in uno stato di arresto permanente ed emette un segnale di guasto indicato dal pin HYST che può essere utilizzato dal sistema per avviare una sequenza di arresto ben gestita e/o un ripristino del sistema. Per rilevare le condizioni di guasto viene utilizzato un riferimento di tensione dedicato indipendente dalla tensione di riferimento del circuito di controllo. Ciò fornisce resilienza contro un errore a punto singolo, nel caso in cui il riferimento del loop di controllo dovesse fallire.

 Figura 3. Piano di protezione da sovratensione di uscita LTM4641. Le icone della sonda corrispondono alle forme d'onda nella Figura 2

● Le funzioni di protezione dell'LTM4641 sono rafforzate dalle opzioni di ripristino degli errori. In uno schema di protezione da sovratensione/SCR tradizionale, si fa affidamento su un fusibile per separare l'alimentazione dal carico di valore elevato. Il ripristino da un guasto di fusibile richiede l'intervento umano, qualcuno con accesso fisico al fusibile per rimuoverlo e sostituirlo, introducendo un ritardo inaccettabile nel ripristino dell'errore per tempi di attività elevati o sistemi remoti.

● Al contrario, l'LTM4641 può riprendere il normale funzionamento una volta che la condizione di errore è stata eliminata, commutando un pin di controllo del livello logico o configurando l'LTM4641 per il riavvio autonomo dopo un periodo di timeout specificato. Se le condizioni di guasto si ripresentano dopo che l'LTM4641 ha ripreso a funzionare, le suddette protezioni si riattivano immediatamente per proteggere il carico.

Protezione contro le sovratensioni in ingresso dell'LTM4641

In alcuni casi, la sola protezione da sovratensione in uscita è insufficiente ed è necessaria la protezione da sovratensione in ingresso. Il circuito di protezione dell'LTM4641 può monitorare la tensione di ingresso e attivare le sue funzioni di protezione in caso di superamento di una soglia di tensione configurata dall'utente. 

Se la tensione di ingresso massima prevista supera i 38 V nominali del modulo, la protezione da sovratensione in ingresso può essere estesa fino a 80 V con l'LTM4641 ancora pienamente operativo aggiungendo un LDO esterno ad alta tensione per mantenere attivi i circuiti di controllo e protezione (Figura 4).

 

Figura 4. Protezione contro le sovratensioni in ingresso fino a 80 V, utilizzando l'LTM4641 e un LDO esterno

Domande frequenti

1. D: Qual è il ruolo di un regolatore?

R: Il regolatore supervisiona l'intero sistema e la sua principale responsabilità è garantire la conformità con il quadro normativo.

2. D: Qual è la differenza tra convertitore CC/CC e regolatore?

R: I convertitori CC/CC regolano la potenza elettrica accendendo e spegnendo elementi di commutazione (FET, ecc.). D'altra parte, i regolatori LDO regolano l'alimentazione controllando la resistenza di accensione dei FET. I convertitori CC/CC sono altamente efficienti nella conversione dell'elettricità tramite il controllo di commutazione.

3. D: Perché hai bisogno di un convertitore da CC a CC?

A: Il convertitore DC-DC viene utilizzato per ridurre l'ingresso DC ad alta tensione all'uscita DC a bassa tensione di alcune apparecchiature specifiche. Sono anche utilizzati per isolare alcuni componenti altamente sensibili nel circuito da altri componenti nel circuito per evitare danni.

4. D: Che cos'è il regolatore di tensione CC/CC?

R: Un convertitore CC-CC è un sistema elettrico (dispositivo) che converte le sorgenti di corrente continua (CC) da un livello di tensione all'altro. In altre parole, un convertitore CC-CC prende come ingresso una tensione di ingresso CC ed emette una tensione CC diversa. Un convertitore CC-CC è anche chiamato convertitore di potenza CC-CC o regolatore di tensione.

Conclusione

Attraverso questa condivisione, apprendiamo le sfide e i problemi del settore e le soluzioni corrispondenti in passato e come il regolatore μModule LMT4641 li risolve. Combina un efficiente regolatore CC/CC con un circuito di protezione da sovratensione in uscita veloce e preciso e previene efficacemente i rischi di sovratensione. Come ne pensate di questo prodotto? Lascia i tuoi commenti qui sotto e raccontaci la tua idea!

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