保護(hù)IC如何保持系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)間

當(dāng)工廠倒閉時(shí)，這是一個(gè)必須立即解決的關(guān)鍵事件。傳統(tǒng)上，用于減輕系統(tǒng)故障的保護(hù)電路體積龐大、價(jià)格昂貴且難以實(shí)現(xiàn)。然而，正如本應(yīng)用筆記所討論的，現(xiàn)代保護(hù)電路的進(jìn)步現(xiàn)在為系統(tǒng)工程師提供了穩(wěn)健、高度集成且易于實(shí)施的解決方案，可防止與電氣應(yīng)力相關(guān)的問題，從而有助于保持系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)間。

介紹

如果不加以解決，系統(tǒng)故障可能會(huì)損壞設(shè)備，或者更糟的是，整個(gè)工廠都會(huì)癱瘓。考慮一個(gè)經(jīng)常被雷擊擊中的區(qū)域。例如，根據(jù)維薩拉的美國國家雷電探測(cè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，俄克拉荷馬州平均每年經(jīng)歷超過一百萬次罷工。在這方面排名第一的州是佛羅里達(dá)州，平均每平方英里發(fā)生 25.3 次雷擊，每年發(fā)生 145 萬次雷擊1.每次雷擊都會(huì)削弱系統(tǒng)，并最終在一次或多次雷擊后將其擊倒。因此，經(jīng)歷頻繁雷擊的區(qū)域必須使其保護(hù)系統(tǒng)格外堅(jiān)固。如果雷擊使您的工廠離線，這將如何影響您的業(yè)務(wù)？

防止設(shè)備損壞故障的保護(hù)電路對(duì)于減輕雷擊等事件的影響很有價(jià)值。然而，傳統(tǒng)上，這些電路體積龐大、昂貴且難以實(shí)現(xiàn)。幸運(yùn)的是，現(xiàn)代保護(hù)電路的進(jìn)步現(xiàn)在為系統(tǒng)工程師提供了穩(wěn)健、高度集成、節(jié)省空間且易于實(shí)施的解決方案。

系統(tǒng)保護(hù)案例

由于所有電氣系統(tǒng)都會(huì)經(jīng)歷電壓、電流、熱和其他故障，因此適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)對(duì)于系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)間至關(guān)重要。忽視保護(hù)可能會(huì)妨礙在設(shè)計(jì)驗(yàn)證測(cè)試階段成功完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)?；蛘撸愀獾那闆r涉及工廠車間的排隊(duì)情況。本應(yīng)用筆記主要討論三個(gè)方面的常見系統(tǒng)故障：電壓、電流和熱故障。

電壓故障

系統(tǒng)電壓浪涌和振鈴

由于雷擊、保險(xiǎn)絲熔斷、短路、熱插拔事件和電纜振鈴等多種事件，輸入電壓可能會(huì)高于和/或低于正常的直流電壓范圍。圖1顯示了一個(gè)短路事件，其中10英尺電纜末端的短暫短路（圖2）可能導(dǎo)致其電壓振鈴并達(dá)到峰值至50.4V，從而使其24VDC正常電壓翻倍。電壓也低至約11V（從初始短路降至0V）。被認(rèn)為是穩(wěn)健的系統(tǒng)將在整個(gè)振鈴過程中繼續(xù)運(yùn)行而不會(huì)中斷，或者至少可以承受而不會(huì)損壞。

圖1.短暫短路后長電纜電壓振鈴。

圖2.測(cè)試電路原理圖。

在其他幾種情況下也可能發(fā)生類似的電壓振鈴：熱插拔事件，將帶有放電電容器的卡插入帶電背板（圖3），或系統(tǒng)中其他位置的保險(xiǎn)絲熔斷。如果系統(tǒng)直流電壓范圍很寬，情況會(huì)惡化。例如，IEC 61131-2 定義了具有 24VDC 標(biāo)稱軌電壓加上 -15% 至 +20% 容差和 +5% 峰值交流分量的工業(yè)可編程邏輯控制器 （PLC）。因此，24VDC 電源軌的最小電壓為 19.2VDC，最大值為 30VDC。如果我們?cè)谏厦娴膶?shí)驗(yàn)中從30VDC電源開始，峰值振鈴電壓很容易達(dá)到60V。

雷擊會(huì)導(dǎo)致高能量浪涌電壓，通常由前端瞬態(tài)電壓抑制器 （TVS） 器件和輸入濾波器處理。在24V總線系統(tǒng)中，工業(yè)系統(tǒng)通常使用意法半導(dǎo)體SMAJ33A等器件來箝位。在浪涌條件下，該TVS器件可以將浪涌電壓箝位至最大53.3V。因此，連接到此24V總線的任何電子元件必須能夠承受至少53.3V的電壓。?

輸入反向電壓

系統(tǒng)接線錯(cuò)誤很少見，但仍然可能發(fā)生。例如，在機(jī)架安裝系統(tǒng)中，有人可能會(huì)反向插入卡或連接極性錯(cuò)誤的電源線。當(dāng)輸入電壓突然下降（輸入短路或振鈴低）時(shí)，輸出電容現(xiàn)在處于較高的電位，這會(huì)導(dǎo)致反向電壓條件。當(dāng)輸出突然短路到更高電壓軌時(shí)（例如，在成束的電纜中），也可能發(fā)生反向電壓情況。雖然輸入反向電壓故障很少見，但當(dāng)它們發(fā)生時(shí)，它們可能會(huì)導(dǎo)致代價(jià)高昂的系統(tǒng)損壞。

當(dāng)前故障

過流/短路故障

輸出過載和短路是兩個(gè)明顯的電流故障。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行容量過大時(shí)，會(huì)觸發(fā)過流負(fù)載。至于短路，這可能是由電路板上的組件故障引起的?；蛘?，如果有人不小心將扳手掉到電源連接器上或鉆入電纜束，則可能會(huì)發(fā)生不良短路。未受保護(hù)的電路板可能會(huì)遭受永久性損壞，或者更糟糕的是，著火。圖4顯示了電路板因短路而燒毀。

圖4.電路板因短路而燒毀。

涌流

當(dāng)將帶有放電電容器的電路板插入帶電背板時(shí)，電流浪涌涌入為電容器充電。不受控制，該浪涌電流將遵循以下等式：

I = Cxdv/dt

其中：
I = 浪涌電流
C = 電容 dv/
dt = 電容器電壓隨時(shí)間的變化率

如果將放電電容（0V時(shí)）插入24V帶電背板，在這種情況下dV/dt是瞬時(shí)的（無限），轉(zhuǎn)換為I = 無窮大。如果沒有浪涌控制，這種無限高的電流尖峰會(huì)損壞連接器，熔斷保險(xiǎn)絲，并導(dǎo)致背板電壓出現(xiàn)電壓振鈴。

反向電流

當(dāng)發(fā)生反向電壓事件時(shí)，如輸入反向電壓部分所述，反向電流會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成嚴(yán)重?fù)p壞。

熱故障

過溫保護(hù)

為了防止損壞和潛在的火災(zāi)相關(guān)問題，當(dāng)系統(tǒng)或其組件之一的溫度達(dá)到危險(xiǎn)水平時(shí)，過熱保護(hù)會(huì)關(guān)閉系統(tǒng)。如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，系統(tǒng)應(yīng)該能夠在不進(jìn)入過熱關(guān)斷狀態(tài)的情況下運(yùn)行。但是，主要故障情況（例如長時(shí)間過載情況、系統(tǒng)風(fēng)扇故障或故障、系統(tǒng)進(jìn)氣口/出氣口意外堵塞或房間空調(diào)故障）可能會(huì)觸發(fā)過熱關(guān)機(jī)。

熱保護(hù)

與過熱關(guān)斷相比，熱保護(hù)更智能。當(dāng)由于初級(jí)故障導(dǎo)致運(yùn)行期間溫度升高到高于正常水平時(shí)，熱保護(hù)會(huì)為系統(tǒng)提供警告和一些選擇。例如，系統(tǒng)可以選擇卸載非關(guān)鍵負(fù)載，以較低的開關(guān)速度運(yùn)行以消耗更少的功率。因此，在主要故障得到解決之前，系統(tǒng)可能能夠避免過熱關(guān)斷并降低系統(tǒng)性能。

系統(tǒng)保護(hù)解決方案

設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

想要充分保護(hù)其產(chǎn)品的系統(tǒng)工程師面臨著一些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。分立或部分集成的IC實(shí)現(xiàn)需要許多外部元件。組件的公差堆疊分析起來很繁瑣，而且隨著時(shí)間的推移也很難驗(yàn)證和保證性能。對(duì)于多個(gè)組件，最終的解決方案很大。

新型系統(tǒng)保護(hù)IC的主要特性

在理想情況下，系統(tǒng)保護(hù)解決方案將高度集成，易于設(shè)計(jì)導(dǎo)入，并輕松通過設(shè)計(jì)認(rèn)證?，F(xiàn)代保護(hù)IC需要尋求的一些關(guān)鍵特性包括：

集成 pFET 和 nFET，用于正向/反向電壓/電流保護(hù)

集成精密電流檢測(cè)

可編程 UV/OV、限流閾值和故障響應(yīng)模式

帶警告標(biāo)志的熱保護(hù)

現(xiàn)代系統(tǒng)保護(hù)解決方案示例

為了保護(hù)示例系統(tǒng)免受上述所有電路故障的影響，我們選擇了MAX17608/MAX1709限流器。這些器件是業(yè)界集成度最高、節(jié)省空間、堅(jiān)固耐用的IC，可在1A負(fù)載電流下提供高壓保護(hù)。這些限流器既滿足了日益嚴(yán)格的機(jī)器安全標(biāo)準(zhǔn)，也滿足了對(duì)更小解決方案的需求，因?yàn)槟K化機(jī)架 PLC 不斷縮小并變得更密集，具有更強(qiáng)的 I/O 能力。

圖5.MAX17608/09是高度集成、節(jié)省空間的保護(hù)IC。

圖5所示為MAX17608/09應(yīng)用電路原理圖。這些IC的工作電壓范圍為+4.5V至+60V，可承受-65V的負(fù)輸入電壓。它們集成了 pFET 和 nFET，用于正向/反向電壓/電流保護(hù)、可編程 UV/OV、限流閾值和故障響應(yīng)模式，以及帶警告標(biāo)志的熱保護(hù)。解決方案尺寸非常小，因?yàn)镮C采用微型3mm x 3mm、12引腳TDFN-EP封裝。

除了所有理想的集成功能外，這些限流器還具有非常精確的電流檢測(cè)，電流檢測(cè)頻率為±3%。分立式解決方案通?？梢蕴峁?±20%，因此這是一個(gè)顯著的性能改進(jìn)。SETI引腳上的電壓還可以監(jiān)控系統(tǒng)電流消耗。

總結(jié)

故障時(shí)有發(fā)生，但通過在系統(tǒng)中實(shí)施適當(dāng)?shù)碾娐繁Ｗo(hù)，您可以防止工廠車間出現(xiàn)問題。與前代產(chǎn)品相比，當(dāng)今的高級(jí)保護(hù)IC采用小型封裝，具有強(qiáng)大的功能，非常適合保護(hù)系統(tǒng)免受電壓、電流、熱和其他故障的影響。

審核編輯：郭婷