Новости при решенията и компонентите за защита на електроника ­- част II

• Електронните пиропредпазители се използват в аварийни ситуации като многократно превишаване на максималния ток, къси съединения, принудително прекъсване на захранването при катастрофа, пожар и други инциденти
  
  
• Интересно приложение е т нар. PRE-CHARGE резистор, през който се зарежда високоволтовият кондензатор (DC-LINK), свързан преди инвертора / ЕМ на електрическите автомобили

Димитър Колев

Във втората част на статията, стартирала в бр. 6/2025 на списание Инженеринг ревю, ще продължим представянето на характерни съвременни защитни елементи за електронни системи.

Интегралната схема TPS25982 от фамилията от електронни защити на Texas Instruments (Фиг. 1) работи с широк обхват на входното напрежение (2,7-24 V, макс. 30 V), При нея прагът на задействане може да се настройва от 2 до 15 А с точност +/-8%, а управляващият транзистор е вграден. Има възможности да работи като автоматичен предпазител или ограничител по ток. Наличен е и специализиран таймер, който позволява протичането на кратковременни преходни процеси без задействане на защитата.

Токът през ИС се измерва с точност до 1,5% и подава към външен извод за последващо измерване от микроконтролер или допълнителна управляваща логика. В зависимост от конфигурацията, ИС може да работи в следните режими: latch-off / автоматично рестартиране, определен брой рестартирания (краен или безкраен), закъснение между рестартиранията. Има възможност за регулиране по по-високо или по-ниско от оптималното зададено напрежение. Вградена е вътрешна защита по прегряване и е предвиден цифров извод за наличие/отсъствие на оптимално напрежение (Power good - PGOOD),
Подобна ИС от същата фамилия е TPS25984Bx, която при нужда от по-голям ток позволява свързване в паралел. Работното напрежение е 4,5-16 V, 0,8 милиома MOSFET, възможен константен ток 55 A RMS с импулси до 70 А. При паралелна работа ИС може да работят самостоятелно или да бъдат свързани към микроконтролер за по-гъвкаво конфигуриране, наблюдение и контрол.
Друга интересна част от електронните защити обхваща

Изискванията обикновено са за ИС с вграден микроконтролер, както и специфичните за електромоторите (ЕМ) възможности за управление, контрол, измерване и защита.
STSPIN фамилията на ST Microelectronics интегрира мощен STM32 микроконтролер, съчетан заедно с 3-фазен драйвер за N-MOSFET транзистори, (Фиг. 2). Това позволява да се реализира прецизен контрол върху въртящото се електромагнитно поле на ЕМ, чрез 6-стъпкови специализирани алгоритми за управление със или без използване на допълнителни сензори. Интегралната схема има вграден 3,3 V DC-DC понижаващ преобразувател/конвертор, както и 12 V LDO регулатор, които захранват микроконтролера, външната периферия и гейт драйверите на управляващите FET транзистори. Това повишава ефективността и намалява броя на дискретните компоненти и размера на печатната платка.

Двете ИС STSPIN32F0B и STSPIN32F0A са с минимално работно напрежение 6,7 V, което съответства на две серийно свързани литиеви батерии. Това се вписва добре в различни приложения като дронове, стабилизирани камери, учебни роботи и дори вентилатори. В допълнение вграденият STM32 boot-loader дава възможност за безжично надграждане на съществуващия базов софтуер. Чипът STSPIN32F0A интегрира 3 операционни усилвателя, докато STSPIN32F0B разполага само с един, но пък има повече вход/изходи с общо предназначение (GPIO). ИС разполага с пълен комплект от защитни възможности – по максимален ток, максимална температура и късо съединение.
Няма как да пропуснем и

автомобилните електронни защити

с приложение в ниско- и високоволтови електрически системи 48/400/800 V. Някои от тях допълват класическите термопредпазители, а други напълно ги заместват или дори са насочени към заместване на основните електромеханични релета и предпазители в модерните хибридни и изцяло електрически превозни средства.
Демо китът на eFuse от Wuerth Elektronik и Microchip (с блокова схема представена на Фиг. 3). е типичен пример за подобна защита. Той предлага променлив профил за ограничение на тока, LIN комуникационен интерфейс за конфигуриране и диагностика и комутация на позитивната/висока или негативната/ниска верига. Времето на издръжливост на късо съединение е 10 us, номиналният ток е до 30 A, диапазонът на управляващото ниско напрежение за електрониката е от 9 до 16 V, а диапазонът за управлявано високо напрежение - от 200 до 900 V.

Основната цел на подобна система е, разбира се, приложение в автомобилната индустрия, но тя успешно може да се използва и в стационарни системи за съхранение на енергия – ESS/BESS. Всички компоненти са избрани с автомобилен/AEC сертификат. Демо китът предлага шест варианта на спомагателни еFuse, които поддържат напрежения на шината от 400 и 800 V и номинален ток от 10, 20 или 30 A, с максимална честота на превключване до 20 kHz.
Основните елементи включват Microchip PIC16F15345 (MCU), PIC10F322 (PWM), ATA663211 (LIN), както и съответните 700/1200 SIC ключови транзистори, например MSC035SMA070B4, както и трансформатор WЕ 760390014 (PWM).

Подобни ИС, транзистори и контролери се разработват и предлагат от Murata, AKM, Infineon, TI – с различни функции, интерфейси и максимални възможности по напрежение/ток и скорост на превключване.

Друго интересно приложение е така нареченият PRE-CHARGE или ограничителен резистор, през който се зарежда високоволтовият кондензатор (DC-LINK), свързан преди инвертора / ЕМ на електрически автомобил, с цел избягване на опасни за батерията преходни процеси при първоначално потегляне. Освен резистор, понякога се използват PTC резистори или комбинация от двата компонента, като те са специално проектирани и произведени за многократни и кратковременни претоварвания по ток. В по-съвременни разработки пасивните елементи се заменят от контролна ИС и FET транзистори, които са по-ефективни. Характерен пример е TPSI3050-Q1 на TI, който е модифициран eFuse, показан на Фиг. 4.

Аналогични системи се наричат също Battery Protection Units (BPU) или с други подобни имена/съкращения, като всеки производител създава и дори патентова собствен акроним, за да се различава от останалите.

Интересен компонент са така наречените пиропредпазители. Те се състоят от проводяща шина, през която може да протече голям ток при голямо напрежение (например 1000 V @ 400 A DC), бутало/нож, който може да я прекъсне, и малък взривен заряд плюс електрически детонатор, който се активира при превишаване на максималния зададен ток. Всичко това е здраво капсулирано и защитено, както и обикновено допълнително механически отделено и защитено в кутията на съответната система (обикновено BMS). Капсулирането и физическото отделяне се прави с цел да не може задействането на пиропредпазителя да повлияе или разруши околни компоненти или устройства. Такива предпазители се използват в аварийни ситуации като многократно превишаване на максималния ток, къси съединения, принудително прекъсване на захранването при катастрофа, пожар и други инциденти. Това действие осигурява също и безопасността на аварийните и спасителни служби, като предпазителят може да се задейства със специален авариен бутон/ключ. Сред производителите са Eaton, Sensata, Rheinmetall и др.

Пирокомпонентите се предлагат със или без вградена допълнителна електроника като драйвери с резервно захранване, измерване на преминаващия ток, детекция на катастрофа/преобръщане и т.н. Всички компоненти са произведени с AEC и ASIL C/D сертификати. Типичен пример за външен пиродрайвер е DRV3901-Q1 на TI.
Нека разгледаме и няколко

пасивни/хибридни защити и филтри

Wuerth Elektronik предлага интересно решение за подобряване на електромагнитната устойчивост на I2C шина, която работи с относително висока работна честота от 400 kHz. Решението (AN121) е подробно разгледано в LTSpice симулация на 3 канала – референтен, с 400 pF и 200+200 pF и многослоен феритен филтър, като реално е тествано с Feather процесорна и сензорна платка.

Многослойните PTC резистори, използвани като автоматични предпазители, серия PRG на Murata се предлагат в корпуси от 0402 до 0805 с работни напрежения 6 - 32 V и работни токове 110 - 750 mA. За разлика от по-старите полимерни PTC, които имат нестабилни характеристики, но издържат по-големи токове и напрежения, или по-старите керамични PTC, които имат стабилни характеристики, но по-ниски работни напрежения и токове, според производителя фамилията PRG обединява и двете характеристики без компромиси. Освен това те са с по-ниско съпротивление във включено състояние, както и стабилни характеристики след запояване или много работни цикли.

Интерес за RS485 устройства представляват комбинираните защити за преходни процеси (TBU – Transient blocking unit) на Bourns, които предпазват от твърде високи претоварвания по ток и напрежение. Когато се комбинират с допълнителни защити, като газоразрядна защита GDT 2030-42T-SM-RPLF или тиристорна защита TISP4350J3BJR-S, крайното решение може да осигури защита, изпълняваща изискванията на стандарти IEC 61000-4-2 (ESD), IEC 61000-4-4 (EFT) и IEC 61000-4-5 (Surge). Така се спестяват и външни компоненти, което води до намаляване на размера върху печатната платка (Фиг. 5).

Така наречените ThermoFuse, или варистори с термопрекъсвач (продукт на TDK/Epcos), са типичен пример за хибридна защита - варисторът става проводим и предпазва от бърз преходен процес, но ако пренапрежението продължи за по-дълго време, варисторът може да се загрее твърде много и да дефектира. В такъв случай веригата се прекъсва от термопрекъсвач / предпазител (биметална пластинка), като защитата се поема от външен, класически стопяем предпазител. ThermoFuse може да се допълни и с визуална индикация, свързан към сигнален извод (Фиг. 6). Серията MT25 (B72225M) покрива обхват от 150 - 385 VRMS, с възможност за максимален токов импулс от 20 kA с продължителност 8/20 us съгласно IEC 61643-11. Приборите са с размери 25x28x14 mm и напълно капсулирани. Като опция сигналният извод може да бъде изолиран. Приборите от серия MT30 (B72230M) покриват 150-750 VRMS, до 25 kA импулс и са с размери 34x28x14 mm, като сигналният извод е винаги изолиран. Основни приложения са фотоволтаични инвертори, мощни индустриални захранвания, както и захранвания за осветителни и телекомуникационни системи.

Ако се върнем към темата с DC-LINK кондензаторите, резисторите, които се използват за ограничаване на тока, са със специален дизайн - проектирани да издържат на тежки кратковременни (импулсни претоварвания), както и за монтиране на радиатор. Такива са резисторите LTO150/H на Vishay. Предлагат се със стойности от 1 ом до 2,2 килоома. Издържат до 75 J за 0,1 s, имат ниска индуктивност и се прикрепват към радиатора директно със скоба. Отговарят на AEC-Q200 и EN 45545-2, UL 94 V-0.

Последния компонент за защита, който ще разгледаме, е бърз диод с т. нар. меко (плавно) възстановяване - VS-EBU15006HN4 на Vishay Semiconductors. Той има ток в права посока Vf = 150 А и пробивно напрежение Vbr = 600 V. Времето за възстановяване варира между 100 и 200 ns в зависимост от температурата, при параметри If = 50 A, Vr = 200 V, dIf/dt = 200 A/us. Примерна тестова схема e показана на Фиг. 7. Основните приложения на прибора включват високочестотни заваръчни токоизточници и мощни захранвания, като компонентът е съвместим и с автомобилния стандарт AEC-Q101. Освен зaщита на ключовия транзистор, диодът осигурява по-добра EMC съвместимост.