Moduł zabezpieczenia zasilania

Przedstawiony w artykule moduł oparty jest o specjalizowany układ TPS2592 firmy Texas Instruments. Układ zawiera wszystkie elementy niezbędne do realizacji zabezpieczeń podnapięciowego, nadnapięciowego, przeciążeniowego i zwarciowego z sygnalizacją aktywności zabezpieczenia. Progi wyzwalania poszczególnych zabezpieczeń są dobierane zewnętrznymi rezystorami. Zakres napięcia zasilania to 4,5…18 V, zakres prądu 0,4…1,6 A. Rezystancja klucza zasilania Ron < 90 mV. W zależności od wersji układu, zadziałanie zabezpieczeń może być zatrzaskiwane w TPS25921L lub kasowane automatycznie w TPS25921A.

Układ jest szczególnie przydatny podczas uruchamiania układów prototypowych zasilanych z baterii lub akumulatorów oraz do zabezpieczenia zasilaczy niemających zabezpieczeń. Schemat ideowy modułu zabezpieczenia zasilania pokazano na rysunku 1. Napięcie zasilające jest doprowadzone do złącza IN, a stąd poprzez sterowany klucz (wyprowadzenia IN/OUT U1) do złącza wyjściowego. Oba wyprowadzenia są filtrowane kondensatorami C1, C2 i zabezpieczone przed przepięciami w długich przewodach zasilających diodami Schottky D1 oraz D2. Dioda FLT sygnalizuje aktywne zabezpieczenie. Podstawowym zabezpieczeniem zasilanego układu jest ograniczenie prądowe (ILim), którego wartość jest ustalana rezystorem R4, zgodnie ze wzorem R4= (I_LIMIT+0,018)/10,73×10^-3 [kV]. Wartość prądu ograniczenia powinna być o ok. 20% wyższa od ciągłego prądu pobieranego przez układ. W prototypie R4=62 kV, co odpowiada prądowi ok. 620 mA. Natężenie prądu I_FAST wykrywanego jako zwarcie wynosi I_FAST= 1,42×10^-2×R4+0,36 [kV]. Ten prąd w prototypie ustalono na 1,25 A. Układ realizuje także zabezpieczenia napięciowe:

− Wyprowadzenie ENUV, wyłączające klucz zasilania, gdy napięcie spadnie poniżej wartości ustalonej wewnętrznym progiem 4,26 V lub gdy napięcie na wyprowadzeniu ENUV jest mniejsze od 1,34 V.

− Wyprowadzenie OVP, wyłączające klucz zasilania, gdy napięcie na wyprowadzeniu przekroczy 1,39 V.

Oba napięcia mają histerezę ok. 50 mV. Odpowiednie progi zadziałania dobierane są rezystorami R1…R3. Jeżeli nie jest potrzebne zabezpieczenie podnapięciowe należy zewrzeć wyprowadzenie ENUV z IN zworą wlutowaną w miejsce R1. Jeżeli nie jest potrzebne zabezpieczenie OVP, można je wyłączyć, poprzez podłączenie OVP do masy zworą wlutowaną w miejsce R3.

W modelu R1=470 kV, R2=22 kV, R3=51 kV, UVLO wynosi ok. 10 V, a OVP ok. 15 V, co odpowiada niskiemu napięciu akumulatora żelowego 12 V oraz zabezpiecza zasilany układ przed skutkami uszkodzenia zasilacz buforowego, gdy napięcie na jego wyjściu przekroczy 15 V.

Ostatnią funkcją jest możliwość określenia czasu narastania napięcia wyjściowego (soft-start) podczas włączenia układu np. dla łagodnego naładowania pojemności obciążenia. Czas narastania określa kondensator podłączony do wyprowadzenia SS. Domyślnie, bez wlutowanego C1, napięcie narasta z szybkością 50 V/ms. Czas narastania określa wzór tss=20.6⁴×Vin×(C1+0,07). Należy zwrócić uwagę, że wydłużanie czasu narastania zwiększa traconą w U1 moc, co może doprowadzić do nieprawidłowej pracy.

Pomocnym przy obliczaniu wymaganych dla docelowej aplikacji wartości elementów jest przygotowany przez TI arkusz TPS25921x-Calculation Sheet V0p6.

Układ zmontowano na miniaturowej, dwustronnej płytce drukowanej. Rozmieszczenie elementów przedstawia rysunek 2.

Adam Tatuś, EP