آموزش مدار محافظ جریان و ولتاژ بیش از حد و قطبیت معکوس

در مدار های الکترونیکی استفاده از واحد حفاظتی برای محافظت از مدار در برابر ولتاژ و جریان بیش از حد ضروری است. همچنین محافظت در مقابل ولتاژ گذرا و قطبیت معکوس نیز الزامی است. بنابراین، برای محافظت از مدار در برابر این نوسانات، Richtek Semiconductor آی سی RT1720A را معرفی کرد که یک آی سی حفاظتی ساده شده است که برای رفع نیازها طراحی شده است. اندازه کوچک و کم هزینه بودن، این مدار را برای استفاده در بسیاری از پروژه های کاربردی مختلف و تعبیه شده ایده آل می کند.

بنابراین، در این مقاله، من قصد دارم این مدار حفاظتی را طراحی، محاسبه و آزمایش کنم.

آی سی RT1720

این یک آی سی حفاظتی کم هزینه است که برای ساده سازی پیاده سازی طراحی شده است. یک واقعیت جالب در مورد آی سی این است که اندازه این آی سی فقط 4.8 * 2.9 * 0.75 میلی متر است.

ویژگی های آی سی RT1720:

• محدوده عملکرد ورودی گسترده: 5 ولت تا 80 ولت
• رتبه بندی ولتاژ ورودی منفی به -60 ولت
• ولتاژ خروجی قابل تنظیم
• حفاظت از جریان بیش از حد قابل تنظیم
• تایمر قابل برنامه ریزی برای محافظت از خطا
• جریان خاموش شدن کم
• پمپ شارژ داخلی درایو N-MOSFET
• خاموش کننده سریع ماسفت 80 میلی آمپر برای اضافه ولتاژ
• نشانگر خطای خروجی

مدار محافظت ولتاژ و جریان بیشاز حد

همانطور که قبلا ذکر شد این مدار می تواند برای موارد زیر استفاده شود:

• سرکوبگر ولتاژ گذرا
• مدار حفاظت از اضافه ولتاژ
• مدار حفاظت از اضافه جریان
• مدار حفاظت از ولتاژ
• مدار حفاظت از قطبیت معکوس

قطعات مورد نیاز

این مدار حفاظتی چگونه کار می کند؟

اگر به شماتیک بالا دقت کنید، می توانید ببینید که دو ترمینال یکی برای ورودی و دیگری برای خروجی وجود دارد. ولتاژ ورودی از طریق ترمینال ورودی تغذیه می شود.

مقاومت 100 کیلو اهم پول آپ R8 پین SHDN را HIGH میکند. بنابراین این آی سی فعال میشود.

مقاومت 25mR R7 حد فعلی این آی سی را تعیین می کند. اگر می خواهید بدانید که چگونه من مقدار 25mR را برای مقاومت فعلی به دست آوردم، می توانید آن را در بخش محاسبات این مقاله پیدا کنید.

ترانزیستور T1، دیود D2، مقاومت R6 و MOSFET Q2 همه با هم مدار حفاظت از قطبیت معکوس را تشکیل می دهند. به طور کلی، هنگامی که ولتاژ به پایه VIN مدار اعمال می شود، ولتاژ ابتدا پایه SHDN را بالا می کشد و آی سی را از طریق پین VCC تغذیه می کند، سپس از طریق مقاومت حس R6 جریان می یابد، اکنون دیود D2 در شرایط بایاس forward است. ترانزیستور T1 را روشن می کند و جریان از ترانزیستور عبور می کند که باعث می شود ماسفت Q2 و Q1 روشن شوند. اکنون جریان می تواند درست از طریق ترانزیستور عبور کند.

اکنون هنگامی که یک ولتاژ معکوس به ترمینال VIN اعمال می شود، دیود D2 در شرایط بایاس معکوس است و اکنون نمی تواند از طریق ماسفت جریان یابد. مقاومت R3 و R4 یک تقسیم کننده ولتاژ را تشکیل می دهند که به عنوان فیدبک عمل می کند که محافظت از اضافه ولتاژ را ممکن می کند. اگر می خواهید بدانید که من چگونه مقادیر مقاومت را محاسبه کردم، می توانید آن را در بخش محاسبه این مقاله پیدا کنید.

MOSFET Q1 و Q2 یک سوئیچ بار N-MOSFET خارجی را تشکیل می دهند. اگر ولتاژ از ولتاژ تنظیم شده ای که توسط مقاومت بازخورد خارجی تنظیم شده است از ولتاژ آستانه فراتر رود، خط آی سی RT1720 با استفاده از ماسفت های سوئیچ بار خارجی تنظیم می شود، تا زمانی که تایمر قابل تنظیم خطا خاموش شود و ماسفت را خاموش کند تا از گرمای بیش از حد جلوگیری شود.

هنگامی که بار بیش از نقطه تنظیم جریان (تنظیم شده توسط مقاومت حس خارجی متصل بین SNS و VCC) می گیرد، آی سی سوئیچ بار MOSFET را به عنوان منبع جریان کنترل می کند تا جریان خروجی را محدود کند، تا زمانی که تایمر خطا خاموش شود. همچنین، خروجی FLT پایین می‌آید که نشان دهنده یک خطا است. سوئیچ بار ماسفت تا زمانی که VTMR به 1.4 ولت برسد روشن می‌ماند.

توجه: این آی سی می تواند ولتاژهای تغذیه معکوس تا 60 ولت را تحمل کند.

این مدار حفاظت از اضافه ولتاژ و جریان بیش از حد بر روی یک PCB دست ساز با کمک شماتیک ساخته شده است. اکثر اجزای مورد استفاده در این آموزش قطعاتی هستند که روی سطح نصب می شوند، بنابراین، PCB برای لحیم کاری و قرار دادن همه آن در کنار هم الزامی است.

توجه داشته باشید! تمام اجزا تا حد امکان نزدیک به هم قرار داده شدند تا ظرفیت خازنی، اندوکتانس و مقاومت کاهش یابد.

محاسبات

دیتاشیت این آی سی تمام جزئیات مورد نیاز برای محاسبه Fault Timer، حفاظت اضافه ولتاژ و حفاظت جریان اضافه برای این آی سی را در اختیار ما قرار می دهد.

محاسبه خازن تایمر خطا

در صورت بروز خطای طولانی، GATE به طور مکرر روشن و خاموش می شود. زمان‌های روشن و خاموش (tGATE_ON و tGATE_OFF) توسط جریان‌های شارژ و دشارژ TMR (iTMR_UP و iTMR_DOWN) و اختلاف ولتاژ بین آستانه‌های قفل و باز کردن TMR (VTMR_L – VTMR_UL) کنترل می‌شوند:

tGATE_ON = CTMR * (VTMR_L – VTMR_UL) / (iTMR_UP)
tGATE_ON = 4.7uF x (1.40V - 0.5V) / 25uA  = 169 mS
tGATE_OFF = CTMR * (VTMR_L – VTMR_UL) / (iTMR_DOWN)
tGATE_OFF = 4.7uF x (1.40V - 0.5V) / 3uA  = 1.41 S

محاسبه مقاومت حس جریان

مقاومت حس جریان را می توان با فرمول زیر محاسبه کرد:

Rsns = VSNS/ILIM 
          = 50mV / 2A = 25mR

توجه: مقدار 50mV توسط دیتاشیت داده شده است.

محاسبه حفاظت از بیش از حد ولتاژ

VOUT_OVP = 1.25V x (1+ R2/R1)
                     = 1.25 x (1+ 100k/10k)
                     = 1.25 x (11)
                     = 13.75V

تست مدار حفاظت از ولتاژ و جریان

برای تست مدار از ابزارها و تنظیمات زیر استفاده می شود:

• منبع تغذیه 12 ولت (SMPS)
• مولتی متر Meco 108B+
• اسیلوسکوپ کامپیوتر USB USB Hantech 600BE

برای ساخت مدار از مقاومت فیلم فلزی 1% استفاده می شود و تلرانس خازن ها در نظر گرفته نمی شود. دمای اتاق در طول آزمایش 22 درجه سانتیگراد بود.

برای تست مدار از تنظیمات زیر استفاده می شود.

برای تست، من از مبدل باک برای تغییر ولتاژ ورودی مدار استفاده کردم.

• مقاومت های قدرت 10 اهم به عنوان بار عمل می کنند.
• سوئیچ برای اضافه کردن سریع بار اضافی وجود دارد.
• Mecho 108B+ ولتاژ ورودی را نشان می دهد.
• Mecho 450B+ جریان بار را نشان می دهد.

اکنون همانطور که در تصویر بالا می بینید من ولتاژ ورودی را افزایش داده ام و آی سی شروع به محدود کردن جریان می کند زیرا اکنون در وضعیت خطا قرار دارد.

این یک آی سی بسیار مفید است و می تواند برای بسیاری از برنامه ها استفاده شود که برخی از آنها در زیر ذکر شده است:

• حفاظت از ولتاژ خودرو/اویونیک
• Hot-Swap/Live Insertation
• سوئیچ برای سیستم های باطری
• کاربردهای ایمنی
• حفاظت از قطبیت معکوس

امیدوارم این مقاله را دوست داشته باشید و چیز جدیدی یاد گرفته باشید. به خواندن ادامه دهید، به یادگیری ادامه دهید، به ساختن ادامه دهید و من شما را در پروژه بعدی خواهم دید.