Articolo tecnico
Aggiungi protezione da cortocircuito al tuo convertitore boost
20 novembre 2015 da David Knight
Il convertitore boost è un convertitore CC-CC utilizzato per creare una tensione di uscita superiore alla
tensione di ingresso. I convertitori boost sono anche utilizzati per pilotare i LED inseriti in serie in prodotti
come le torce a LED. Il convertitore boost soffre di vulnerabilità a un carico di corto circuito. Scopri come
proteggerli dai pantaloncini!
Il convertitore boost è un convertitore CC-CC utilizzato per creare una tensione di uscita superiore alla tensione di ingresso. I convertitori boost sono anche utilizzati per
pilotare i LED inseriti in serie in prodotti come le torce a LED. Il convertitore boost soffre di vulnerabilità a un carico di corto circuito. Questo documento discute il motivo
per cui i convertitori boost sono vulnerabili ai cortocircuiti, i modi per proteggere un convertitore boost dai cortocircuiti e i convertitori di elettronica di potenza alternativa
che non hanno una vulnerabilità di corto circuito che può essere utilizzata al posto del convertitore boost.
Introduzione al convertitore boost
Come precedentemente affermato, un convertitore boost produce una tensione di uscita superiore alla tensione di ingresso. Esempi di convertitori boost sono i seguenti:
Produzione di porte di ricarica da 5 V in una batteria al litio
Produzione di power rail in uno smartphone.
Guida dei LED in serie in una lanterna o una torcia a LED.
Un regolatore di tensione in un progetto basato su Arduino.
Creazione di un'alta tensione per far funzionare un motore da una batteria al litio a cella singola.
La Figura 1 è uno schema semplificato di un convertitore boost. È un semplice circuito costituito da condensatori, un induttore, un MOSFET e un diodo. L'uscita è
controllata attraverso un circuito di feedback chiuso (non mostrato per semplicità) controllando il ciclo di lavoro o la percentuale di tempo in cui il MOSFET è acceso. La
funzione di trasferimento o rapporto tra la tensione di uscita e la tensione di ingresso è $ Vout / Vin = 1 / (1-D), dove Vout è la tensione di uscita, Vin è la tensione di
ingresso e D è il ciclo di lavoro. Un vero convertitore boost avrebbe un chip controller PWM, che non è mostrato in figura 1.
Figura 1: schema semplificato di un convertitore boost
Notare che se il terminale di uscita del convertitore boost è cortocircuitato a massa, la tensione di ingresso viene messa a terra attraverso l'induttore e il diodo. Non c'è nulla
che limiti la corrente che fluirà tranne la resistenza del filo e il limite di corrente della fonte di alimentazione collegato alla tensione di ingresso. Il convertitore boost non
funzionerà con il diodo, l'induttore o le tracce che prendono fuoco, si sciolgono o altri tipi di guasti catastrofici se non vengono prese misure per proteggere il convertitore
boost.
Strategia di protezione generale
La strategia di protezione generale delineata in questo documento è quella di introdurre un interruttore tra la fonte di alimentazione e il convertitore boost che viene
utilizzato per scollegare il convertitore di spinta dalla fonte di alimentazione in caso di una condizione di carico di corto circuito. Questo interruttore può essere realizzato
come un MOSFET, un interruttore di carico, un circuito integrato del convertitore boost con un interruttore di protezione incorporato o un fusibile.
Protezione con un MOSFET
Un MOSFET aggiunto nella parte anteriore del convertitore boost può essere utilizzato per scollegare la fonte di alimentazione dal convertitore boost. Vedere le figure 2 e 3
per schemi semplificati. Il MOSFET potrebbe richiedere circuiti aggiuntivi per polarizzare il gate. Un MOSFET a canale n richiede che la sua tensione di gate sia superiore
al suo terminale di sorgente. Ciò può richiedere un IC driver di gate o una pompa di carica. Un MOSFET a canale p richiede che il gate sia tirato sotto il suo terminale di
sorgente. Se la tensione di ingresso è sufficientemente elevata, la porta di un MOSFET a canale p può essere tirata a terra per accendere il MOSFET. Per questo motivo,
l'utilizzo di un MOSFET a canale p può essere la scelta più semplice e facile. Si noti che in entrambi gli schemi il diodo del corpo MOSFET punta dal convertitore boost
alla fonte di alimentazione in modo che la corrente sia bloccata, a meno che il MOSFET non sia acceso.
Quando si sceglie un MOSFET per questa applicazione, la valutazione della tensione di drain-source, RDS (ON) e la soglia di tensione del gate sono figure importanti da
considerare. La tensione nominale della sorgente di drenaggio dovrebbe essere di alcune tensioni superiore alla massima tensione di ingresso. La resistenza sullo stato
dovrebbe essere abbastanza bassa da non generare molte perdite $ P = I2R $. La tensione della soglia del gate deve essere sufficientemente bassa da consentire l'accensione
e lo spegnimento del MOSFET.
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Figura 2: Schema semplificato di un convertitore boost con un MOSFET a canale n tra la fonte di alimentazione e l'ingresso del convertitore boost per la protezione da corto circuito.
Figura 3: Schema semplificato di un convertitore boost con un MOSFET a canale p tra la fonte di alimentazione e l'ingresso del convertitore boost per la protezione da cortocircuito.
Protezione con un interruttore di carico
Un interruttore di carico è un MOSFET di potenza con circuiti aggiuntivi integrati. Altre caratteristiche possono includere una pompa di carica e un cambio di livello per
sollecitare il gate MOSFET e anche funzioni di protezione da sovracorrente che disattivano l'interruttore se la corrente è eccessiva. L'uso di un interruttore di carico presenta
i seguenti vantaggi rispetto all'utilizzo di un MOSFET:
Riduce il conteggio DBA
Riduce l'impronta del PCB
Riduce la complessità del design, poiché non è necessario aggiungere ulteriori circuiti di controllo.
Figura 4 : Schema semplificato di un convertitore boost con un interruttore di carico sull'ingresso per la protezione da corto circuito.
Potenzia i controller dei convertitori con protezione integrata
I pratici convertitori boost sono controllati da un circuito integrato che regola la conversione di potenza. Alcuni di questi circuiti di controllo del convertitore boost hanno
meccanismi di protezione integrati come interruttori di carico. L'uso di un controller con protezione integrata semplifica la progettazione, riduce il conteggio delle distinte
materiali e riduce la rumorosità del circuito stampato . Esame ples di spinta convertitore IC che includono funzioni di protezione sono Texas Instruments' LM4510 e
TPS61080.
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Figura 5: esempio semplificato di un CI convertitore boost con protezione integrata
Protezione con fusibile
Un fusibile può essere posizionato sull'ingresso o sull'uscita di un convertitore boost per proteggere dalle condizioni di carico da corto circuito. Vedere la figura 6 per un
esempio di come eseguire questa operazione.
Figura 6: protezione con fusibili sull'ingresso o sull'uscita del convertitore boost. Si noti che gli interruttori di carico e i circuiti di protezione MOSFET possono anche essere posizionati tra l'uscita del
convertitore boost e il carico, come illustrato dai circuiti di protezione dei fusibili.
L'autore consiglia di utilizzare gli altri approcci descritti in questo articolo perché il design con una miccia è più problematico. Se si verifica una condizione di corto
circuito, il fusibile si brucia e deve essere sostituito. I circuiti costruiti con MOSFET di protezione extra, interruttori di carico o protezione integrata non richiedono la
sostituzione di alcun componente se i convertitori funzionano correttamente. Questi design consentiranno all'utente finale di risparmiare tempo e denaro per sostituire i
fusibili bruciati. Inoltre, i fusibili non scattano rapidamente come ci si aspetterebbe dalla lettura del foglio dati. Ciò può provocare la combustione di componenti e tracce
prima che il fusibile si bruci. I progetti che utilizzano MOSFET, interruttori di carico e circuiti integrati con protezione integrata possono disconnettersi dai carichi in
microsecondi o più velocemente, fornendo ulteriore sicurezza e robustezza per il circuito. Tuttavia,
Conclusione
Il convertitore boost viene utilizzato ovunque ma soffre di vulnerabilità ai carichi di corto circuito. Questo documento ha discusso diversi approcci per aggirare questa
vulnerabilità, incluso l'uso di MOSFET, interruttori di carico, circuiti integrati con protezione integrata e fusibili per scollegare il convertitore di potenza in caso di
cortocircuito.
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