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DN497 Linear: come proteggersi dalle sovratensioni e dalle tensioni inverse

DN497

Che cosa succederebbe se qualcuno applicasse una tensione di 24V ai vostri circuiti funzionanti a 12V? E se le linee di alimentazione e di massa fossero inavvertitamente invertite, il circuito sarebbe ancora in grado di sopravvivere? I vostri circuiti devono operare in ambienti particolarmente ostili dove la tensione di alimentazione può assumere valori tropo elevati o troppo bassi? Anche se questi eventi possono esembrare improbabili, uno solo di essi è sufficiente a distruggere un circuito.

Per bloccare le tensioni di alimentazione negative, i progettisti hanno tradizionalmente utilizzato un diodo di potenza oppure un MOSFET a canale-P collegato in serie con l'alimentazione. Tuttavia, i diodi presentano lo svantaggio di occupare uno spazio significativo sulla scheda, e dissipano una potenza considerevole quando la corrente di carico è elevata. La soluzione basata sul MOSFET a canale-P dissipa una potenza inferiore rispetto a quella del diodo, ma sia il MOSFET che i componenti addizionli richiesti per pilotarlo fanno lievitare i costi. Entrambe queste soluzioni, quindi. presentano degli svantaggi, e nessuna di esse offre protezione contro le sovratensioni, un tipo di protezione che richiede altri componenti, incluso un comparatore di alta tensione e una pompa di carica.

Protezione da sovra/sotto-tensione e tensione inversa

Linear Tecnology offre una soluzione in grado di attuare questi tipi di protezione basata sul componente LTC4365, in grado di proteggere i circuiti in modo robusto ed elegante dalle tensioni di alimentazione negative o troppo alte. L'LTC4365 è in grado di bloccare le tensioni positive superiori a 60V e quelle negative inferiori a -40V: soltanto le tensioni che rientrano in un range di valori non pericolosi possono essere pertanto applicate al carico. Gli unici componenti attivi esterni richiesti dalla soluzione basata sull'LTC4365 sono un MOSFET a doppio canale-N collegato tra la linea di tensione di alimentazione "non protetta" ed il carico. L'immagine seguente mostra un circuito applicativo completo con funzionalità di protezione dalle sovra- e sotto-tensioni e tensioni inverse. Il circuito rappresenta un'applicazione tipica nel campo automotive (alimentazione a 12V).

Un partitore resistivo permette di impostare i valori di soglia per i punti di sovratensione (OverVoltage, o semplicemente OV), sottotesnione (UnderVoltage, o semplicemente UV) al di fuori dei quali il carico viene scollegato dalla tensione di alimentazione VIN. Il MOSFET a doppio canale-N blocca le tensioni sia positive che negative presenti su VIN. La minima tensione controllabile dall'LTC4365 è pari a 2,5V, mentre quella massima è pari a 34V, per cui i valori di soglia UV e OV posson essere selezionati in un punto qualunque tra questi estremi. Non sono richiesti diodi di clamping sull'ingresso VIN, semplificando considerevolmente il progetto del circuito.

All'interno dell'LTC4365 sono presenti due comparatori molto accurati (precisione pari a ±1.5%) che eseguono il monitoraggio continuo delle condizioni di sottotensione (UV) e sovratensione (OV) presenti sull'ingresso VIN. Se la tensione in ingresso supera la soglia di OV o scende al di sotto della soglia UV, il gate del MOSFET esterno viene subito disabilitato. Il partitore resistivo esterno consente all'utente di selezionare un range di tensione in ingresso compatibile con il carico presente su VOUT. Inoltre, gli ingressi OV e UV del componente presentano una corrente di leakage molto bassa (inferiore a 1µA alla temperatura di 100°C), consentendo di utilizzare valori molto elevati nel partitore resistivo esterno.

Questa immagine mostra come il circuito presentato nell'immagine precedente reagisce quando la tensione in gresso VIN varia tra -30V e +30V. Le soglie di UV e OV sono impostate, rispettivamente, ai valori 3,5V e 18V. Quando la tensione in ingresso si mantiene all'interno di questo range, VOUT "segue" VIN. Quando invece si trova al di fuori della finestra, l'LTC4365 spegne il MOSFET a canale-N, scollegando l'uscita VOUT dall'ingresso VIN, anche quando VIN è negativa.

L'LTC4365 utilizza un inedito circuito di protezione dalle tensioni negative. Quando infatti il componente rileva una tensione negativa sull'ingresso VIN, il pin di GATE viene immediatamente collegato all'ingresso VIN.

L'immagine seguente mostra cosa avviene quando a VIN viene applicata una tensione pari a -20V. I segnali VIN, VOUT, e GATE partono dal valore GROUND fino al momento in cui la tensione -20V viene applicata all'ingresso VIN. A causa dell'induttanza parassita dei collegamenti VIN e GATE, la tensione presente sui pin VIN e GATE scende significativamente al di sotto di -20V. Il MOSFET esterno deve avere una tensione di breakdown in grado di sopportare questo valore eccessivo di tensione. La velocità del circuito di protezione dalle tensioni inverse è misurata da quanto il pin di GATE riesce a "seguire" il pin VIN durante il transiente negativo. I due segnali sono praticamente indisinguibili con il tipo scala utilizzato nell'immagine seguente.

Dopo che si è verificata una condizione di UV o OV (oppure dopo che la tensione VIN è diventata negativa), la tensione in ingresso deve riportarsi ad un valore compreso nel range ammissibile per almeno 36ms, prima che il MOSFET esterno ritorni operativo. Questo espediente permette di bloccare le tensioni alternate non raddrizzate con frequenza di 50 o 60 Hz.

Concludendo, possiamo affermare che il controllore LTC4365 permette di proteggere i circuiti sensibili dai fenomeni di overvoltage, undervoltage, e inversione della tensione di alimentazione senza richiedere l'utilizzo di diodi. La soluzione innovativa di Linear Technology è semplice, immediata, e occupa pochissimo spazio senza richiedere componenti esterni ingrombanti. I package disponibili sono un DFN a 8-pin da 3mm × 2mm e un TSOT-23. L'LTC4365 ha un range operativo di tensioni compreso tra 2,5V e 34V, e consuma soltanto 10?A nello stato di shutdown.

LTC4365

I prodotti Linear Technology sono disponibili da Farnell in 24h

Linear Technology

 

 

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ritratto di Bazinga

Ottimo articolo

Molto interessante, soluzione integrata di quanto spesso si realizza a componenti.
Da sperimentare, budget permettendo.

ritratto di slovati

Il prezzo del componente, con

Il prezzo del componente, con un ordine di pochi esemplari, è dell'ordine di qualche euro. E' ottimo per proteggere i circuiti alimentati dalla batteria dell'auto e per i circuiti di un certo valore alimentati a batteria (può capitare a tutti di invertire per sbaglio le batterie).

 

 

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