Gestione dell’inrush e della protezione dei sistemi elettrici

I metodi di protezione dei circuiti elettronici e di gestione dell'inrush al power-on si sono notevolmente evoluti, rispetto ai semplici fusibili utilizzati un tempo ora si utilizzano soluzioni molto più complesse come per esempio Mosfet a canale P. Questo tipo di soluzioni sono in grado sia di gestire il problema delle correnti di inrush, sia di funzionare come "pass element" quando si porta il FET a lavorare nella sua SOA (Safe Operating Area). Queste soluzioni consentono di avere un controllo migliore del sistema e anche la possibilità di fornire informazioni utili alla diagnostica. In questo articolo discuteremo proprio di una soluzione indicata per la protezione del sistema e la gestione della fase di inrush.

SEMPLICE PROTEZIONE DEL SISTEMA

La più semplice forma di protezione per un circuito elettronico è rappresentata da un fusibile opportunamente dimensionato. Quando si sceglie un fusibile per una specifica applicazione o scheda elettronica, il problema è trovare quello giusto, esistono i fast blow, slow blow, i poly, e pure gli smart fuse. La ragione per cui esistono così tanti modelli è fondamentalmente perché ognuno racchiude un problema.

I Fast blow fuse, o fusibili rapidi come vengono anche chiamati, hanno la particolarità di aprirsi velocemente, questo li rende soggetti ad una maggiore facilità di interruzione, ma di conseguenza anche ad un potenziale ritorno dal campo di molti prodotti. Solitamente, per questo, vengono dimensionati almeno al doppio della corrente nominale. Ossia per un applicazione da 5A il fusibile va dimensionato almeno a 10A per evitare false interruzioni.
Gli Slow blow fuse, al contrario, impiegano un maggior tempo per aprirsi, ma fondamentalmente continuano a risentire dello stesso problema dei Fast, perciò anche per questi un sovradimensionamento del 200% è consigliato.
I Poly fuse hanno la caratteristica interessante di potersi ripristinare se il guasto che ha generato l'interruzione si risolve, tuttavia il successivo trip point, ossia il punto nel quale la corrente è tale da generare l'interruzione, sarà inferiore e quindi più facilmente raggiungibile. Per questo la probabilità di interruzioni aumenta nella vita del componente.
Gli Smart fuse sono fusibili a tre terminali che possono interrompersi a comando oppure in conseguenza ad una passaggio di corrente eccessivo. Sono più costosi dei fratelli e hanno lo svantaggio di richiedere una tensione sufficientemente alta per poter interrompere con certezza, altrimenti non si "fondono" completamente con tutti i problemi che ne conseguono.
Tutte queste soluzioni hanno inoltre due problemi principali:

  1. non limitano le correnti di inrush al power-on o al brown-out;
  2. a causa del sovradimensionamento necessario  non assicurano una protezione tale da garantire che la circuiteria a valle non si guasti anch'essa.

GESTION DELL'INRUSH

La principale causa di interruzione dei fusibili sono le correnti di inrush. Un metodo low-cost per ridurre le correnti di inrush è quello di figura 1, utilizzando un FET a canale P, un paio di resistenze e una capacità.

 figure_01x600Figura 1: Semplice soluzione per limitare le correnti di inrush

Ovviamente questo circuito inizia a funzionare nel momento in cui una tensione in ingresso è presente, a valle quindi è bene collocare l'opportuna circuiteria che produca un segnale di power good. Una semplice implementazione di tutto ciò si può vedere in figura 2, dove si è utilizzato un comparatore a finestra come il TPS3700 per verificare che la tensione di ingresso sia nel range valido. L'uscita del comparatore avrà il compito di abilitare il pass FET Q1. Nell'esempio la tensione di ingresso di 12V viene ritenuta valida se compresa tra 10.8V e 13.2V.

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Figura 2: Utilizzo di un comparatore a finestra a valle del circuito di inrush.

il circuito di figura 2 ha comunque ulteriori problemi:

  1. A seconda della capacità di carico, la SOA del FET potrebbe essere violata.
  2. Una volta che Q1 è attivo non c'è nulla che mi consente di limitare la corrente nel carico.
  3. Se il carico è in corto circuito molto probabilmente il FET si brucerà, in modo ancor più rapido di un fusibile. per questo anche il FET necessita di un sovradimensionamento.

Esistono dei metodi molto migliori per proteggere il sistema allo startup e nel caso di fault.

PROTEZIONE DEL SISTEMA E GESTIONE DELLA CORRENTE DI INRUSH

Quello che serve per risolvere i problemi di protezione e inrush è un controller intelligente. Sul mercato si trovano tantissimi dispositivi che fanno tutto ciò e solitamente vengono chiamati hot swap controller. Il nome deriva dalla loro possibilità di essere impiegati per implementare la funzionalità di "inserimento a caldo" ma, anche utilizzati al di fuori di quel contesto, permettono di risolvere i problemi di protezione e inrush.

CIRCUIT BREAKER

Esistono due classi fondamentali di hot-swap controller. La prima sono i Circuit Breaker. Questi consentono tramite il controller di far assorbire al sistema una corrente maggiore di quella prestabilita solamente per un determinato lasso di tempo. Questo tempo viene impostato attraverso una capacità esterna. Ovviamente questo tipo di funzionamento (a fusibile) permette di avere elevate correnti di inrush, per limitare il problema sul gate del pass-element viene collocata una rete RC per rallentarne l'accensione. Questo minimizza l'inrush ma porta il FET a lavorare fuori dal normale range di SOA. Il circuito di figura 3 mostra un esempio di questo tipo: RGATE e C1 sono utilizzati per rallentare M1.

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Figura 3: Circuit Breaker con controllo della corrente di inrush.

 Per le applicazioni che utilizzano questo tipo di controller è tollerato che la corrente ecceda una soglia di guasto per un tempo preimpostato, prima di segnalare la condizione di guasto. Questa modalità è utilizzata nei server e nei driver di hard disk, dove i transitori di corrente possono eccedere le soglie nominali. Quando vengono utilizzati questi tipi di controllori [...]

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