Protezione da sovratensione

Benvenuti a un nuovo appuntamento con la rubrica Firmware Reload. Analizziamo in questo articolo alcuni dispositivi di protezione contro i picchi di tensione, che garantiscono un funzionamento affidabile in presenza di brusche variazioni di corrente.

Nei settori automotive, industriale ed aeronautico è normale che si verifichino picchi di corrente ad alta tensione che possono durare da pochi microsecondi a centinaia di millisecondi. In molti casi i dispositivi elettronici di questi sistemi, oltre a resistere a picchi di tensione transitoria, devono funzionare in modo affidabile per tutto l’evento. Nei sistemi in cui l’alimentazione viene distribuita attraverso cavi lunghi, le brusche variazioni della corrente di carico generano gravi transienti. Le variazioni di carico negative si verificano quando la corrente di carico passa da un valore alto ad uno basso.

Le variazioni negative nella corrente (dI/dt) fanno sì che l’induttanza parassita del cavo generi un picco di alta tensione positivo che può danneggiare i dispositivi adiacenti alimentati con lo stesso cavo. Valori elevati di dI/dt vengono generati da una veloce commutazione del carico dovuta, ad esempio, a relé, contatti di interruttore e commutazione del carico a stato solido. Le connessioni corrose tra una fonte di alimentazione e un carico, possono portare a una brusca interruzione del flusso di corrente e ad un valore elevato di dI/dt. L’esempio migliore di questa condizione è rappresentato dal load dump nelle automobili, per cui si verifica un’improvvisa interruzione del collegamento con la batteria, dovuta a vibrazioni o morsetti corrosi. Il load dump genera un picco di tensione che permane per centinaia di millisecondi (Figura 1).

Figura 1: tipica forma d’onda del load dump

Secondo la SAE (Society of Automotive Engineers) l’ampiezza del transiente può arrivare a 125 V. Il profilo di un load dump tipico ha un tempo di salita di 5 millisecondi e decade in modo esponenziale con una costante di tempo di 200 ms. Nei sistemi industriali, eventi di questo tipo possono essere causati dalla rigenerazione di solenoidi e motori. I circuiti elettronici sono ormai diffusissimi nelle automobili e devono essere affidabili. Inoltre, dispositivi elettronici di consumo quali smartphone, laptop, lettori MP3, sistemi GPS e dispositivi di inserimento dati che si caricano attraverso l’accendisigari dell’auto, devono proteggere i propri prodotti sia da transienti ripetuti che da picchi di tensione imprevisti. Una protezione inadeguata da transienti ad alta tensione può comportare un peggioramento delle prestazioni, guasti e costose sostituzioni.

Questi transienti pongono una difficile sfida ai progettisti ai quali interessa proteggere l’elettronica sensibile. In passato, tale protezione si otteneva usando grandi condensatori, diodi TVS e fusibili, una soluzione discreta che occupa molto spazio e può risultare poco pratica. Linear Technology (Analog Devices) ha presentato per la prima volta il surge stopper LT4356 nel 2007 proprio per affrontare queste sfide. L’LT4356 funziona in un range di tensioni compreso tra 4 V e 80 V e fornisce protezione in caso di inversione sui pin in ingresso a -60 V. Durante un transiente di sovratensione, l’uscita viene bloccata su una tensione predefinita mediante la rete di partitori resistivi sull’uscita. L’LT4356 è in grado di sopprimere picchi >100 V purché un resistore e un diodo TVS vengano usati sull’ingresso per evitare di superare la tensione di esercizio massima assoluta (Figura 2).

Figura 2: l’LT4356 resiste a 150 V in ingresso

Dato che i circuiti di rilevamento della corrente si trovano a monte del MOSFET, la protezione dalla sovracorrente deve essere disattivata se il dispositivo viene usato per proteggere da transienti superiori a 100 V. Analog Devices ha aggiunto due nuovi dispositivi alla famiglia di surge stopper, l’LTC4366, surge stopper fluttuante ad alta tensione, e l’LT4363, surge stopper ad alta tensione con protezione dalla sovracorrente. L’LTC4366 è progettato per sistemi che funzionano in continuo con tensioni superiori ai 100 V o dove occorre una protezione da transienti di tensione particolarmente elevati (>200 V) (Figura 3).

Figura 3: LTC4366, surge stopper fluttuante ad alta tensione

L’LT4363 è la versione di seconda generazione del famoso LT4356 e sposta il rilevamento della sovracorrente a valle del pass FET in modo da garantire la protezione dalla sovracorrente, pur resistendo a transienti di tensione maggiori di 100 V (Figura 4).

Figura 4: LT4363 surge stopper ad alta tensione

Ma, come per l’LT4356, il valore massimo assoluto per l’LT4363 è 100 V, quindi l’ingresso va protetto da transienti ad alta tensione >100 V usando un resistore e un diodo TVS, come indicato nella Figura 3. Invece, l’LTC4366 utilizza una topologia fluttuante; resistori esterni per la caduta di tensione consentono al dispositivo di variare con l’alimentazione, isolandolo da picchi di alta tensione. Il limite superiore sulla tensione di esercizio dipende dalla disponibilità dei resistori ad alto valore e dal MOSFET che deve avere dimensioni tali da consentirgli di gestire la potenza dissipata durante la regolazione della tensione.

CARATTERISTICHE E VANTAGGI:

L’LT4363 e l’LTC4366 hanno in comune alcune caratteristiche. Di seguito un elenco delle funzioni e dei vantaggi offerti dai due dispositivi.

Ampio range di tensioni di esercizio

L’LT4363 offre un ampio range di tensioni di esercizio (da 4 V a 80 V) e consente il funzionamento continuo in condizioni di avviamento a freddo dove la tensione della batteria può essere di soli 4 V. Il dispositivo può essere usato anche come controller nelle applicazioni Hot Swap™ ed è in grado di resistere a tensioni transitorie superiori a 100 V, purché vengano utilizzati un diodo TVS e un resistore per proteggerlo in caso di superamento della soglia massima di 100 V. Il range di tensioni dell’LTC4366, compreso tra 9 V e >500 V, consente al dispositivo di funzionare sfruttando una topologia fluttuante. La tensione massima è limitata solo dalla disponibilità di resistori ad alto valore e dai valori del MOSFET. Mentre l’LTC4366 non può essere usato nelle applicazioni con avviamento a freddo, molti sistemi automotive non devono essere attivi durante l’accensione (infotainment, GPS).

Protezione ben regolata dalle sovratensioni

Protegge l’elettronica di sicurezza a valle. La tensione di limitazione sull’uscita regolabile garantisce flessibilità per controllare il livello della tensione di limitazione sull’uscita mentre si supera il transiente. Nelle applicazioni a bassa tensione questo rende superflui i componenti ad alta tensione a valle, con conseguente riduzione dei costi. L’LT4363 offre anche ingressi per comparatori di sovratensione e sottotensione che impediscono l’auto-retry se la tensione in ingresso eccede queste soglie regolabili. Sia l’LT4363 che l’LTC4366 offrono lunghi periodi di raffreddamento tra un auto-retry e l’altro, il che consente di ridurre la potenza dissipata nel pass FET esterno in caso di guasti.

Timer regolabile per l’identificazione dei guasti

L’LT4363 e l’LTC4366 offrono un timer regolabile che limita la dissipazione di potenza sul pass FET. In caso di guasto, l’LT4363 e l’LTC4366 utilizzano una corrente per caricare il condensatore sul pin TIMER, il che consente di utilizzare MOSFET SOA a tensione inferiore. Nessun altro prodotto della concorrenza offre un timer regolabile di questo tipo.

Indicatore di guasti su uscite

L’LT4363 offre un’uscita Fault che segnala un’imminente disattivazione dovuta a un guasto per sovratensione o sovracorrente.

Protezione dalla sovracorrente

L’LT4363 dispone di un limite di corrente regolabile che protegge da cortocircuiti o correnti di carico eccessive. La caduta di tensione viene monitorata mediante un resistore esterno sull’uscita che protegge in caso di guasti dovuti a sovracorrente. Durante un evento di sovracorrente il pin GATE viene regolato in modo da limitare la corrente in questo resistore. La carica del pin TIMER viene accelerata con l’aumentare della tensione nel MOSFET il quale viene disattivato più rapidamente perché, in questo caso, la potenza dissipata è maggiore.

Limitazione della corrente di picco

Elimina i picchi di corrente che, attraverso il MOSFET, arrivano all’uscita durante l’accensione, con controllo dello slew rate del pin GATE.

Protezione in caso di inversione degli ingressi a -60 V

L’LT4363 è progettato per resistere a tensioni inverse fino a -60 V senza danneggiare sé stesso o il carico (usando un FET back-to-back). In questo modo non occorre più il diodo di blocco che provoca un’ulteriore perdita di potenza, genera calore e riduce il range di tensioni di alimentazione disponibili. Durante l’avviamento a freddo un’ulteriore caduta di tensione è particolarmente sgradita.

Bassa corrente di arresto (<20 uA)

Impedisce che la batteria si scarichi quando l’auto rimane ferma per lunghi periodi. Alle applicazioni portatili garantisce un eccellente risparmio energetico e una maggiore durata delle batterie.

Forte corrente di sink sul gate

Il pull-down della corrente (>150 mA) sul GATE, in caso di guasto, garantisce un tempo di risposta rapido.

Temperature di esercizio da -40o °C a +125 °C

Il range di temperature consente l’utilizzo in applicazioni automotive e industriali. Contattare Analog Devices per maggiori informazioni sulle versioni in plastica a -55o °C per il settore militare.

MERCATI DI DESTINAZIONE

I dispositivi di protezione contro i picchi di tensione di AnalogDevices suscitano molto interesse nei settori industriale, aeronautico e automotive perché sono in grado di garantire una solida protezione front-end dalle sovratensioni pur offrendo una soluzione molto compatta. L’LTC4366 viene utilizzato in prodotti quali pile a combustibile, sistemi industriali e militari e distribuzione DC ad alta tensione nei server. L’LT4363 viene utilizzato in tutti i prodotti che funzionano a batteria o con alimentazioni non corrette, destinati ai settori consumer, automotive, industriale, aeronautico, comunicazioni e militare.