Protection contre les surtensions pour le déchargement de charge automobile

L'article explique un circuit de protection contre les coupures de surtension sous la forme d'une charge de décharge automobile pour protéger l'électronique automobile moderne sensible et sophistiquée des pointes électriques CC transitoires émanant de l'électricité du véhicule.

Les tensions de bus transitoires sont un facteur de risque important pour les circuits intégrés. La tension de claquage maximale qu'un circuit intégré peut être spécifié pour tolérer est déterminée par son style et son approche de conception qui peuvent être principalement faibles pour les petits dispositifs CMOS.

Quelle est la tension transitoire

Les circonstances de surtension transitoires ou répétitives qui vont à l'encontre de la spécification de tension la plus élevée absolue d'un CI peuvent éventuellement endommager un appareil de manière irréversible.

La nécessité d'une sécurité contre les surtensions est particulièrement répandue dans les conceptions automobiles 12 V et 24 V dans lesquelles les transitoires de pointe de «décharge de charge» sont généralement aussi élevés que GOV. Certaines stratégies de sauvegarde de charge shuntent les transitoires d'entrée vers la terre via des dispositifs similaires aux diodes à avalanche et aux MOV.

La difficulté avec la méthode shunt est qu'une grande quantité d'énergie pourrait éventuellement finir par être traitée.

Techniques de shunt sont généralement indésirables s'il y a une obligation de fournir une protection continue pendant une situation de surtension (comme cela se produit avec une batterie double).

La conception

Le circuit de protection contre les surtensions pour le déchargement de charge automobile illustré à la figure 1 est un circuit de déconnexion en série ou de coupure en série parfait qui a été conçu pour protéger une charge de régulateur de commutation possédant une tension d'entrée optimale de 24 V.

Le circuit est conçu à partir d'appareils discrets économiques et utilise un seul Texas Instruments LMV431AIMF.

Etant donné que ce circuit utilise un dispositif de passage PFET (Q1), il peut y avoir une chute de tension directe marginale ou une perte de puissance associée.

Schéma

Figure 1

Courtoisie : Circuit de protection contre les surtensions pour le déchargement de charge automobile

Comment fonctionne la diode LM431AIMF

La référence adaptable LMV431AIMF (D1) fonctionne mieux pour cette situation simplement parce qu'elle permet un moyen peu coûteux de déterminer un point de déclenchement méticuleux et de surveiller la précision optimale de la température, ce qui devient assez difficile avec une diode Zener ou de même en utilisant d'autres options alternatives (1% pour le Version A, 0,5% pour la version B).

Pour préserver cette précision et cette fiabilité, les résistances R1 et R2 sont sélectionnées avec une tolérance de 1% ou une tolérance encore meilleure peut être recommandée.

Des tensions de référence variables peuvent généralement être mal envisagées. Prenons par exemple: 'Quel est ce troisième fil qui se termine par cette diode?'

Vous pouvez trouver de nombreux types de références de tension variable. Différents possédant une tension de réglage intégrée différente tandis que d'autres avec une polarité de direction de courant alternative.

Tous peuvent être identifiés avec un couple d'étages fondamentaux (et assez significatifs): une référence de tension de bande interdite précise et régulée en température, ainsi qu'un amplificateur d'erreur de gain (incorporé comme comparateur dans le circuit discuté).

La majorité des pièces présentent des résultats unipolaires en incorporant un collecteur ouvert ou un émetteur. La figure 2 indique conceptuellement ce à quoi on peut s'attendre à l'intérieur du Texas Instruments LMV431AIMF.

Calcul du seuil de coupure

La tension d'entrée est vérifiée et contrôlée par le LMV431 à l'aide de diviseur de tension R1 et R2. Le circuit détaillé dans la figure 1 est configuré pour s'activer à 19,2 V bien qu'une coupe arbitraire de niveau puisse être choisie, ce qui peut être déterminé en utilisant les équations suivantes:

Vtrip = 1,24 x (R1 + R2 / R1)

R2 = R1 (Vtrip / 1,24 - 1)

Comment ça fonctionne

La sortie du LMV431 diminue dès que la broche de référence réglée est détectée au-dessus de 1,24V. La cathode d'un LMV431 est capable de ramener à un niveau de saturation d'environ 1,2V.

Le niveau mentionné peut être juste suffisant pour désactiver Q2. Q2 a été principalement sélectionné à la main pour porter un seuil de porte élevé (> 1,3 V). Il n'est pas recommandé d'utiliser une substitution pour Q2 sans en tenir compte.

Les conditions de fonctionnement de la puce pour D1, Q2 et Q1 sont indiquées dans le tableau 1 pour la condition impliquant une coupure de point de 19,2V.

L'état de fonctionnement des circuits est détaillé sur la figure 3. On peut s'attendre à ce que la coupure de niveau se situe approximativement à 2,7 V à proximité du GOV. En dessous d'environ 2,7 V, le circuit peut être vu en train de passer en situation d'arrêt.

La raison en est l'absence de tension d'entrée suffisante pour niveler la grille aux seuils de source de Q1 et Q2.

Lorsqu'il est à l'état désactivé, le circuit offre environ 42 kQ à l'entrée (charge de repos à l'état désactivé). Les diodes Zener D2 et D3 sont cruciales pour limiter la grille de sur-tir aux tensions de source exprimées par Q et Q2 (qui peuvent ne pas être autorisées à dépasser 20V).

D3 empêche également la cathode de D de tirer au-dessus de sa limite spécifiée de 35V. La résistance Rd assure une polarisation compromise vers Q2 afin qu'elle puisse satisfaire la fuite de drain de Q2 dans la condition d'arrêt.

Il est important de surveiller la diode du corps en Q, cela implique qu'elle ne porte aucune protection à la charge pour une batterie mal connectée (tensions d'entrée de polarité opposée).

Pour être en mesure de garantir la condition d'une mauvaise polarité de la batterie, il peut être conseillé d'incorporer une diode de blocage ou un PFET alternatif renforcé (l'un derrière l'autre) peut également être nécessaire.

Le circuit peut être vu attribué à actionner instantanément bien que rétablisse les conditions plutôt lentement. Le condensateur C présente une décharge rapide vers le négatif via le LMV431 en même temps qu'une surtension est détectée.

Dès que la situation revient à la normale, la reconnexion est légèrement retardée par les variables de temporisation R3-C1.

Un nombre important de charges (qui peuvent être des régulateurs) utilisent des condensateurs d'entrée importants qui permettent au temps de retard du circuit de coupure de fonctionner en inhibant la vitesse de balayage transitoire.

Le modèle de fonctionnement du transitoire standard et la capacité disponible deviennent responsables fixent le temps de réponse du retard prévu.

La mise en œuvre d'arrêt du circuit de protection contre les surtensions proposé pour le déchargement de charge automobile a lieu en environ douze secondes. Les périodes de montée transitoire les plus élevées attendues sont contraintes à un niveau équilibré aux périodes mentionnées par C (charge).

Ce circuit a été vérifié avec un C (charge) de 1 pF. Une charge plus importante peut être essayée et est acceptable compte tenu de la présence de surtensions rapides et de transitoires d'impédance de source réduite.