Implementación de protección actual de hardware

Hoy, mi artículo será de naturaleza puramente teórica, o más bien, no tendrá "hierro" como en los artículos anteriores, pero no se desanime, no se ha vuelto menos útil. El hecho es que el problema de proteger los componentes electrónicos afecta directamente la confiabilidad de los dispositivos, sus recursos y, por lo tanto, su importante ventaja competitiva: la capacidad de otorgar una garantía larga en los productos . La implementación de la protección concierne no solo a mi electrónica de potencia favorita, sino a cualquier dispositivo en principio, por lo que incluso si está diseñando embarcaciones IoT y tiene una capacidad modesta de 100 mA, aún necesita comprender cómo garantizar el funcionamiento sin fallas de su dispositivo.

La protección actual o la protección contra cortocircuitos (cortocircuito) es probablemente el tipo más común de protección porque la negligencia en este asunto causa consecuencias devastadoras en el sentido literal. Por ejemplo, propongo mirar el regulador de voltaje, que se entristeció por el cortocircuito que surgió:



El diagnóstico aquí es simple: se produjo un error en el estabilizador y comenzaron a fluir corrientes ultra altas en el circuito, para bien, la protección debería haber apagado el dispositivo, pero algo salió mal. Después de leer el artículo, creo que usted mismo puede adivinar cuál podría ser el problema.

En cuanto a la carga en sí ... Si tiene un dispositivo electrónico del tamaño de una caja de cerillas, no hay tales corrientes, entonces no piense que no puede ponerse tan triste como el estabilizador. ¿Seguramente no quieres quemar paquetes de chips por $ 10-1000? Si es así, ¡lo invito a que se familiarice con los principios y métodos para combatir los cortocircuitos!

Propósito del artículo.

Centro mi artículo en personas para quienes la electrónica es un pasatiempo y desarrolladores principiantes, por lo que todo se contará "con los dedos" para una comprensión más significativa de lo que está sucediendo. Para aquellos que quieren habilidades académicas, vamos a leer cualquier libro de texto universitario sobre ingeniería eléctrica + los "clásicos" de Horowitz, Hill, "El arte de la ingeniería de circuitos".

Me gustaría decir por separado que todas las soluciones serán hardware, es decir, sin microcontroladores y otras perversiones. En los últimos años, se ha puesto de moda programar donde sea necesario y no necesario. A menudo observo la "protección" por la corriente, que se implementa mediante la medición trivial del voltaje del ADC por algún arduino o microcontrolador, y luego los dispositivos aún fallan. ¡Te aconsejo encarecidamente que no hagas lo mismo! Te contaré más sobre este problema con más detalle.

Un poco sobre las corrientes de cortocircuito.

Para comenzar a idear métodos de protección, primero debe comprender con qué estamos luchando. ¿Qué es un cortocircuito? Aquí la ley favorita de Ohm nos ayudará, consideremos el caso ideal:



Es simple? En realidad, este circuito es el circuito equivalente de casi cualquier dispositivo electrónico, es decir, hay una fuente de energía que lo da a la carga, y se calienta y hace algo o no hace algo.

Estamos de acuerdo en que la potencia de la fuente permite que el voltaje sea constante, es decir, "no se caiga" bajo ninguna carga. Durante el funcionamiento normal, la corriente que actúa en el circuito será igual a:

$$

$$I = U / R$$

Ahora imagine que el tío Vasya dejó caer una llave inglesa en los cables que van a la bombilla y nuestra carga disminuyó 100 veces, es decir, en lugar de R se convirtió en 0.01 * R y con la ayuda de cálculos simples obtenemos una corriente 100 veces más. Si la bombilla consumió 5 A, entonces la corriente de la carga se eliminará a aproximadamente 500 A, que es suficiente para derretir la llave del tío Vasya. Ahora una pequeña conclusión ...

Cortocircuito : una disminución significativa en la resistencia de carga, lo que conduce a un aumento significativo en la corriente en el circuito.

Debe entenderse que las corrientes de cortocircuito suelen ser cientos y miles de veces mayores que la corriente nominal e incluso un breve período de tiempo es suficiente para hacer que el dispositivo esté fuera de servicio. Aquí, muchas personas probablemente recordarán los dispositivos de protección electromecánicos ("dispositivos automáticos" y otros), pero todo es muy prosaico ... Por lo general, el enchufe doméstico está protegido por una máquina con una corriente nominal de 16 A, es decir, se producirá un apagado a 6-7 veces la corriente, que ya es aproximadamente 100A. La fuente de alimentación de la computadora portátil tiene una potencia de aproximadamente 100 vatios, es decir, la corriente es inferior a 1A. Incluso si se produce un cortocircuito, la máquina no lo notará durante mucho tiempo y desconectará la carga solo cuando todo esté quemado. Es más una protección contra incendios, no una protección de la tecnología.

Ahora veamos otro caso común: a través de la corriente . Lo mostraré en el ejemplo de un convertidor de CC / CC con el tope síncrono de topología, todos los controladores MPPT, muchos controladores LED y potentes convertidores CC / CC en las placas están construidos exactamente sobre él. Nos fijamos en el circuito convertidor:



El diagrama muestra dos opciones para la sobrecorriente: la ruta verde para la falla "clásica", cuando hubo una disminución en la resistencia de carga ("boquilla" entre las carreteras después de soldar, por ejemplo) y la ruta naranja . ¿Cuándo puede fluir la corriente a lo largo del camino naranja? Creo que mucha gente sabe que la resistencia del canal abierto del transistor de efecto de campo es muy pequeña, para los transistores modernos de bajo voltaje es de 1-10 mOhm. ¡Ahora suponga que PWM con un alto nivel llegó a las teclas al mismo tiempo, es decir, ambas llaves se abrieron, para la fuente VCCIN-GND esto es equivalente a conectar una carga con una resistencia de aproximadamente 2-20 mOhm! ¡Aplicamos la gran y poderosa ley de Ohm y obtenemos un valor actual de más de 250 A incluso con una potencia de 5V! Aunque no se preocupe, no habrá tal corriente: los componentes y conductores en la placa de circuito impreso se quemarán antes y romperán el circuito.

Este error ocurre muy a menudo en el sistema de alimentación y especialmente en la electrónica de potencia. Puede ocurrir por varias razones, por ejemplo, debido a un error de control o transitorios largos. En el último caso, incluso el "tiempo muerto" (tiempo muerto) en su convertidor no se guardará.

Creo que el problema es comprensible y familiar para muchos de ustedes, ahora está claro con qué necesitan pelear y solo queda averiguar CÓMO. Esta será la historia adicional.

Cómo funciona la protección actual

Aquí debe aplicar la lógica habitual y ver una relación causal:
1) El problema principal es el gran valor de la corriente en el circuito;
2) ¿Cómo entender qué valor de la corriente? -> Mídelo;
3) Medido y obtenido el valor -> Compárelo con un valor válido dado;
4) Si excede el valor -> Desconecte la carga de la fuente actual.

Mida la corriente -> Averigüe si la corriente permisible ha excedido -> Desconecte la carga

Absolutamente cualquier protección, no solo sobre la corriente, se construye de esa manera. Dependiendo de la cantidad física por la cual se construye la defensa, surgirán varios problemas técnicos y métodos para resolverlos en el camino hacia la implementación, pero la esencia no cambia.

Ahora propongo, en orden, pasar por toda la cadena de defensa y resolver todos los problemas técnicos que surgen. Una buena protección es la protección que se ha proporcionado de antemano y funciona. Por lo tanto, no podemos prescindir del modelado, utilizaré el popular y gratuito MultiSIM Blue , que Mouser promociona activamente. Puede descargarlo allí - enlace . También diré de antemano que, en el marco de este artículo, no entraré en circuitos y llenaré tu cabeza de cosas innecesarias en esta etapa, solo sé que todo será un poco más complicado en el hardware real.

Medida actual

Este es el primer elemento de nuestra cadena y probablemente el más fácil de entender. Puede medir la corriente en el circuito de varias maneras y cada una tiene sus propias ventajas y desventajas, la que debe aplicar específicamente a su tarea depende de usted. Le contaré, según mi experiencia, sobre estas mismas ventajas y desventajas. Algunos de ellos son "generalmente aceptados", y algunos son mis visiones del mundo, le pido que tenga en cuenta que ni siquiera estoy tratando de afirmar algún tipo de verdad.

1) Shunt actual . La base de los fundamentos, "funciona" todo sobre la misma gran y poderosa ley de Ohm. El más fácil, el más barato, el más rápido y, en general, el más sencillo, pero con una serie de desventajas:

a) Falta de aislamiento galvánico . Deberá implementarlo por separado, por ejemplo, utilizando un optoacoplador de alta velocidad. No es difícil de implementar, pero requiere espacio adicional en el tablero, desacoplamiento de CC / CC y otros componentes que cuestan dinero y agregan dimensiones generales. Aunque el aislamiento galvánico no siempre es necesario, por supuesto.

b) A altas corrientes acelera el calentamiento global . Como escribí anteriormente, todo funciona en la ley de Ohm, lo que significa que está calentando y calentando la atmósfera. Esto conduce a una disminución en la eficiencia y la necesidad de enfriar la derivación. Hay una manera de minimizar este inconveniente: reducir la resistencia de la derivación. Desafortunadamente, no se puede reducir infinitamente y, en general, no recomendaría reducirlo a menos de 1 mOhm si todavía tiene poca experiencia, porque existe la necesidad de combatir la interferencia y los requisitos para la etapa de diseño de PCB están aumentando.

En mis dispositivos, me gusta usar las siguientes derivaciones PA2512FKF7W0R002E:



La corriente se mide midiendo la caída de voltaje a través de la derivación, por ejemplo, cuando la corriente 30A fluye a través de la derivación, habrá una caída:

$$

$$U_ {pad} = I * R = 0.002 Ohm * 30A = 0.06V = 60 mV$$

Es decir, cuando tengamos una caída de 60 mV en la derivación, esto significará que hemos alcanzado el límite y si la caída aumenta aún más, será necesario desconectar nuestro dispositivo o carga. Ahora calculemos cuánto calor se liberará en nuestra derivación:

$$

$$P_ {shunt} = I ^ 2 * R_ {shunt} = 30 ^ 2 * 0.002 = 1.8 [W]$$

No un poco, ¿verdad? Este punto debe tenerse en cuenta, porque la potencia máxima de mi derivación es de 2 vatios y no se puede exceder, simplemente no suelde las derivaciones con soldadura fusible; tal vez esté deteriorado, yo también lo vi.

Recomendaciones de uso:

• Use derivaciones cuando tenga alto voltaje y corrientes no muy altas
• Lleve un registro de la cantidad de calor generado en la derivación
• Use derivaciones donde necesite el máximo rendimiento
• Use derivaciones solo de materiales especiales: constantan, manganin y similares

2) sensores de corriente de efecto Hall . Aquí voy a admitir mi propia clasificación, que refleja completamente la esencia de varias decisiones sobre este efecto, a saber: barato y costoso .

a) Barato , por ejemplo, ACS712 y similares. De las ventajas, puedo notar la facilidad de uso y la presencia de aislamiento galvánico, aquí es donde terminan las ventajas. La principal desventaja es el comportamiento extremadamente inestable bajo la influencia de la interferencia de RF. Cualquier CC / CC o una poderosa carga reactiva es un obstáculo, es decir, en el 90% de los casos, estos sensores son inútiles, porque "se vuelven locos" y muestran el clima en Marte. ¿Pero no es por nada que están hechos?

¿Tienen aislamiento galvánico y pueden medir altas corrientes? Si ¿No te gusta la interferencia? Si tambien ¿Dónde ponerlos? Así es, en un sistema de monitoreo con baja responsabilidad y para medir el consumo de corriente de las baterías. Los tengo en los inversores para SES y VES para una evaluación cualitativa del consumo de corriente con baterías, lo que le permite extender la vida útil de la batería. Estos sensores se ven así:


b) Estimado Tienen todas las ventajas de barato, pero no tienen sus desventajas. Un ejemplo de tal sensor LEM LTS 15-NP :


¿Qué tenemos como resultado?
1) alto rendimiento;
2) aislamiento galvánico;
3) Facilidad de uso;
4) Grandes corrientes medidas independientemente del voltaje;
5) Alta precisión de medición;
6) Incluso las EMP "malvadas" no interfieren con el trabajo y no lo hacen; afectar la precisión

Pero entonces, ¿cuál es el menos? Quienes abrieron el enlace de arriba lo vieron claramente: este es el precio. $ 18, Carl! E incluso en una serie de más de 1000 piezas, el precio no será inferior a $ 10, y la compra real será de $ 12-13. En BP por un par de dólares, esto no se puede poner, pero como me gustaría ... Para resumir:

a) Esta es la mejor solución en principio para medir corriente, pero costosa;
b) Use estos sensores en condiciones de operación severas;
c) Use estos sensores en nodos críticos;
d) Úselos si su dispositivo cuesta mucho dinero, por ejemplo, un UPS de 5-10 kW, allí definitivamente se demostrará a sí mismo, porque el precio del dispositivo será de varios miles de dólares.

3) Transformador de corriente . Solución estándar en muchos dispositivos. Dos desventajas: no funcionan con corriente continua y tienen características no lineales. Pros: barato, confiable y puede medir grandes corrientes. Es en los transformadores de corriente que los sistemas de automatización y protección se construyeron en RU-0.4, 6, 10, 35 kV en las empresas, y miles de amperios son algo normal allí.

Honestamente, trato de no usarlos, porque no me gustan, pero todavía los pongo en varios gabinetes de control y otros sistemas de CA, porque Cuestan un par de $ y dan aislamiento galvánico, y no $ 15-20 como LEM y realizan perfectamente su tarea en una red de 50 Hz. Por lo general, se ven así, pero suceden en todo tipo de núcleos EFD:



Quizás con los métodos de medición de corriente, puede terminar. Hablé sobre lo principal, pero ciertamente no todo. Para ampliar mis propios horizontes y conocimientos, le aconsejo que al menos busque en Google y vea varios sensores en el mismo digikey.

Ganancia de la caída de voltaje medida

La construcción adicional del sistema de protección se basará en la derivación como un sensor de corriente. Construyamos un sistema con un valor actual previamente anunciado de 30A. En el shunt obtenemos una caída de 60 mV y aquí surgen 2 problemas técnicos:

a) Medir y comparar una señal con una amplitud de 60 mV es inconveniente. Los ADC generalmente tienen un rango de medición de 3.3V, es decir, con 12 bits de profundidad de bits obtenemos un paso de cuantificación:

$$

$$U_ {quantum} = V_ {ref} / 2 ^ {12} = 3.3 / 4095 = 0,0008 [V] = 0.8 [mV]$$

Esto significa que en el rango de 0-60 mV, que corresponde a 0-30A, obtenemos una pequeña cantidad de pasos:

$$

$$n = U_ {shunt} / U_ {quantum} = 60 / 0.8 = 75 [pasos]$$

Obtenemos que el bit de medición será solo:

$$

$$k = I_ {max} / n = 30/75 = 0.4 [A / paso]$$

Debe entenderse que esta es una figura idealizada y en realidad serán mucho peores, porque El ADC en sí tiene un error, especialmente alrededor de cero. Por supuesto, no usaremos el ADC para protección, pero tendremos que medir la corriente de la misma derivación para construir un sistema de control. Aquí la tarea se explicó claramente, pero esto también es cierto para los comparadores, que en la región del potencial de tierra (0V generalmente) son muy inestables, incluso de riel a riel.

b) Si queremos arrastrar una señal con una amplitud de 60 mV a través del tablero, luego de 5-10 cm no quedará nada debido a la interferencia, y en el momento del cortocircuito definitivamente no tendremos que depender de ella, porque EMR aumentará aún más. Por supuesto, puede colgar el esquema de protección justo al pie de la derivación, pero no nos libraremos del primer problema.

Para resolver estos problemas, necesitamos un amplificador operacional (amplificador operacional). No hablaré sobre cómo funciona: el tema es perfectamente google, pero hablaremos sobre parámetros críticos y la elección de amplificadores operacionales. Para comenzar, decidamos el esquema. Dije que no habrá gracia especial aquí, así que cubriremos el opamp con retroalimentación negativa (OOS) y obtendremos un amplificador con una ganancia conocida. Simularé esta acción en MultiSIM (se puede hacer clic en la imagen):



Puede descargar el archivo para la simulación aquí .

La fuente de voltaje V2 actúa como nuestra derivación, o más bien, simula una caída de voltaje a través de ella. Para mayor claridad, elegí un valor de caída de 100 mV, ahora necesitamos amplificar la señal para transferirla a un voltaje más conveniente, generalmente entre 1/2 y 2/3 V _ref . Esto le permitirá obtener una gran cantidad de pasos de cuantificación en el rango actual + dejar un margen para las mediciones con el fin de evaluar qué tan mal está todo y calcular el tiempo de aumento actual, esto es importante en sistemas complejos de control de carga reactiva. La ganancia en este caso es igual a:

$$

$$U_ {out} = U_ {in} * (1+ \ frac {R2} {R1}) = 0.1 * (1 + \ frac {9} {1}) = 0.1 * 10 = 1 [B]$$

Por lo tanto, podemos amplificar la señal de nuestra señal al nivel deseado. Ahora consideraremos a qué parámetros vale la pena prestar atención:

• El amplificador operacional debe ser de riel a riel para funcionar adecuadamente con señales cercanas al potencial de tierra (GND)
• Vale la pena elegir un amplificador operacional con una alta velocidad de respuesta. Para mi amado OPA376, este parámetro es de 2V / μs, lo que me permite alcanzar un valor de salida de amplificador operacional máximo de VCC 3.3V en solo 2 μs. Esta velocidad es suficiente para guardar cualquier convertidor o carga con frecuencias de hasta 200 kHz. Estos parámetros deben entenderse e incluir la cabeza al elegir un amplificador operacional, de lo contrario existe la posibilidad de colocar un amplificador operacional por $ 10 donde un amplificador por $ 1 sería suficiente
• El ancho de banda elegido por el amplificador operacional debe ser al menos 10 veces mayor que la frecuencia de conmutación de carga máxima. Nuevamente, busque la "media de oro" en la relación de "características de precio / rendimiento", todo es bueno con moderación

En la mayoría de mis proyectos, utilizo el amplificador operacional de Texas Instruments - OPA376, su TTX es suficiente para implementar protección en la mayoría de las tareas y el precio de $ 1 es bastante bueno. Si necesita más barato, busque soluciones de ST y, si es más barato, busque en Microchip y Micrel. Por razones religiosas, uso solo TI y Lineal, porque me gusta y duermo muy tranquilo.

Agregue realismo al sistema de seguridad.

Ahora agreguemos en el simulador una derivación, carga, fuente de alimentación y otros atributos que acercarán nuestro modelo a la realidad. El resultado obtenido es el siguiente (se puede hacer clic en la imagen):



Puede descargar el archivo de simulación para MultiSIM aquí .

Aquí ya vemos nuestro shunt R1 con la resistencia de los mismos 2 mOhm, elegí una fuente de alimentación de 310 V (red rectificada) y la carga es una resistencia de 10.2 Ohm, que nuevamente, de acuerdo con la ley de Ohm, nos da la corriente:

$$

$$I = U / R = 310 / 10.2 = 30.39 [A]$$

En la derivación, como puede ver, los 60 mV previamente calculados caen y los amplificamos con una ganancia:

$$

$$k = 1+ \ frac {R2} {R7} = 1 + \ frac {45300} {910} = $ 50.7$$

En la salida, obtenemos una señal amplificada con una amplitud de 3.1V.Debe admitir que ya se puede enviar al ADC y al comparador y arrastrarlo a lo largo de la placa de 20-40 mm sin temor ni deterioro de la estabilidad del trabajo. Seguiremos trabajando con esta señal.

Comparación de señales usando un comparador

Un comparador es un circuito que recibe 2 señales en la entrada, y si la amplitud de la señal en la entrada directa (+) es mayor que en el inverso (-), aparece un registro en la salida. 1 (VCC). De lo contrario, el registro. 0 (GND).

Formalmente, cualquier sistema operativo se puede incluir como un comparador, pero dicha solución TTX será inferior al comparador en términos de velocidad y la relación precio / resultado. En nuestro caso, cuanto mayor sea la velocidad, mayor será la probabilidad de que la protección tenga tiempo para trabajar y guardar el dispositivo. Me encanta usar un comparador, nuevamente de Texas Instrumets - LMV7271 . A qué debe prestar atención:

• , . 880 , 2$
• — rail-to-rail , 5, . , - rail-to-rail . (SD) TTL
• push-pull, open-drain .

Ahora agreguemos un comparador a nuestro proyecto en el simulador y observemos su funcionamiento en el modo en que la protección no funcionó y la corriente no excede la emergencia (imagen en la que se puede hacer clic): puede descargar el archivo para simulación en MultiSIM aquí . Qué necesitamos ... Necesitamos si la corriente excede los 30 A, de modo que haya un registro en la salida del comparador. 0 (GND), esta señal alimentará la entrada SD o EN del controlador y la apagará. En el estado normal, la salida debe ser un registro. 1 (5V TTL) y permite el funcionamiento del controlador de la llave de encendido (por ejemplo, "folk" IR2110 y menos antiguo). Volvemos a nuestra lógica: 1) Medimos la corriente en la derivación y recibimos 56.4 mV; 2) Amplificamos nuestra señal con un coeficiente de 50.78 y recibimos OU 2.88V en la salida;










3) En la entrada directa del comparador, suministramos una señal de referencia con la cual compararemos. Lo configuramos usando un divisor en R2 y establece 3.1V, esto corresponde a una corriente de aproximadamente 30A. ¡Con esta resistencia, el umbral de protección está regulado!
4) Ahora la señal de la salida del amplificador operacional se aplica a la inversa y comparamos dos señales: 3.1V> 2.88V. En la entrada directa (+), el voltaje es más alto que en la entrada inversa (-), por lo que no se excede la corriente y la salida es logarítmica. 1 - los controladores funcionan, pero nuestro LED1 no se enciende.

Ahora aumente la corriente a un valor> 30A (gire R8 y disminuya la resistencia) y mire el resultado (imagen en la que se puede hacer clic): revisemos los puntos de nuestra "lógica": 1) Medimos la corriente en la derivación y obtuvimos 68.9 mV; 2) Amplificamos nuestra señal con un coeficiente de 50.78 y recibimos la salida OA 3.4V;






4) Ahora la señal de la salida del amplificador operacional se aplica a la inversa y comparamos dos señales: 3.1V <3.4V. En la entrada directa (+), el voltaje es MENOR que en la entrada inversa (-), luego se excede la corriente y la salida es logarítmica. 0: los controladores NO funcionan y nuestro LED1 está encendido.

¿Por qué hardware?

La respuesta a esta pregunta es simple: cualquier solución programable en el MK, con un ADC externo, etc., simplemente puede "colgarse" e incluso si usted es un escritor de software bastante competente y activó el temporizador de vigilancia y otra protección contra la congelación, mientras se procesa su dispositivo se quemará.

La protección de hardware le permite implementar un sistema con velocidad en unos pocos microsegundos, y si el presupuesto lo permite, dentro de 100-200 ns, que es suficiente para cualquier tarea. Además, la protección de hardware no podrá "congelarse" y guardar el dispositivo, incluso si por alguna razón su microcontrolador de control o DSP se "congela". La protección deshabilitará el controlador, su circuito de control se reiniciará con calma, probará el hardware y dará un error, por ejemplo, en Modbus o se iniciará si todo está bien.

Vale la pena señalar que en los controladores especializados para la construcción de convertidores de potencia hay entradas especiales que le permiten desactivar la generación de señal PWM por hardware. Por ejemplo, el STM32 favorito de todos tiene una entrada BKIN para esto.

Por separado, vale la pena decir más sobre algo como CPLD. De hecho, es un conjunto de lógica de alta velocidad y su fiabilidad es comparable a una solución de hardware. Sería de sentido común colocar un pequeño CPLD en la placa e implementar tanto protecciones de hardware como tiempo muerto y otras delicias, si estamos hablando de CC / CC o algún tipo de gabinetes de control. CPLD le permite hacer que esta solución sea muy flexible y conveniente.

Epílogo

Eso es probablemente todo. Espero que haya estado interesado en leer este artículo y le brinde algunos conocimientos nuevos o actualice los antiguos. Siempre trate de pensar de antemano qué módulos en su dispositivo deben implementarse en hardware y cuáles en software. A menudo, la implementación de hardware es mucho más simple que la implementación de software, y esto lleva a ahorrar tiempo en el desarrollo y, en consecuencia, su costo.

El formato del artículo sin hardware es nuevo para mí y le pido que exprese su opinión en la encuesta.