Implementação de proteção de corrente de hardware

Hoje, meu artigo será de natureza puramente teórica, ou melhor, não terá “ferro” como nos artigos anteriores, mas não será desencorajado - não se tornou menos útil. O fato é que o problema de proteger os componentes eletrônicos afeta diretamente a confiabilidade dos dispositivos, seus recursos e, portanto, sua importante vantagem competitiva - a capacidade de dar uma longa garantia aos produtos . A implementação da proteção diz respeito não apenas aos meus eletrônicos de potência favoritos, mas a qualquer dispositivo em princípio; portanto, mesmo se você estiver projetando itens de IoT e tiver 100 mA modestos, ainda precisará entender como garantir a operação sem falhas do seu dispositivo.

A proteção de corrente ou a proteção contra curto-circuito (curto-circuito) é provavelmente o tipo mais comum de proteção, porque a negligência nesse assunto causa conseqüências devastadoras no sentido literal. Por exemplo, proponho olhar para o regulador de tensão, que ficou triste com o curto-circuito que surgiu:



O diagnóstico aqui é simples - ocorreu um erro no estabilizador e as correntes ultra altas começaram a fluir no circuito; para o bem, a proteção deveria ter desligado o dispositivo, mas algo deu errado. Depois de ler o artigo, acho que você pode adivinhar qual pode ser o problema.

Quanto à carga em si ... Se você tem um dispositivo eletrônico do tamanho de uma caixa de fósforos, não existem essas correntes, então não pense que não pode ficar tão triste quanto o estabilizador. Certamente você não quer queimar pacotes de fichas por US $ 10-1000? Nesse caso, convido você a se familiarizar com os princípios e métodos de combate a curtos-circuitos!

Objetivo do artigo

Eu foco meu artigo em pessoas para quem a eletrônica é um hobby e desenvolvedores iniciantes, para que tudo seja dito "nos dedos" para uma compreensão mais significativa do que está acontecendo. Para quem quer habilidades acadêmicas, vamos ler todos os livros didáticos da universidade sobre engenharia elétrica + os "clássicos" de Horowitz, Hill, "A arte da engenharia de circuitos".

Eu gostaria de dizer separadamente que todas as soluções serão de hardware, ou seja, sem microcontroladores e outras perversões. Nos últimos anos, tornou-se bastante elegante programar onde necessário e não necessário. Frequentemente, observo "proteção" por corrente, que é implementada pela medição trivial da tensão ADC por algum arduino ou microcontrolador, e os dispositivos ainda falham. Eu recomendo fortemente que você não faça o mesmo! Vou falar mais sobre esse problema com mais detalhes.

Um pouco sobre correntes de curto-circuito

Para começar a criar métodos de proteção, você deve primeiro entender com o que estamos lutando. O que é um curto-circuito? Aqui, a lei favorita de Ohm nos ajudará a considerar o caso ideal:



É simples? Na verdade, esse circuito é o equivalente a quase todos os dispositivos eletrônicos, ou seja, existe uma fonte de energia que a fornece à carga, que aquece e faz alguma coisa ou não.

Concordamos que a energia da fonte permite que a tensão seja constante, ou seja, “não ceda” sob nenhuma carga. Durante a operação normal, a corrente que atua no circuito será igual a:

$$

$$I = U / R$$

Agora imagine que o tio Vasya deixou cair uma chave nos fios que iam para a lâmpada e nossa carga diminuiu 100 vezes, ou seja, em vez de R, tornou-se 0,01 * R e, com a ajuda de cálculos simples, obtemos 100 vezes mais. Se a lâmpada consumir 5A, agora a corrente da carga será retirada a cerca de 500A, o que é suficiente para derreter a chave do tio Vasya. Agora uma pequena conclusão ...

Curto-circuito - uma diminuição significativa na resistência da carga, o que leva a um aumento significativo da corrente no circuito.

Deve-se entender que as correntes de curto-circuito geralmente são centenas e milhares de vezes maiores que a corrente nominal e mesmo um curto período de tempo é suficiente para deixar o dispositivo fora de ordem. Aqui muitas pessoas provavelmente se lembram de dispositivos de proteção eletromecânica ("dispositivos automáticos" e outros), mas tudo é muito prosaico ... Normalmente, o soquete doméstico é protegido por uma máquina com uma corrente nominal de 16A, ou seja, um desligamento ocorrerá de 6 a 7 vezes a corrente, o que já é cerca de 100A. A fonte de alimentação do laptop tem uma potência de cerca de 100 watts, ou seja, a corrente é menor que 1A. Mesmo que ocorra um curto-circuito, a máquina não notará isso por um longo tempo e desconectará a carga somente quando tudo estiver queimado. É mais uma proteção contra incêndio, não uma proteção de tecnologia.

Agora vamos ver outro caso comum - através da corrente . Vou mostrá-lo no exemplo de um conversor dc / dc com buck síncrono de topologia, todos os controladores MPPT, muitos drivers de LED e poderosos conversores DC / DC nas placas são construídos exatamente sobre ele. Nós olhamos para o circuito conversor:



O diagrama mostra duas opções para sobrecorrente: o caminho verde para a falha "clássica", quando houve uma diminuição na resistência da carga ("bico" entre as estradas após a soldagem, por exemplo) e o caminho laranja . Quando a corrente pode fluir ao longo do caminho laranja? Acho que muitas pessoas sabem que a resistência do canal aberto do transistor de efeito de campo é muito pequena; para transistores modernos de baixa tensão, é de 1 a 10 mOhm. Agora, suponha que o PWM com um alto nível chegue às teclas ao mesmo tempo, ou seja, ambas as teclas foram abertas. Para a fonte “VCCIN - GND” isso é equivalente a conectar uma carga com uma resistência de cerca de 2-20 mOhm! Aplicamos a grande e poderosa lei de Ohm e obtemos um valor atual de mais de 250A, mesmo com potência de 5V! Embora não se preocupe, não haverá corrente - os componentes e condutores na placa de circuito impresso queimarão mais cedo e interrompem o circuito.

Esse erro geralmente ocorre no sistema de energia e, especialmente, nos eletrônicos de energia. Isso pode ocorrer por vários motivos, por exemplo, devido a um erro de controle ou a transientes longos. Neste último caso, mesmo o "tempo morto" (tempo morto) no seu conversor não será salvo.

Eu acho que o problema é compreensível e familiar para muitos de vocês, agora está claro com o que você precisa lutar e resta apenas descobrir como. Esta será a outra história.

Como funciona a proteção atual

Aqui você precisa aplicar a lógica usual e ver um relacionamento causal:
1) O principal problema é o grande valor da corrente no circuito;
2) Como entender qual o valor da corrente? -> meça;
3) Medido e obtido o valor -> Compare com um determinado valor válido;
4) Se você exceder o valor -> Desconecte a carga da fonte atual.

Medir corrente -> Descubra se a corrente permitida excedeu -> Desconecte a carga

Absolutamente qualquer proteção, e não apenas a corrente excessiva, é construída dessa maneira. Dependendo da quantidade física pela qual a defesa é construída, vários problemas e métodos técnicos para resolvê-los surgirão no caminho da implementação, mas a essência é inalterada.

Agora, proponho, a fim de percorrer toda a cadeia de defesa e resolver todos os problemas técnicos que surgem. Boa proteção é a proteção fornecida com antecedência e funciona. Portanto, como não podemos modelar, usarei o popular e gratuito MultiSIM Blue , que é promovido ativamente pela Mouser. Você pode baixá-lo lá - link . Também vou dizer com antecedência que, na estrutura deste artigo, não entrarei em circuitos e encher sua cabeça de coisas desnecessárias nesta fase, apenas sei que tudo será um pouco mais complicado em hardware real.

Medição de corrente

Este é o primeiro item da nossa cadeia e provavelmente o mais fácil de entender. Você pode medir a corrente no circuito de várias maneiras e cada uma delas tem suas próprias vantagens e desvantagens, qual delas aplicar especificamente à sua tarefa depende de você. Vou lhe contar, com base na minha experiência, sobre essas mesmas vantagens e desvantagens. Alguns deles são "geralmente aceitos" e outros são minhas visões de mundo. Peço que note que nem estou tentando reivindicar algum tipo de verdade.

1) derivação atual . A base dos fundamentos "funciona" na mesma grande e poderosa lei de Ohm. O mais fácil, o mais barato, o mais rápido e o mais geral, mas com várias desvantagens:

a) Falta de isolamento galvânico . Você precisará implementá-lo separadamente, por exemplo, usando um acoplador óptico de alta velocidade. Não é difícil de implementar, mas requer espaço adicional na placa, CC / CC desacoplado e outros componentes que custam dinheiro e acrescentam dimensões gerais. Embora o isolamento galvânico nem sempre seja necessário, é claro.

b) Em altas correntes acelera o aquecimento global . Como escrevi anteriormente, tudo funciona na lei de Ohm, o que significa que está aquecendo e aquecendo a atmosfera. Isso leva a uma diminuição da eficiência e à necessidade de esfriar a derivação. Existe uma maneira de minimizar essa desvantagem - reduzir a resistência da derivação. Infelizmente, não pode ser infinitamente reduzido e, em geral, eu não recomendaria reduzi-lo para menos de 1 mOhm se você ainda tiver pouca experiência, porque há uma necessidade de combater interferências e os requisitos para o estágio de design de PCBs estão aumentando.

Nos meus dispositivos, eu gosto de usar os seguintes shunts PA2512FKF7W0R002E:



A corrente é medida medindo a queda de tensão através do shunt, por exemplo, quando a corrente 30A flui através do shunt, haverá uma queda:

$$

$$U_ {pad} = I * R = 0,002 Ohm * 30A = 0,06V = 60 mV$$

Ou seja, quando obtivermos uma queda de 60 mV na derivação - isso significa que atingimos o limite e, se a queda aumentar ainda mais, será necessário desconectar nosso dispositivo ou carregar. Agora vamos calcular quanto calor será liberado em nossa derivação:

$$

$$P_ {shunt} = I ^ 2 * R_ {shunt} = 30 ^ 2 * 0,002 = 1,8 [W]$$

Nem um pouco, certo? Este ponto deve ser levado em consideração, porque a potência máxima do meu shunt é de 2 watts e não pode ser excedida, apenas não solde os shunts com solda fusível - talvez esteja deteriorada, eu também vi.

Recomendações de uso:

• Use derivações quando tiver alta tensão e correntes não muito altas
• Acompanhe a quantidade de calor gerado na derivação
• Use manobras onde você precisa de desempenho máximo
• Use derivações apenas de materiais especiais: constantan, manganina e similares

2) sensores de corrente de efeito Hall . Aqui vou admitir para mim mesmo minha própria classificação, que reflete completamente a essência de várias decisões sobre esse efeito, a saber: barato e caro .

a) Barato , por exemplo, ACS712 e similares. Das vantagens, posso notar a facilidade de uso e a presença de isolamento galvânico, é aí que as vantagens terminam. A principal desvantagem é um comportamento extremamente instável sob a influência da interferência de RF. Qualquer CC / CC ou uma carga reativa poderosa é um obstáculo, ou seja, em 90% dos casos, esses sensores são inúteis, porque "enlouquecem" e mostram o clima em Marte. Mas não é à toa que eles são feitos?

Eles têm isolamento galvânico e podem medir altas correntes? Sim Não gosta de interferência? Sim também Onde colocá-los? É isso mesmo, em um sistema de monitoramento com pouca responsabilidade e para medir o consumo de corrente das baterias. Eu os tenho nos inversores SES e VES para uma avaliação qualitativa do consumo atual de baterias, o que permite prolongar a vida útil da bateria. Esses sensores são assim:


b) Caro . Eles têm todas as vantagens do barato, mas não têm seus pontos negativos. Um exemplo desse sensor LEM LTS 15-NP :


O que temos como resultado:
1) alto desempenho;
2) isolamento galvânico;
3) Facilidade de uso;
4) Grandes correntes medidas independentemente da tensão;
5) alta precisão de medição;
6) Até EMPs “maus” não interferem no trabalho e não interferem; afetar a precisão.

Mas então qual é o menos? Quem abriu o link acima viu claramente - esse é o preço. US $ 18, Carl! E mesmo em uma série de mais de 1000 peças, o preço não cairá abaixo de US $ 10 e a compra real será de US $ 12 a 13. Na BP, por alguns dólares, isso não pode ser colocado, mas como eu gostaria ... Para resumir:

a) Esta é a melhor solução em princípio para medir corrente, mas cara;
b) Use esses sensores em condições operacionais adversas;
c) Use esses sensores em nós críticos;
d) Use-os se o seu dispositivo custar muito dinheiro, por exemplo, um no-break de 5 a 10 kW; lá ele definitivamente será comprovado, porque o preço do dispositivo será de vários milhares de dólares.

3) Transformador de corrente . Solução padrão em muitos dispositivos. Dois pontos negativos - não funcionam com corrente contínua e possuem características não lineares. Prós - baratos, confiáveis ​​e você pode medir apenas grandes correntes. É nos transformadores atuais que os sistemas de automação e proteção foram construídos em RU-0,4, 6, 10, 35 kV nas empresas, e milhares de amperes são uma coisa bastante normal lá.

Sinceramente, tento não usá-los, porque não gosto deles, mas ainda os coloco em vários armários de controle e outros sistemas de CA, porque eles custam alguns dólares e proporcionam isolamento galvânico, e não 15 a 20 dólares como os LEMs e executam perfeitamente sua tarefa em uma rede de 50 Hz. Geralmente eles se parecem com isso, mas acontecem em todos os tipos de núcleos EFD:



Talvez com os métodos de medição de corrente, você possa terminar. Eu falei sobre o principal, mas certamente não todos. Para expandir meus próprios horizontes e conhecimentos, aconselho a pelo menos pesquisar no Google e ver vários sensores no mesmo digikey.

Ganho da queda de tensão medida

A construção adicional do sistema de proteção será baseada no desvio como sensor de corrente. Vamos construir um sistema com um valor atual anunciado anteriormente de 30A. Na derivação, obtemos uma queda de 60 mV e aqui surgem 2 problemas técnicos:

a) Medir e comparar um sinal com uma amplitude de 60 mV é inconveniente. Os ADCs geralmente têm uma faixa de medição de 3,3V, ou seja, com 12 bits de profundidade de bits, obtemos uma etapa de quantização:

$$

$$U_ {quantum} = V_ {ref} / 2 ^ {12} = 3,3 / 4095 = 0,0008 [V] = 0,8 [mV]$$

Isso significa que na faixa de 0 a 60 mV, que corresponde a 0 a 30A, obtemos um pequeno número de etapas:

$$

$$n = U_ {shunt} / U_ {quantum} = 60 / 0,8 = 75 [etapas]$$

Entendemos que o bit de medição será apenas:

$$

$$k = I_ {max} / n = 30/75 = 0,4 [A / step]$$

Deve-se entender que essa é uma figura idealizada e, na realidade, será muito pior, porque O ADC em si tem um erro, especialmente em torno de zero. Obviamente, não usaremos o ADC para proteção, mas teremos que medir a corrente do mesmo shunt para construir um sistema de controle. Aqui a tarefa foi explicada com clareza, mas isso também é verdade para os comparadores, que na região do potencial terrestre (0V geralmente) são muito instáveis, mesmo ferroviário a ferroviário.

b) Se quisermos arrastar um sinal com uma amplitude de 60 mV através da placa, depois de 5 a 10 cm não sobrará nada devido à interferência e, no momento do curto-circuito, definitivamente não precisaremos confiar nele, porque O EMR aumentará ainda mais. Obviamente, você pode suspender o esquema de proteção logo após o desvio, mas não vamos nos livrar do primeiro problema.

Para resolver esses problemas, precisamos de um amplificador operacional (op amp). Não falarei sobre como ele funciona - o tópico é perfeitamente no Google, mas falaremos sobre parâmetros críticos e a escolha de amplificadores operacionais. Para começar, vamos decidir sobre o esquema. Eu disse que não haverá graça especial aqui, então cobriremos o opamp com feedback negativo (OOS) e obteremos um amplificador com um ganho conhecido. Simularei esta ação no MultiSIM (a imagem é clicável):



Você pode fazer o download do arquivo para a simulação aqui .

A fonte de tensão V2 atua como nossa derivação, ou melhor, simula uma queda de tensão através dela. Para maior clareza, escolhi um valor de queda de 100 mV, agora precisamos amplificar o sinal para transferi-lo para uma voltagem mais conveniente, geralmente entre 1/2 e 2/3 V _ref . Isso permitirá que você obtenha um grande número de etapas de quantização na faixa atual + deixe uma margem para medições, a fim de avaliar quão ruim está tudo e calcular o tempo de subida atual, isso é importante em sistemas complexos de controle de carga reativa. O ganho neste caso é igual a:

$$

$$U_ {out} = U_ {in} * (1+ \ frac {R2} {R1}) = 0,1 * (1 + \ frac {9} {1}) = 0,1 * 10 = 1 [B]$$

Assim, somos capazes de amplificar o sinal do nosso sinal para o nível desejado. Agora vamos considerar quais parâmetros valem a pena prestar atenção:

• O amplificador operacional deve ser trilho a trilho para funcionar adequadamente com sinais próximos ao potencial de terra (GND)
• Vale a pena escolher um amplificador operacional com uma alta taxa de variação. Para o meu amado OPA376, esse parâmetro é 2V / μs, o que me permite alcançar um valor máximo de saída do op-amp de VCC 3,3V em apenas 2 μs. Essa velocidade é suficiente para salvar qualquer conversor ou carregar com frequências de até 200 kHz. Esses parâmetros devem ser entendidos e ativados ao escolher um amplificador operacional, caso contrário, há uma chance de colocar um amplificador operacional por US $ 10, onde um amplificador por US $ 1 seria suficiente
• A largura de banda escolhida pelo amplificador operacional deve ser pelo menos 10 vezes maior que a frequência máxima de comutação de carga. Mais uma vez, procure a "média de ouro" na proporção de "características de preço / desempenho", tudo é bom com moderação

Na maioria dos meus projetos, eu uso o amplificador operacional Texas Instruments - OPA376, seu TTX é suficiente para implementar proteção na maioria das tarefas e o preço de US $ 1 é bastante bom. Se você precisar de mais barato, consulte as soluções da ST e, se ainda mais barato, visite o Microchip e Micrel. Por razões religiosas, uso apenas TI e Linear, porque gosto e durmo com calma.

Adicione realismo ao sistema de segurança.

Vamos agora adicionar no simulador uma derivação, carga, fonte de alimentação e outros atributos que aproximam nosso modelo da realidade. O resultado obtido é o seguinte (a imagem é clicável):



Você pode fazer o download do arquivo de simulação para o MultiSIM aqui .

Aqui já vemos nosso shunt R1 com resistência dos mesmos 2 mOhm, escolhi uma fonte de alimentação de 310 V (rede retificada) e a carga para ele é um resistor de 10,2 Ohm, que novamente, de acordo com a lei de Ohm, nos fornece a corrente:

$$

$$I = U / R = 310 / 10,2 = 30,39 [A]$$

No shunt, como você pode ver, os 60 mV calculados anteriormente caem e os amplificamos com um ganho:

$$

$$k = 1+ \ frac {R2} {R7} = 1 + \ frac {45300} {910} = $ 50,7$$

Na saída, obtemos um sinal amplificado com uma amplitude de 3,1V.Você deve admitir que ele já pode ser submetido ao ADC e ao comparador e arrastado ao longo da placa de 20-40 mm sem nenhum medo ou deterioração da estabilidade do trabalho. Continuaremos a trabalhar com este sinal.

Comparação de sinais usando um comparador

Um comparador é um circuito que recebe 2 sinais por entrada e, se a amplitude do sinal na entrada direta (+) for maior que na inversa (-), um log será exibido na saída. 1 (VCC). Caso contrário, o log. 0 (GND).

Formalmente, qualquer sistema operacional pode ser incluído como um comparador, mas essa solução TTX será inferior ao comparador em termos de velocidade e relação preço / resultado. No nosso caso, quanto maior a velocidade, maior a probabilidade de a proteção ter tempo para resolver e salvar o dispositivo. Gosto de usar um comparador, novamente da Texas Instrumets - LMV7271 . O que você deve prestar atenção:

• Atraso de operação, na verdade, é o principal limitador de velocidade. No comparador acima, esse tempo é de aproximadamente 880 ns, o que é rápido o suficiente e, em muitas tarefas, é um pouco redundante a um preço de US $ 2, e você pode escolher um comparador mais ideal
• — rail-to-rail , 5, . , - rail-to-rail . (SD) TTL
• push-pull, open-drain .

Agora vamos adicionar um comparador ao nosso projeto no simulador e observar sua operação no modo quando a proteção não funcionou e a corrente não excede a emergência (imagem clicável): Você pode fazer o download do arquivo para simulação no MultiSIM aqui . Do que precisamos ... Precisamos se a corrente exceder 30A, para que haja um log na saída do comparador. 0 (GND), esse sinal alimentará a entrada SD ou EN do driver e a desativará. No estado normal, a saída deve ser um log. 1 (5V TTL) e habilite a operação do driver da chave de energia (por exemplo, "folk" IR2110 e menos antigo). Voltamos à nossa lógica: 1) Medimos a corrente na derivação e recebemos 56,4 mV; 2) Amplificamos nosso sinal com um coeficiente de 50,78 e recebemos OU 2,88V na saída;










3) Na entrada direta do comparador, fornecemos um sinal de referência com o qual compararemos. Definimos isso usando um divisor no R2 e define 3,1V - isso corresponde a uma corrente de cerca de 30A. Com este resistor, o limiar de proteção é regulado!
4) Agora o sinal da saída do amplificador operacional é aplicado ao inverso e comparamos dois sinais: 3.1V> 2.88V. Na entrada direta (+), a tensão é maior que na entrada inversa (-), portanto a corrente não é excedida e a saída é registrada. 1 - os drivers funcionam, mas o LED1 não acende.

Agora, aumente a corrente para um valor> 30A (gire R8 e diminua a resistência) e observe o resultado (figura clicável): Vamos revisar os pontos de nossa “lógica”: 1) Medimos a corrente na derivação e obtivemos 68,9 mV; 2) Amplificamos nosso sinal com um coeficiente de 50,78 e recebemos a saída OA 3,4V;






4) Agora o sinal da saída do amplificador operacional é aplicado ao inverso e comparamos dois sinais: 3.1V <3.4V. Na entrada direta (+), a tensão é MAIS BAIXA do que na entrada inversa (-), a corrente é excedida e a saída é registrada. 0 - os drivers NÃO funcionam e o LED1 está aceso.

Por que hardware?

A resposta a esta pergunta é simples - qualquer solução programável no MK, com um ADC externo e assim por diante, pode simplesmente "travar" e mesmo se você é um escritor de software bastante competente e ativou o timer do watchdog e outra proteção contra congelamento - enquanto é processado, o dispositivo queimará.

A proteção de hardware permite implementar um sistema com velocidade dentro de alguns microssegundos e, se o orçamento permitir, dentro de 100-200 ns, o que é suficiente para qualquer tarefa. Além disso, a proteção de hardware não poderá "congelar" e salvar o dispositivo, mesmo que por algum motivo o microcontrolador de controle ou o DSP "congele". A proteção desativará o driver, seu circuito de controle será reiniciado com calma, testará o hardware e cometerá um erro, por exemplo, no Modbus ou será iniciado se tudo estiver bem.

Vale ressaltar que em controladores especializados para a construção de conversores de energia, existem entradas especiais que permitem desativar a geração de sinal PWM por hardware. Por exemplo, o STM32 favorito de todos tem uma entrada BKIN para isso.

Separadamente, vale a pena falar mais sobre o CPLD. De fato, é um conjunto de lógica de alta velocidade e sua confiabilidade é comparável a uma solução de hardware. Seria bom senso colocar um pequeno CPLD na placa e implementar nela proteções de hardware, tempo morto e outras delícias, se estivermos falando sobre dc / dc ou algum tipo de gabinete de controle. O CPLD permite que você faça esta solução muito flexível e conveniente.

Epílogo

Provavelmente é tudo. Espero que você esteja interessado em ler este artigo e ele lhe dará algum conhecimento novo ou atualize o antigo. Sempre tente pensar com antecedência quais módulos no seu dispositivo devem ser implementados no hardware e quais no software. Freqüentemente, a implementação de hardware é uma ordem de magnitude mais simples que a implementação de software, e isso economiza tempo no desenvolvimento e, consequentemente, seu custo.

O formato do artigo sem hardware é novo para mim e solicito que você expresse sua opinião na pesquisa.