Защита от короткого замыкания в блоке питания

Если честно, большинство инженеров до сих пор путают токовую отсечку с плавной характеристикой — у нас на производстве каждый второй технолог считает, что достаточно поставить предохранитель на входе и забыть. А потом платы горят каскадом, причём в самых неожиданных узлах.

Классические ошибки в проектировании защит

В 2018 году мы тестировали импульсный блок на 12В для промышленного контроллера — казалось бы, стандартная схема с ШИМ-контроллером и внешним ключом. Разработчики заложили защиту по току через резистор 0.1 Ом, но не учли, что при коммутации индуктивной нагрузки пиковый ток может превышать расчётный в 3-4 раза. Результат — постоянные ложные срабатывания на производственной линии.

Кстати, именно тогда мы начали сотрудничать с инженерами из ООО Юэцин Сутун Электрооборудование — их подход к тестированию защитных цепей оказался на удивление практичным. Вместо теоретических расчётов они используют метод ступенчатого нагружения с записью осциллограмм, что сразу выявляет слабые места.

Особенно проблемными оказались цепи с обратноходовыми преобразователями — там где многие рассчитывают на автоматическое ограничение тока силового транзистора, забывая про выбросы напряжения при восстановлении диода. На сайте https://www.sutong.ru есть неплохой разбор типовых аварийных случаев, хотя некоторые нюансы там упрощены.

Практические нюансы выбора компонентов

С полимерными самовосстанавливающимися предохранителями история отдельная — в теории они идеальны для защиты дорогостоящей цифровой части, но на практике их время срабатывания часто превышает критическое для силовых ключей. Приходится дублировать быстродействующими диодами или TVS-супрессорами.

В одном из проектов для телекоммуникационного оборудования мы столкнулись с парадоксальной ситуацией: защита срабатывала исправно, но после 5-6 циклов КЗ MOSFET выходил из строя. Оказалось, проблема в лавинной стойкости — производитель указал максимальный ток, но не энергию единичного импульса.

Сейчас для ответственных применений мы обязательно проверяем цепочку снаббера — иногда банальное увеличение ёмкости с 100пФ до 220пФ даёт выигрыш в 20-25% по стойкости к повторным КЗ. Кстати, в ассортименте Сутун как раз есть специализированные конденсаторы для таких задач, хотя их документация требует дополнительных уточнений по монтажным рекомендациям.

Особенности защиты в импульсных источниках

Современные ШИМ-контроллеры вроде UC3844 или более новых аналогов от Infineon имеют встроенные компараторы, но их пороги срабатывания часто не соответствуют реальным требованиям. Особенно критично это для схем с обратной связью по току через трансформатор — там задержка даже в 100нс уже может быть фатальной.

Мы экспериментальным путём выяснили, что добавление быстродействующего компаратора на LM311 параллельно штатной защите увеличивает надёжность системы в среднем на 40%. Хотя это усложняет схему и требует дополнительной разводки платы.

Интересный момент — при тестировании источников питания с активным PFC защита от КЗ должна учитывать не только амплитуду тока, но и его форму. Стандартные решения часто не успевают отработать из-за несинусоидальной формы сигнала после корректора.

Диагностика и анализ отказов

В прошлом месяце разбирали случай на производстве в Юэцине — блок питания для системы освещения выходил из строя при подключении длинной линии. Стандартная защита срабатывала, но силовой транзистор всё равно пробивало. Оказалось, проблема в паразитной индуктивности монтажа — добавили керамический конденсатор 2.2нФ непосредственно между стоком и истоком, и количество отказов снизилось втрое.

При анализе таких ситуаций важно учитывать не только электронные компоненты, но и монтаж — иногда 5-7см лишнего провода могут полностью нивелировать расчётную защиту. Мы сейчас для критичных применений обязательно делаем тепловые расчёты планарных развязывающих конденсаторов — их ESR оказывает существенное влияние на скорость нарастания тока КЗ.

Кстати, в архивах технических отчётов на https://www.sutong.ru есть любопытный случай с термокомпенсацией порога срабатывания — при низких температурах стандартная защита начинала работать с задержкой до 500мкс, что для некоторых применений совершенно недопустимо.

Перспективные методы защиты

Сейчас активно тестируем гибридные схемы с использованием интеллектуальных силовых ключей — например, серия IPT от Infineon позволяет реализовать защиту непосредственно в кристалле. Но и здесь есть подводные камни — при КЗ на выходе драйвера ток через внутренний датчик может достигать критических значений быстрее, чем сработает логика защиты.

Для высоковольтных применений (свыше 400В) перспективным выглядит метод цифрового контроля тока через изолированный ADC — мы пробовали реализовать это на изоляторах от Silicon Labs, но пока получается дороже аналоговых решений на 20-30%.

Интересно, что в некоторых случаях возвращаемся к старым проверенным методам — магнитные датчики тока типа LEM хотя и дороже шунтов, но обеспечивают гальваническую развязку и меньше подвержены влиянию помех. Особенно актуально для мощных импульсных источников с частотой преобразования выше 100кГц.

В целом, тема защиты от КЗ далека от исчерпания — каждый новый класс компонентов приносит новые challenges. Главное, не забывать, что любая защита должна тестироваться в реальных условиях, а не только на стенде. И да, предохранитель на входе — это необходимо, но совершенно недостаточно для современной силовой электроники.