Beveiligingscircuit voor overspanning, overstroom, transiënte spanning en omgekeerde polariteit met behulp van rt1720 hot-swap-controller met fouttimer

Vaak is het in een elektronisch circuit absoluut noodzakelijk om een speciale beveiligingseenheid te gebruiken om het circuit te beschermen tegen overspanning, overstroom, voorbijgaande spanning en omgekeerde polariteit, enzovoort. Om het circuit tegen deze pieken te beschermen, introduceerde Richtek Semiconductor de RT1720A IC, een te vereenvoudigde beveiligings-IC die is ontworpen om aan de behoeften te voldoen. Het lage kosten kleine formaat en de zeer weinige componentvereisten maken deze schakeling ideaal om te worden gebruikt voor veel verschillende praktische en embedded toepassingen.

Dus in dit artikel ga ik dit beveiligingscircuit ontwerpen, berekenen en testen en eindelijk zal er een gedetailleerde video zijn die de werking van het circuit laat zien, dus laten we aan de slag gaan. Bekijk ook onze eerdere beveiligingscircuits.

IC RT1720

Het is een goedkope beveiligings-IC die is ontworpen om de implementatie te vereenvoudigen. Een leuk feitje over het IC is dat de afmeting van dit IC slechts 4,8 x 2,9 x 0,75 mm is. Laat je dus niet misleiden door de afbeelding, dit IC is extreem klein en de pin-pitch is slechts 0,5 mm.

IC RT1720 Kenmerken:

Breed ingangsbereik: 5V tot 80V
Negatieve ingangsspanning tot −60V
Instelbare uitgangsklemspanning
Instelbare overstroombeveiliging
Programmeerbare timer voor foutbeveiliging
Lage uitschakelstroom
Interne laadpomp N-MOSFET-schijf
Snelle 80mA MOSFET-uitschakeling voor overspanning
Foutuitgangsindicatie

De lijst met kenmerken en de afmetingsparameters zijn afkomstig uit het gegevensblad.

Schakelschema

Zoals eerder vermeld kan dit circuit worden gebruikt voor:

Onderdrukker van tijdelijke spanningspieken
Overspanningsbeveiligingscircuit
Beveiligingsschakeling tegen overstroom
Overspanningsbeveiliging
Beveiligingscircuit tegen omgekeerde polariteit

Bekijk ook onze eerdere beveiligingscircuits:

Inschakelstroombegrenzing met behulp van NTC-thermistor
Overspanningsbeveiligingscircuit
Beveiligingsschakeling tegen kortsluiting
Beveiligingscircuit tegen omgekeerde polariteit
Elektronische stroomonderbreker

Componenten vereist

Sl. Nr	Onderdelen	Type	Aantal stuks
1	RT1720	IC	1
2	MMBT3904	Transistor	1
3	1000pF	Condensator	1
4	1N4148 (BAT20J)	Diode	1
5	470uF, 25V	Condensator	1
6	1uF, 16V	Condensator	1
7	100.000, 1%	Weerstand	4
8	25mR	Weerstand	1
9	IRF540	Mosfet	2
10	Voedingseenheid	30V, gelijkstroom	1
11	Koppelstuk 5 mm	Algemeen	2
10	Bekleding	Algemeen	1

Hoe werkt dit beveiligingscircuit?

Als je het bovenstaande schema goed bekijkt, zie je dat er twee aansluitingen zijn, een voor invoer en andere voor uitvoer. De ingangsspanning wordt gevoed via de ingangsklem.

De 100K pull-up weerstand R8 trekt de SHDN-pin hoog. Dus door deze pin hoog te maken, wordt de IC ingeschakeld.

De 25mR weerstand R7 stelt de stroomgrens van dit IC in. Als je wilt weten hoe ik de 25mR-waarde voor de current sense-weerstand heb gekregen, kun je deze vinden in het berekeningsgedeelte van dit artikel.

De transistor T1, diode D2, weerstand R6 en de MOSFET Q2 vormen samen het beveiligingscircuit tegen omgekeerde polariteit. In het algemeen, wanneer spanning wordt aangelegd op de VIN- pin van het circuit, trekt de spanning eerst de SHDN-pin Hoog en voedt het IC via de VCC- pin en stroomt het vervolgens door de stroomdetectieweerstand R6 nu de diode D2 in voorwaartse voorspanning staat, dit maakt de transistor T1 aan en stroom vloeit door de transistor waardoor de MOSFET Q2 waarop ook de Q1 aan staat en nu kan stroom dwars door de MOSFET op de belasting vloeien.

Wanneer nu een sperspanning wordt toegepast op de VIN- aansluiting, bevindt de diode D2 zich in de omgekeerde bias-toestand en kan deze nu niet door de MOSFET stromen. De weerstand R3 en R4 vormen een spanningsdeler die fungeert als feedback die overspanningsbeveiliging mogelijk maakt. Als je wilt weten hoe ik de weerstandswaarden heb berekend, kun je die vinden in het berekeningsgedeelte van dit artikel.

MOSFET Q1 en Q2 vormen een externe N-MOSFET-lastschakelaar. Als de spanning stijgt tot boven de ingestelde spanning die is ingesteld door de externe feedbackweerstand, de drempelspanning overschrijdt, regelt de RT1720 IC-lijn met behulp van de externe belastingsschakelaar MOSFET's, totdat de instelbare fouttimer uitschakelt en de MOSFET uitschakelt om oververhitting te voorkomen.

Wanneer de belasting meer trekt dan het huidige instelpunt (ingesteld door de externe detectieweerstand die is aangesloten tussen SNS en VCC), bestuurt de IC de belastingsschakelaar MOSFET als een stroombron om de uitgangsstroom te beperken, totdat de fouttimer uitschakelt en de MOSFET. Ook wordt de FLT-uitgang laag, wat een fout aangeeft. De MOSFET van de belastingsschakelaar blijft aan totdat VTMR 1,4 V bereikt, waardoor er tijd is om het systeem te reinigen voordat de MOSFET wordt uitgeschakeld.

De RT1720 open-drain PGOOD-uitvoer stijgt wanneer de belastingsschakelaar volledig wordt ingeschakeld en de bron van de MOSFET zijn afvoerspanning nadert. Dit uitgangssignaal kan worden gebruikt om stroomafwaartse apparaten in te schakelen of om een systeem aan te geven dat de normale werking nu kan beginnen.

De SHDN-ingang van de IC schakelt alle functies uit en vermindert de VCC-ruststroom tot 7 μA.

Opmerking: Details over de interne functionaliteit en het schema zijn ontleend aan het gegevensblad.

Opmerking: dit IC is bestand tegen omgekeerde voedingsspanningen tot 60V onder de grond zonder schade

Circuit constructie

Ter demonstratie is dit overspannings- en overstroombeveiligingscircuit geconstrueerd op een handgemaakte printplaat met behulp van het schema; De meeste componenten die in deze tutorial worden gebruikt, zijn componenten voor opbouwmontage, dus een PCB is verplicht om te solderen en alles bij elkaar te plaatsen.

Notitie! Alle componenten zijn zo dicht mogelijk geplaatst om parasitaire capaciteit, inductantie en weerstand te verminderen

Berekeningen

De datasheet van deze IC geeft ons alle details die nodig zijn om de Fault Timer, de overspanningsbeveiliging en de overstroombeveiliging voor deze IC te berekenen.

Berekening van de condensator van de fouttimer

In het geval van een langdurige storing zal GATE herhaaldelijk in- en uitschakelen. De aan en uit timings (tGATE_ON en tGATE_OFF) worden geregeld door de TMR laad- en ontlaadstromen (iTMR_UP en iTMR_DOWN) en het spanningsverschil tussen de TMR latch en unlatch drempels (VTMR_L - VTMR_UL):

t _{GATE_ON} = C _TMR * (_{VTMR_L} - _{VTMR_UL}) / (i _{TMR_UP}) tGATE_ON = 4.7uF x (1.40V - 0.5V) / 25uA = 169 mS t _{GATE_OFF =} C _{TMR *} (V _{TMR_L -} V _{TMR_UL}) / (i _{TMR_DOWN}) tGATE_OFF = 4.7uF x (1.40V - 0.5V) / 3uA = 1,41 S.

Berekening stroomgevoelige weerstand

De current sense-weerstand kan worden berekend met de volgende formule

Rsns = VSNS / ILIM = 50mV / 2A = 25mR

Opmerking: de 50mV-waarde die wordt vermeld op het gegevensblad

Berekening van overspanningsbeveiliging

VOUT_OVP = 1,25 V x (1+ R2 / R1) = 1,25 x (1+ 100 k / 10 k) = 1,25 x (11) = 13,75 V

Testen van overspanning en stroombeveiligingscircuit

Om het circuit te testen, worden de volgende tools en instellingen gebruikt,

12V schakelende voeding (SMPS)
Meco 108B + multimeter
Hantech 600BE USB PC-oscilloscoop

Om het circuit te construeren, worden 1% metaalfilmweerstanden gebruikt en wordt geen rekening gehouden met de tolerantie van de condensatoren.

De kamertemperatuur was tijdens het testen 22 graden Celsius.

De testopstelling

De volgende opstelling wordt gebruikt om het circuit te testen

Voor demonstratiedoeleinden heb ik een buck-converter gebruikt om de ingangsspanning van het circuit te variëren

De vermogensweerstanden van 10 Ohm werken als belastingen,
De schakelaar is er om snel overtollige belasting toe te voegen. Je kunt het observeren in de onderstaande video.
De mecho 108B + toont de ingangsspanning.
De mecho 450B + toont de laadstroom.

Zoals je in de bovenstaande afbeelding kunt zien, heb ik de ingangsspanning verhoogd en begint de IC de stroom te begrenzen omdat deze nu in storing is.

Bekijk de video als het werkingsprincipe van de schakeling u niet duidelijk is.

Opmerking: Houd er rekening mee dat ik voor demonstratiedoeleinden de waarde voor de fouttimer heb verhoogd.

Toepassingen

Dit is een zeer nuttige IC en kan voor veel toepassingen worden gebruikt, waarvan er enkele hieronder worden vermeld

Automotive / Avionic Overspanningsbeveiliging
Hot-Swap / Live-invoeging
Hoge zijschakelaar voor batterijgevoede systemen
Intrinsieke veiligheidstoepassingen
Bescherming tegen omgekeerde polariteit

Ik hoop dat je dit artikel leuk vond en iets nieuws hebt geleerd. Blijf lezen, blijf leren, blijf bouwen en ik zie je in het volgende project.