Защита преобразователя от подачи напряжения обратной полярности

Если DC/DC-преобразователи не защищены от ошибок в полярности их подключения – переполюсовки, то это почти наверняка приведет к немедленному отказу преобразователя. Основная причина заключается в наличии защитного диода в структуре полевого транзистора, который выполняет роль основного ключевого элемента преобразователя. Диод, который используется в обратном включении, при несоблюдении полярности напряжения, оказывается в режиме прямой проводимости и через него начинает течь очень большой ток. Этот ток может привести к отказу элементов первичной цепи преобразователя.

Чтобы избежать этой угрозы, существует несколько вариантов защиты:

  • последовательно включенный диод;
  • параллельно включенный диод с предохранителем;
  • последовательно включенный p-канальный полевой транзистор;
  • предохранитель.

Самый простой способ защитить DC/DC-преобразователь от повреждений, вызванных переполюсовкой при подключении входных цепей, – это подключение последовательного диода по входу. Такая схема представлена на рисунке 1.

 

Если напряжение питания подано в обратной полярности (реверсировано), то диод не дает течь току во входною цепь DC/DC преобразователя. Данная схема имеет серьезный недостаток, который особенно проявляется при низких входных напряжениях. В зависимости от типа диода, его прямое падение напряжения может составить от 0,2 В до 0,7 В. Это сопровождается соответствующей потерей мощности, что снижает как коэффициент полезного действия (КПД), так и входное напряжение.

Такого недостатка, как прямое падение напряжения на диоде, можно избежать, если применить защиту преобразователя с помощью шунтирующего (параллельно включенного) диода и последовательно включенного предохранителя (см. рис. 2).

 

В этом случае при обратной полярности подключения, напряжение на входе преобразователя теоретически ограничено уровнем около минус 0,7 В. Но даже этого напряжения может быть достаточно, чтобы повредить некоторые преобразователи. К тому же и предохранитель имеет некоторое падение напряжения, зависящее от входного тока, поэтому и в данном случае будут потери мощности.

Третий вариант защиты заключается в использовании последовательно включенного p-канального
полевого транзистора (см. рис. 3).

 

Конечно, полевой транзистор является самым дорогим решением, но сам транзистор относительно недорог по сравнению со стоимостью преобразователя. Максимальное напряжение затвор-исток должно превышать максимальное напряжение питания или максимально возможное напряжение обратной полярности. Кроме того, транзистор также должен иметь наиболее низкое значение сопротивления канала в открытом состоянии. Приемлемым является сопротивление около 50 мОм. В этом случае, если напряжение питания подключено правильно, то полевой транзистор будет полностью открыт и при входном токе преобразователя в 1 ампер, падение напряжения на транзисторе составит около 50 милливольт.

Входной предохранитель может применяться как в качестве защиты в схеме с шунтирующим диодом (см. рис. 2), так и без шунтирующего диода. В любом случае предохранитель не должен срабатывать на самом большом допустимом входном токе при нормальном режиме работы преобразователя. Так же необходимо учитывать, что в момент включения пусковой ток преобразователя значительно выше, чем его максимальный рабочий ток, поэтому необходимо выбирать «замедленный» предохранитель.

Сочетание высокого номинального тока предохранителя и задержка его срабатывания также означают то, что в случае переполюсовки шунтирующий диод должен быть рассчитан на соответствующий предохранителю ток, а блок питания должен иметь возможность дать достаточный ток для срабатывания предохранителя.

Если источник питания подключен ошибочно и предохранитель перегорел, то он должен быть заменен до того, как преобразователь будет снова включен. В случае, если цепь должна оставаться постоянно отключенной от шины питания до тех пор, пока причина неисправности не будет устранена с помощью команды технического обслуживания, это может быть преимуществом.

Для автоматического восстановления работоспособности после устранения переполюсовки, используются так называемые самовосстанавливающиеся предохранители. Это устройства с положительным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), то есть их сопротивление увеличивается при повышении температуры. При переполюсовке такой предохранитель быстро нагревается проходящим через него током до температуры плавления его внутренней зернистой структуры. При этом его сопротивление резко возрастает, и этим обеспечивается эффективное отключение преобразователя до некоторого минимального тока, называемого током удержания предохранителя. При отключении питания или снятия перегрузки, такой предохранитель остывает и автоматически восстанавливает свою исходную проводимость.