Fusible electrónico de 10 A que permite una protección compacta contra sobrecorriente para fuentes de alimentación de 48 V

Resumen

Tradicionalmente, los fusibles se utilizan para la protección contra sobrecorriente. Sin embargo, los fusibles tienen un tamaño voluminoso, responden lentamente, tienen una amplia tolerancia a la corriente de disparo y requieren reemplazo después de uno o varios disparos. Este artículo describe un fusible electrónico compacto, de bajo perfil y rápido de 10 A que supera estas deficiencias de los fusibles pasivos. El fusible electrónico proporciona protección contra sobrecorriente en rieles de fuente de alimentación de hasta 48 V CC.

Introducción

Para minimizar el tiempo de inactividad del sistema causado por fallas eléctricas, las fuentes de alimentación en sistemas de alta disponibilidad o 24/7/365 necesitan protección contra sobrecargas y cortocircuitos en el tablero que alimentan. La protección contra sobrecorriente para un suministro es esencial cuando alimenta varios subsistemas o placas, como conjuntos de amplificadores de potencia de RF o servidores y enrutadores basados ​​en backplane. La desconexión rápida del subsistema defectuoso del bus de suministro de energía compartido permite que los subsistemas restantes continúen funcionando sin reiniciar ni desconectarse.

La protección contra sobrecorriente tradicional (OCP) se basa en fusibles, pero sufren de tamaño voluminoso, respuesta lenta, tolerancia amplia y requieren reemplazo después de uno o varios viajes. Las soluciones OCP de circuitos integrados para fuentes de alimentación de CC, conocidas como disyuntores electrónicos o fusibles electrónicos, superan estas desventajas de los fusibles. Para ahorrar espacio en la placa y asemejarse a la simplicidad de un fusible pasivo, los fusibles electrónicos incluyen el interruptor MOSFET de potencia junto con el circuito de control en el mismo paquete.

Surge Stopper con MOSFET de potencia interna

Un limitador de sobretensiones es un dispositivo de circuito integrado que controla un MOSFET de potencia de canal N colocado en la ruta de alimentación entre una fuente de alimentación de CC (por ejemplo, 12 V, 24 V o 48 V) y los componentes electrónicos del sistema que necesitan protección contra el voltaje de entrada y sobrecargas de corriente de carga. La limitación integrada de corriente de salida y voltaje de salida permite que un limitador de sobretensiones proteja los componentes electrónicos de carga de sobretensiones de entrada de alto voltaje y proteja la fuente de alimentación de sobrecargas y cortocircuitos aguas abajo. Un temporizador ajustable se activa durante los eventos de limitación de picos de voltaje o corriente, lo que permite la operación continua del sistema, sin apagarse, para breves fallas transitorias. Si la falla persiste más allá de la duración del temporizador, el sistema se desconecta de la fuente de alimentación.

El LTC4381 es el primer limitador de sobretensiones con un MOSFET de potencia interno. Funciona con voltajes de suministro de hasta 72 V y consume solo 6 µA de corriente de reposo. El voltaje de ruptura de la fuente de drenaje de 100 V del MOSFET de potencia interna (BV_DSS) y 9 mΩ en resistencia (R_{DS (ENCENDIDO)} ) permiten sobretensiones de entrada de hasta 100 V y aplicaciones de 10 A. El LTC4381 tiene cuatro opciones que ofrecen una opción de comportamiento de reintento de falla y voltaje de bloqueo de salida fijo o ajustable.

Circuito de fusible electrónico de 48 V, 10 A

La función de protección contra sobretensiones del LTC4381 se puede ampliar fácilmente para que funcione como un fusible electrónico. La Figura 1 muestra el LTC4381-4 en una aplicación de fusible electrónico de 48 V, 10 A, que protege la fuente de alimentación de una sobrecarga o un cortocircuito en la salida. Durante el funcionamiento normal, la salida V_AFUERA está conectado a la entrada de alimentación V_EN a través del MOSFET de potencia interno y la resistencia de detección externa, R_{redes sociales}. Cuando la R_{redes sociales} la caída de voltaje excede el umbral del límite de corriente de 50 mV durante una sobrecarga de salida o un cortocircuito, el voltaje del capacitor de clavija del TMR comienza a aumentar desde 0 V y el MOSFET interno se apaga cuando el voltaje del TMR alcanza los 1,215 V (más sobre esto más adelante). Los 4 mΩ R_{redes sociales} establece el umbral de sobreintensidad típico en 12,5 A (50 mV/4 mΩ) y el umbral mínimo en 11,25 A (45 mV/4 mΩ), proporcionando suficiente margen a la corriente de carga de 10 A.

Debido a la inductancia parásita de la traza o el cable de regreso al suministro, el voltaje de entrada aumenta significativamente por encima del voltaje de funcionamiento normal siempre que el interruptor MOSFET interno se apaga mientras fluye la corriente. Zener D1 protege el LTC4381 V_CC clasificación máxima absoluta de 80 V del pin, mientras que D2 protege el MOSFET interno de 100 V de avalanchas. D1 también establece la abrazadera de salida en 66,5 V (56 V + 10,5 V) en caso de que no se utilice D2. R1 y C1 filtro V_EN picos y caídas. Si hay capacitancia cerca del LTC4381 que limita los picos de voltaje por debajo de 80 V, entonces el V_CC el pin se puede conectar directamente a V_EN. En este caso se podrían eliminar D1, D2, R1 y C1.

Con 10 A fluyendo a través del MOSFET interno durante el funcionamiento normal, la caída de voltaje inicial del LTC4381 es de 90 mV y la disipación de potencia es de 900 mW. Sin embargo, esta disipación de energía eleva la temperatura del paquete LTC4381 a unos 100 °C en una placa de evaluación DC2713A-D a temperatura ambiente, duplicando la R_{DS (ENCENDIDO)} y elevando la caída de tensión a 180 mV. La resistencia de detección de 4 mΩ cae otros 40 mV a 10 A. Se puede gastar más área de cobre, especialmente en el nodo SNS, para reducir el aumento de temperatura del LTC4381. Como referencia, el nodo SNS DC2713A-D utiliza 2,5 cm² de 2 onzas cobre, repartido uniformemente en las dos capas exteriores del tablero.

Comportamiento de puesta en marcha

Después de que el pin ON se libera de tierra, el circuito de la Figura 1 inicia un capacitor de carga de 220 µF, como se muestra en la Figura 2, para suministros de 48 V y 60 V. Se supone que 60 V es el límite superior del rango operativo del suministro de 48 V. 220 µF es el capacitor de carga máxima que este circuito de 10 A puede cargar de manera segura, suponiendo que no haya corriente de carga adicional durante el arranque. Si el condensador de 220 µF se carga hasta 60 V con el límite de corriente de 12,5 A, el tiempo de irrupción es de 220 µF × 60 V/12,5 A = 1,06 ms. El gráfico del área de operación segura (SOA) del MOSFET LTC4381, como se muestra en la Figura 3, revela que puede sobrevivir a 12,5 A y 30 V durante 1 ms. Se utilizan 30 V, ya que es el voltaje diferencial promedio de entrada a salida, que comienza en 60 V y desciende hasta 0 V.

Dado que no hay un condensador de pines GATE para reducir su velocidad de rampa, la salida se carga en 2 ms y la corriente de entrada alcanza un máximo de 17 A, superando el umbral del límite de corriente, antes de estar bajo control (consulte la Figura 2). El LTC4381 tiene un umbral de detección de límite de corriente de 50 mV, o 12,5 A con una resistencia de detección de 4 mΩ cuando el voltaje en el pin OUT es >3 V, pero aumenta a 62 mV o 15,5 A cuando el voltaje en el pin OUT es < 1,5 V, como se muestra en la Figura 4. Este gráfico también indica que la salida puede atascarse en 2 V (y TMR se agota) si una corriente de carga electrónica cae más de 20 mV (5 A para 4 mΩ) a través de la resistencia de detección durante el arranque .

Las formas de onda en la Figura 2 muestran que la corriente de irrupción pulsa en lugar de regularse debido a la falta del capacitor de compuerta de 47 nF requerido para la estabilidad del bucle. De hecho, la corriente se corta durante unos 0,5 ms durante la irrupción de 60 V. La corriente pull-up LTC4381 TMR es proporcional a la disipación de potencia en el MOSFET interno. Por lo tanto, TMR aumenta durante la irrupción de arranque incluso si la corriente está por debajo del umbral del límite de corriente. El capacitor de compuerta se ha omitido deliberadamente para permitir un capacitor TMR pequeño que todavía permite un arranque exitoso para el capacitor de carga de 220 µF. Un pequeño condensador TMR protege el MOSFET durante una falla de cortocircuito, que se analizará en la siguiente sección.

68 nF es el condensador TMR más pequeño que mantiene el aumento de voltaje TMR en alrededor de 0,7 V durante el arranque de 60 V. Por ejemplo, elegir 47 nF para el condensador TMR permite que TMR alcance 1,15 V durante un arranque de 60 V, que está muy cerca del umbral de desactivación de compuerta de 1,215 V. Se elige un voltaje objetivo de TMR pico de 0,7 V para proporcionar un margen adecuado desde su umbral de desactivación de compuerta de 1,215 V teniendo en cuenta estas tolerancias: ±50 % para la corriente de activación de TMR (I_TMR(ARRIBA) en la hoja de datos LTC4381, ±10 % para el condensador TMR y ±3 % para el umbral de desactivación de puerta TMR de 1,215 V (V_RTM(F)especificación).

La Tabla 1 enumera el condensador TMR recomendado para un condensador de carga máxima para limitar el aumento de voltaje TMR a alrededor de 0,7 V durante un arranque de 60 V.

Tabla 1. C recomendado_RTM para c_{CARGA (MÁX.)}.

CCARGA (MÁX.)	CRTM
12 µF	10nF
47 µF	22nF
90 µF	33 nF
140 µF	47 nF
220 µF	68 nF

Comportamiento de cortocircuito de salida

El propósito principal del circuito de la Figura 1 es proteger la fuente de alimentación aguas arriba de fallas de sobrecorriente aguas abajo, como sobrecargas y cortocircuitos, ya sea durante el arranque o la operación normal. La figura 5 muestra el LTC4381 iniciando su MOSFET en presencia de un cortocircuito en la salida. El voltaje de la puerta (curva azul) aumenta. Cuando excede el voltaje de umbral de 3 V, el MOSFET se enciende y la corriente (curva verde) comienza a fluir. Debido al cortocircuito de salida y la falta de un condensador de compuerta, la corriente del MOSFET aumenta rápidamente, superando el umbral de límite de corriente de 15,5 A a una salida de 0 V, y alcanza un máximo de 21 A antes de que el LTC4381 reaccione para bajar la compuerta MOSFET y apagarse. el flujo de corriente La excursión de corriente por encima de 15,5 A dura menos de 50 µs. Debido a la breve disipación de energía en el MOSFET, el voltaje TMR (curva roja) aumenta en rampas de aproximadamente 200 mV. Dado que TMR está muy por debajo del umbral de desactivación de la compuerta de 1,215 V, la compuerta se enciende nuevamente, lo que genera otro pico de corriente. Con cada pico de corriente, el voltaje TMR se acerca a 1,215 V.

Después de algunos de estos picos de corriente, el voltaje de TMR alcanza el umbral de desactivación de puerta de 1,215 V y el MOSFET se mantiene apagado. El TMR ahora entra en un ciclo de enfriamiento y el LTC4381-4 no permite que el MOSFET se vuelva a encender hasta que se complete el ciclo de enfriamiento. Para un capacitor TMR de 68 nF, el ciclo de enfriamiento es de 33,3 × 0,068 = 2,3 s de largo, según la Ecuación 8 en la hoja de datos LTC4381. Dado que el LTC4381-4 vuelve a intentarlo automáticamente, el mismo patrón de picos de corriente y ciclo de enfriamiento se repetirá indefinidamente hasta que se elimine el cortocircuito de salida. El patrón se repite si el cortocircuito de salida ocurre durante el funcionamiento normal, es decir, cuando la salida ya está activada. Tenga en cuenta que un LTspice^® la simulación no exhibe el comportamiento de la Figura 5 a menos que se agreguen 4 µH de inductancia del riel de entrada.

Conclusión

El MOSFET de alimentación interno del LTC4381 proporciona un circuito compacto para un fusible electrónico o disyuntor para sistemas de hasta 48 V, 10 A. Se elimina el tiempo de diseño dedicado a elegir un MOSFET de potencia. La SOA del MOSFET LTC4381 está probada en producción y garantizada para cada dispositivo, una garantía que no está disponible con los MOSFET discretos. Esto ayuda a construir una solución robusta para proteger la electrónica costosa en servidores y equipos de red.

Debido a la ausencia del condensador GATE de estabilización de bucle, el circuito de 10 A analizado en este artículo tiene algunos comportamientos únicos que deben tenerse en cuenta. Específicamente, estos son la falta de la corriente de entrada controlada tradicional dV/dt y las corrientes pulsantes durante un evento de cortocircuito. Sin embargo, estos son eventos transitorios breves, que duran menos de unos pocos milisegundos. La capacitancia de derivación de entrada puede ayudar a evitar las perturbaciones resultantes en el suministro de 48 V, especialmente si se comparte con otras placas, por ejemplo, en un backplane. En el último caso, la capacidad de carga de las placas adyacentes también tiene el mismo propósito que la capacidad de derivación de entrada.