Los protectores de sobretensión de alta tensión facilitan el cumplimiento de la norma MIL-STD-1275D al sustituir los voluminosos componentes pasivos

La electrónica de un vehículo militar se enfrenta a una serie de retos únicos, el principal de los cuales es el funcionamiento con una fuente de alimentación perversa. Reconociendo las difíciles fluctuaciones del suministro eléctrico que se producen sobre el terreno, el Departamento de Defensa de EEUU creó la norma MIL-STD-1275D para definir los requisitos de los sistemas eléctricos alimentados por la red de 28 V de un vehículo militar. El diseño de sistemas capaces de soportar las sobretensiones y los transitorios relacionados de la norma MIL-STD-1275D requiere tradicionalmente componentes pasivos grandes y costosos. La línea de productos de protección contra sobretensiones de Linear Technology es muy adecuada para proteger los sistemas de este tipo de sobretensiones, reduciendo el coste y el tamaño de la solución.

La norma MIL-STD-1275D define una serie de condiciones, de las cuales las más importantes son el funcionamiento en estado estacionario, las perturbaciones de arranque, los picos, las sobretensiones y el rizado. La norma MIL-STD-1275D establece los requisitos para cada una de estas condiciones en tres "modos de funcionamiento" distintos: el modo de arranque, el modo de funcionamiento normal y el modo de sólo generador.

Antes de describir los aspectos específicos de los picos, las sobretensiones, las ondulaciones y otros requisitos, veamos primero los modos de funcionamiento. Como es de esperar, el "modo de arranque" describe las condiciones que se dan cuando se pone en marcha el motor; el "modo normal" describe las condiciones en las que el sistema funciona sin ningún fallo; y el "modo sólo generador" describe una circunstancia especialmente viciosa en la que la batería se ha desconectado y el generador alimenta directamente la electrónica.

El modo "sólo generador" es una situación difícil. Normalmente, una batería enmascara la naturaleza errática del generador manteniendo una tensión relativamente constante a pesar de las fluctuaciones de la potencia del generador. No es de extrañar que los límites fijados para el modo sólo generador sean peores que los del funcionamiento normal. En la mayoría de los casos, si el sistema funciona en condiciones de modo sólo generador, no tendrá dificultades con el modo normal. (La única excepción posible es que la impedancia de fuente de 500mΩ del modo sólo generador durante una subida de tensión puede aligerar la carga en comparación con la impedancia de fuente de 20mΩ del modo de funcionamiento normal)

Estado estable

Como cualquier norma, la MIL-STD-1275D establece condiciones y requisitos detallados. El objetivo de este artículo es presentar estos requisitos, y una propuesta de solución, de forma más digerible. Se recomienda consultar la norma MIL-STD-1275D para obtener definiciones y requisitos más específicos.

La norma MIL-STD-1275D define el estado estable como "El estado en el que los valores del circuito permanecen esencialmente constantes, después de que todas las condiciones transitorias o fluctuantes iniciales hayan desaparecido. También es la condición en la que, durante el funcionamiento normal del sistema, sólo se producen cambios inherentes o naturales (es decir, no se producen fallos de funcionamiento ni se realizan cambios imprevistos en ninguna parte del sistema)."

Más sencillamente, en estado estacionario, la tensión de entrada permanece relativamente constante.

Como se muestra en la Tabla 1, el rango de tensión de entrada en estado estacionario en funcionamiento normal está entre 25V y 30V. En el modo sólo generador (la condición en la que la batería está desconectada), el rango de tensión en estado estacionario es algo más amplio, de 23V a 33V.

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Tabla 1. Especificaciones seleccionadas de la norma MIL-STD-1275D en funcionamiento normal y en modo sólo generador
EspecificaciónModo de funcionamiento normalSólo modo generador
Estado estable25V < VEN < 30V23V < VEN < 33V
Consejos250V, energía máxima=15mJIgual que el funcionamiento normal
Sobretensiones 40V Max, ~500ms, REN = 20mΩ100V Max, ~500ms, REN = 500mΩ
Ondulación Magnitud ±2VMagnitud ±7V

Puntos

En lugar de citar la definición de un espiga una espiga suele ser oscilante (timbre) y decae hasta alcanzar la tensión de equilibrio en 1 ms. La norma MIL-STD-1275D establece que estos picos se producen cuando se conmutan las cargas reactivas, y que pueden producirse durante eventos como el sonido de la bocina, el funcionamiento de la bomba de achique, el arranque y la parada del motor o la rotación de la torreta.

Figura 1: Pico MIL-STD-1275D.

Aunque esta descripción es útil para entender un pico, los requisitos reales se definen en la Figura 2 (para el modo de sólo generador). Además, en la subsección 5.3.2.3, "Picos de tensión importados en la EDUT", la norma MIL-STD-1275D describe una configuración de prueba recomendada y el tiempo de subida y la frecuencia de oscilación necesarios. Un hecho importante a tener en cuenta es que la energía máxima está limitada a 15mJ. El requisito de picos para el modo de funcionamiento normal es similar al del modo sólo generador, salvo que en lugar de un límite de 100 V a 1 ms, el límite para el modo de funcionamiento normal es de 40 V a 1 ms.

Figura 2: Envolvente de pico en modo sólo generador.

Sobretensiones

Los picos son transitorios que duran menos de 1ms subidas de tensión son transitorios que duran más. La figura 3 muestra las limitaciones para el modo sólo generador. Ten en cuenta que la prueba recomendada en la norma MIL-STD-1275D especifica que deben aplicarse cinco pulsos de 100 V de 50 ms de duración a la entrada del sistema con un tiempo de repetición de 1 s. Es interesante observar que la envolvente de la condición de sobretensión mostrada en la Figura 3 es más difícil de satisfacer, ya que no vuelve a los 40 V durante una duración completa de 500 ms. La solución que se presenta en este documento satisface ambas condiciones. De nuevo, los requisitos del modo de funcionamiento normal son más fáciles de cumplir; la envolvente de sobretensión es similar, salvo que tiene un máximo de 40V en lugar de 100V. El lector debe consultar el pliego de condiciones real para conocer los detalles que no se tratan aquí.

Figura 3: Envolvente de sobretensión en modo sólo generador.

Ondulación

La ondulación es el término utilizado para referirse a las variaciones de la tensión de entrada con respecto a la tensión continua de estado estable. Puede estar compuesto por frecuencias que van de 50Hz a 200kHz. En el modo de sólo generador, la ondulación puede ser de hasta ±7V con respecto a la tensión continua de estado estacionario. En modo normal, es algo menor, ±2V alrededor de la tensión continua estable. La especificación MIL-STD-1275D proporciona condiciones de prueba explícitas y recomienda un conjunto de frecuencias para las pruebas.

Modo de arranque

Además del modo normal y del modo sólo generador, la especificación MIL-STD-1275D define el modo de arranque, que describe los cambios de voltaje causados por el arranque y la puesta en marcha del motor. La figura 4 se muestra en la especificación MIL-STD-1275D. Comienza con una tensión continua de estado estable, luego baja a 6V durante la "Sobrecarga de inicio". En un segundo, sube al "Nivel de inicio" que tiene una tensión mínima de 16V. Vuelve a la tensión continua de estado estable en 30 segundos.

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Figura 4. Perturbaciones en la puesta en marcha.

Otros requisitos

La norma MIL-STD-1275D establece que el sistema debe soportar la polaridad inversa sin sufrir daños. Esta situación puede producirse durante el arranque si los cables de arranque están conectados al revés.

La norma MIL-STD-1275D remite a su vez a otra norma, la MIL-STD-461, para los requisitos de compatibilidad electromagnética, que queda fuera del ámbito de este artículo.

Los productos de protección contra sobretensiones de Linear Technology ofrecen una solución convincente para el cumplimiento de la norma MIL-STD-1275D. Otros diseños suelen utilizar pinzas de derivación en la entrada, lo que puede provocar daños o fundir los fusibles en condiciones de sobretensión prolongada

En lugar de derivar a tierra los niveles de energía elevados mediante voluminosos componentes pasivos, los descargadores de sobretensión de alta tensión, como el LTC4366 y el LT4363, limitan la tensión de salida mediante MOSFETs en serie cuando se enfrentan a picos y sobretensiones de entrada. Durante el funcionamiento normal, el MOSFET está totalmente reforzado para minimizar la potencia disipada en el MOSFET. Cuando la tensión de entrada se eleva durante una sobretensión o pico, un supresor de sobretensiones regula la tensión de salida para proporcionar un suministro seguro e ininterrumpido a la carga. Las funciones de límite de corriente y temporizador protegen a los MOSFETs externos de condiciones más severas.

Sobrecarga

En la norma MIL-STD-1275D, la peor condición de disipación de potencia del MOSFET se produce durante la sobrecarga de entrada de 100 V. El circuito mostrado en la Figura 5 regula la tensión de salida a 44V. Por tanto, el circuito debe dejar caer 56V desde la entrada de 100V hasta la salida de 44V. En esta solución MIL-STD-1275D, para aumentar la potencia disponible en la salida, se utilizan dos MOSFET en serie. La fuente del primer MOSFET está regulada a 66V por el LTC4366, mientras que la fuente del segundo MOSFET está regulada a 44V por el LT4363. Esto reduce la potencia que hay que disipar en cualquiera de los dos MOSFET.

Figura 5. La solución MIL-STD-1275D 4A/28V proporciona alimentación ininterrumpida a cargas de 4A, al tiempo que limita la tensión de salida a 44V durante las sobretensiones MIL-STD-1275D de 100V/500ms y los picos de ±250V; alimenta cargas de 2,8A durante el rizado de ±7V.

Las figuras 6 y 7 muestran los resultados medidos durante las pruebas de sobretensión. La forma de onda del osciloscopio de la Figura 6 muestra este circuito funcionando con la sobretensión completa de 100V/500ms MIL-STD-1275D descrita anteriormente. La figura 7 muestra este circuito funcionando con los pulsos menos estrictos de 100V/50ms descritos en las pruebas recomendadas por la norma MIL-STD-1275D.

Figura 6. Prueba de sobretensión MIL-STD-1275D 100V/500ms.

Figura 7. Prueba de sobretensión MIL-STD-1275D 100V/50ms repetida cinco veces.

Espiga

La condición de pico de +250V la maneja el MOSFET M1, que está diseñado para soportar más de 300V de drenaje a fuente. La norma MIL-STD-1275D especifica que la energía de entrada está limitada a 15mJ, lo que está bien dentro de las capacidades de este MOSFET. La figura 8 muestra que un pico de +250V en la entrada se bloquea en la salida.

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Figura 8. Pico de entrada positivo.

Del mismo modo, el resultado de la prueba de pico de -250 V se muestra en la figura 9. En esta condición, el diodo D1 está en polarización inversa durante el pico de -250V, bloqueando el pico de M2 y la salida. D1 también proporciona protección contra la polaridad inversa, evitando que aparezcan tensiones de entrada negativas en la salida. (El protector de sobretensión LTC4366 situado delante de D1 es capaz de manejar tensiones inversas y el pico de -250V sin protección adicional)

Figura 9. Pico de entrada negativo.

Hay un supresor de tensión transitoria (TVS) bidireccional opcional en la entrada para proporcionar una protección adicional. Su tensión de ruptura de 150 V no afecta al funcionamiento del circuito por debajo de 100 V. Para las aplicaciones en las que no es deseable un TVS en la entrada, se puede eliminar este componente opcional. Observa que en las figuras 8 y 9, el trazado de la tensión de salida (VOUT) durante el pico MIL-STD-1275D muestra un zumbido de alta frecuencia, que es un artefacto de medición de las grandes corrientes que fluyen en las trazas de alimentación y tierra cuando se descarga un condensador de prueba de 0,1µF directamente en la entrada del circuito con todas las resistencias e inductancias minimizadas.

Ondulación

El cumplimiento de la especificación de ondulación de la norma MIL-STD-1275D requiere algunos componentes adicionales. El diodo D1 en combinación con los condensadores C1-C12 forman un rectificador de corriente alterna. Esta señal rectificada aparece en el nodo DRAIN2.

El LT4363 en combinación con la resistencia de detección RSENTIDO limita la corriente máxima a 5 A (típica). Si el flanco ascendente de la forma de onda de ondulación de entrada intenta subir el condensador de salida con más de 5 A, el LT4363 limita momentáneamente la corriente tirando hacia abajo de la puerta M2.

Para restablecer rápidamente la tensión de la puerta, la pequeña bomba de carga formada por los componentes D3-D4, C13-C15 complementa la bomba de carga interna del LT4363 para subir rápidamente la puerta del MOSFET M2. A pesar de ello, la corriente de carga disponible debe reducirse a 2,8 A durante esta condición de ondulación. La figura 10 muestra que la salida permanece alimentada durante la prueba de ondulación.

Figura 10. 14VP-P condición de ondulación de entrada.

Térmico

Por último, la protección térmica se realiza mediante los componentes Q1, Q2, R1-R4 y el termistor RTHERM. Si la temperatura del disipador M2 (HS3) supera los 105°C, el pin UV del LT4363 es arrastrado hacia abajo por Q2A para forzar el apagado del MOSFET M2 y limitar su temperatura máxima.

Hay que tener en cuenta que, con los componentes especificados, este circuito sólo está garantizado para funcionar hasta un mínimo de 8V durante el impulso inicial del modo de arranque, en lugar de los 6V mínimos especificados en la norma MIL-STD-1275D.

Normalmente, se coloca un filtro EMI en la entrada de los sistemas que cumplen la norma MIL-STD-1275D. Aunque los supresores de sobretensión no eliminan la necesidad de filtrado, su funcionamiento en modo lineal no introduce ruido adicional.

Los productos de supresión de sobretensiones de Linear Technology simplifican el cumplimiento de la norma MIL-STD-1275D, ya que utilizan MOSFETs para bloquear las sobretensiones y los picos de entrada de alto voltaje, a la vez que proporcionan una alimentación ininterrumpida a los circuitos posteriores. Bloquear la tensión con componentes en serie evita que se fundan los fusibles y los daños que pueden producirse cuando los circuitos intentan desviar la alta energía a tierra con componentes pasivos voluminosos. Además, este trabajo ha demostrado que incluso cuando la máxima disipación de potencia transitoria (como durante una subida de tensión) supera la capacidad de un solo MOSFET, se pueden utilizar varios MOSFET en serie para soportar niveles de potencia más elevados.

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