Защита электронной нагрузки. Часть первая: отключение входа

Давно хотелось защитить свою электронную нагрузку от обратной полярности на входе. А то, что с ней тестируется — от теплового пробоя в самой нагрузке. Диод с предохранителем на входе показались слишком простым вариантом:) Зато выбранное решение с «полевиком», для меня оказалось совсем не таким простым, каким казалось вначале. Подробности — под cut.

Заранее извиняюсь: как-то неожиданно даже для меня самого, букв получилось многовато. Решил не всё сокращать, поэтому разбил статью на две части. Для начинающих вроде меня, так должно быть понятнее, а может даже и интереснее. А опытные, если их вообще это заинтересует, мои ненужные рассуждения просто пролистают:
Схема отключения входа
Реализация
Выводы

Зачем?

В моей простой электронной нагрузке из китайского конструктора никаких защит предусмотрено не было. Судя по схеме, при переполюсовке, внутренние диоды в силовых полевых транзисторах будут создавать КЗ на шунты. И тогда кто-то из них может сгореть, или шунт, или внутренний диод. Для защиты от такого, установил входные разъёмы, не допускающие подачи обратной полярности. Но в процессе сборки оно всё же случилось. ЛБП ушёл в ограничение тока, поэтому успел отключить нагрузку до выхода из строя. Так и выяснил, что некоторый запас у нагрузки есть. А ещё, что одних разъемов для защиты явно недостаточно, провода-то к ним сам паяю ;) Хорошо, когда с ЛБП, а вот с аккумулятором могло быть немного (а то и уже гораздо) неприятнее. В общем, решил сделать защиту, поискал варианты и кроме диодов ничего не попалось. Не устроило, на некоторое время забросил.

По мере эксплуатации, к этому простому устройству, как в кашу из топора, постепенно добавлялись разные элементы для повышения удобства. На входе, для замеров тока и напряжения и их отображения микроконтроллером, был установлен датчик INA226. Упрощенно, как-то так:

И вот недавно, в пылу прикручивания энкодера к нагрузке, при настройке ЦАП, опять при подключении ЛБП умудрился перепутать провода. Ограничение тока на ЛБП было максимально задрано: как раз тестировал ЦАП по диапазону установки тока. Увидел волшебный дым, почувствовал запах, среагировал довольно быстро. Индикатором в этот раз сработал INA226 и благодаря ему, до выгорания шунтов или внутренних диодов в транзисторах дело не дошло. Поэтому сразу после перепайки, занялся защитой вплотную, обратил внимание и на варианты, предлагаемые ИИ.

Реализация. Идея

Самый простой и действенный способ защиты от обратной полярности — с диодами, не очень нравился прежде всего тем, что слишком простой при токах 5А и больше, эти диоды очень прилично греются. Ещё и на ~целый вольт поднимается нижний порог напряжения, при котором работает нагрузка. А т.к. с мелкими модулями мне иногда приходится возиться, то и возможность работы нагрузки с напряжениями около 0.8В на входе, терять бы не хотелось. Есть, конечно, ещё Шоттки, но ведь мне и от КЗ защиту тоже хотелось, а значит нужно что-то, чем можно управлять.

Тут нужно пояснить, зачем вообще мне нужна общая защита по входу, а не по каждому каналу. Понятно, что на каждом канале токи поменьше, чем в общем. И если использовать Шоттки, то и нагрев на 2А будет умеренный. Но, во первых, еще раз повторюсь, что мне нужна защита не только от обратной полярности, но и от перегрузки. А во вторых помимо самих каналов, есть ещё INA226, её входы тоже нужно защитить. Ну и в третьих, собственно коммутация входа тоже нужна, даже просто ради удобства. А коммутация с реле, как у меня сейчас реализовано — не самый надёжный способ.

Управлять можно мощными полевыми транзисторами, у них сопротивление канала — десяток мОм, а у современных и вовсе единицы, такие токи они вообще не должны замечать. Тем более к своему блоку питания давно такую штуку приспособил, и она там замечательно работает. Однако, все мои попытки припаять P-канальный в плюс или N-канальный полевой транзистор в минус нагрузки, завершились неудачно — они грелись и не отключались до конца. Безрезультатно покрутил их и так и этак, понял, что чего-то не понимаю, продолжил поиски.

В контексте именно электронной нагрузки, почему-то, мало что находилось. Разве что убедился, что так вообще делают :) И помощь бесплатного ИИ, встроенного в браузер, с поиском информации оказалась поинтереснее: ИИ стал предлагать решения со ссылками. И хотя, ИИ доверяю в вопросах схемотехники так же как и себе — т.е. совсем не доверяю, всё же постарался ещё и прочитать и осмыслить все те статьи, что заботливо подсунул ИИ. И те, что самому удалось найти обычным поиском по этой теме — тоже.

Транзисторы для отключения входа можно использовать и с P- и с N-каналом. И использовать их можно для отключения и плюсового и минусового входа. Есть особенности для каждого из таких вариантов. Почему-то, в тех немногих статьях, именно для электронной нагрузки не рекомендуют использовать отключение минусового входа. Не до конца понял, почему: пишут, что разделяется «земля» источника питания и схемы управления и что это может увеличить погрешность измерений. И что есть опасность попадания напряжения на измерительные цепи. Вроде логику в этом увидеть можно, но, думаю, это от каждой конкретной схемы зависит. Поначалу не стал погружаться так уж очень глубоко, и так уже утонул решил, что и по плюсу отключать тоже будет нормально.

Дальше долго выбирал, какие именно полевые транзисторы использовать. N-канальные использовать предпочтительнее: у них меньше сопротивление открытого канала, больше токи и меньше греются. И стоят обычно дешевле, при прочих равных. Но при их использовании, придется для надежного открытия, на затвор подать напряжение на 10В выше, чем на плюсовом входе нагрузки. Их нужно где-то взять, например использовать какую-то схему накачки. В одной статье рекомендовали MAX16128 и TPS2662x, но их доступность и стоимость мне не понравились. Некоторое время пытался понять возможность использования специальных драйверов верхнего и нижнего плеча, у которых есть эта самая накачка. Но понял, что, по крайней мере у тех, что мне попались, накачка работает именно в импульсных схемах и в моем случае работать не будет. Так что пока отставил этот интересный вариант.

После этого сначала выбрал вариант с P-канальными. Схема защиты с их применением показалась очень простой, до неприличия:
Но как всегда, по мере погружения в тему, оказалось всё «немного сложнее»(ц). Схема проста только при напряжениях от грубо 8-10В и до 20В. Если на плюсе минус, а на минусе — плюс, то транзистор будет совсем закрыт — для открытия P-канального транзистора нужен отрицательный потенциал на затворе относительно истока. Стоит поменять полярность на нормальную и транзистор будет открыт «на полную». Однако у защищаемой нагрузки, на входе может быть, условно, от 0 и до 36В (ограничение INA226). При 36В превышается максимальное напряжение затвор-исток, которое обычно нельзя больше ±20В. Но с этим можно просто побороться — нашёл в нескольких статьях про защиты, что достаточно добавить стабилитрон на ~10-15В между затвором и истоком. А вот с «от 0В» просто так уже ничего не получится: транзистор попросту не откроется, «отработает» только паразитный диод, а этого мало. Можно поискать с более низким напряжением затвора, но ниже 4-5 не получится, да и у мощных обычно всё же 8-10В. При таком включении транзистора, подразумевается, что при правильной полярности он открыт всегда.

Что бы P-канальный транзистор гарантировано открывался и при условно 0В на входе, нужно откуда-то взять эти -10В на затворе. Вспомнился обзор Kirich, про микросхемы с накачкой на конденсаторах, способных из положительного напряжения сделать отрицательное. Оказалось, что они вполне доступны в том же ЧипДипе: Ссылка lmc7660.

Но у меня ситуация оказалась даже немного проще: маленький 50гц трансформатор, питающий схему имеет две одинаковые независимые обмотки 12В, которые у меня просто включены параллельно. Суммарно, с них можно до ~160 мА. Померил, сколько сейчас потребляет вся схема нагрузки, оказалось около 60 мА (Вентиляторы и контроллер питаются от отдельного импульсного БП). Решил одну обмотку использовать для -12В.

Поскольку тема для меня довольно новая, то в этот раз, решил схему нарисовать сначала, а не потом, как у меня это обычно бывает.

Первый, простой (и неправильный), черновик схемы защитного отключения при обратной полярности, получился такой:
Работоспособность этой схемы на практике даже не проверял, захотелось сразу доработать. И хорошо. Потому что, уже тут стоило бы остановится. А ещё была спроектирована и схема быстрого отключения, и схема защиты от перегрузки и КЗ. И после пары недель выстраивания всей этой конструкции. До меня наконец-то дошло, что в таком виде схема работать попросту не будет. Вообще в любом варианте включения P-канального транзистора (как впрочем и N-канального), его внутренний диод будет всегда открыт либо при правильной полярности, либо при обратной. Думаю, из-за этого у меня и не получалось раньше его включить в схему. Поэтому, для работоспособности схемы, нужно транзисторы включать «встречно», только тогда их можно будет отключать. Тут стало немного грустно — суммарное сопротивление перехода у уже закупленных пары IRF4905, включенных последовательно — 40 мОм. Само по себе это не страшно, но при 8А, на каждом корпусе уже существенно больше 1Вт будет, радиатор потребуется. Собирался включить их в параллель, тогда бы всего 10 мОм было бы, и тогда без радиатора можно. Теперь же, чтобы снизить его, хотя бы до как у одного, параллельным включением, потребуются уже целых четыре штуки. Учитывая его стоимость и не особо выдающиеся характеристики, пришёл к выводу о неверности выбранного направления.

Есть плюсы в рисовании схемы ДО пайки :) Решил вернуться к N-канальным транзисторам: у них характеристики получше, они дешевле. Тут уже как-то быстро до меня дошло, что трюк с использованием второй обмотки трансформатора, ничего не мешает и тут использовать — ведь можно подключить минус выходного стабилизатора к плюсовому входу нагрузки и получить те самые +12 вольт для стабильного открытия транзисторов.

Используя наработки с предыдущей схемы, довольно быстро переделал схему включения-отключения. Получилось что-то такое:
Оптопара потребовалась для управления драйвером в схеме с источником с «плавающей землей». А пара биполярных транзисторов BD-130 и BD-140, нужна для ускорения включения и выключения мощных коммутирующих транзисторов.

Про ускорение: с детства запомнилось одно из следствий закона Мерфи, что-то вроде: самый быстродействующий предохранитель успеет дать сгореть защищаемой схеме ;) В общем, отключение коммутирующих транзисторов в случае срабатывания защит должно происходить быстро, чтобы защищаемая схема успела «выжить», а не сгореть. Вот на это «быстро» было потрачено изрядное количество времени «в предыдущей серии» с IRF4905. Вспомнил, что пока читал про драйверы, видел варианты с простыми транзисторами для ускорения переключения. Общий смысл драйвера — он нужен для быстрого включения и выключения мощного полевого транзистора. При отключении нужно ускорять разряд ёмкости затвора — через штатный резистор это происходит довольно долго, ведь ёмкость эта, у мощных полевых транзисторов довольно большая. Быстрое включение мне не особо нужно, но смысл тот же — только ускорять нужно уже заряд затвора. Один их вариантов сделать это — с помощью комплементарной пары биполярных транзисторов, такое включение называют где-то Totem-Pole, а где-то Push-Pull, схематическую разницу между ними не понял.

Попросил совета у ИИ. И тут началось: ИИ в разных сессиях предлагал много вариантов схемы ускорения: и на двух раздельных для каждого силового транзистора маломощных PNP транзисторах, и со «слабым» полевым транзистором и биполярным. И в разных вариантах включения, в т.ч. и полностью не работоспособных. Для меня такое плохо: когда знаний мало, их не хватает чтобы отсечь полезное от полной ерунды. Тогда приходится проверять всё на практике — а это не только потеря времени, но иногда ещё и недешёвых деталей.

Позже, ИИ всё же выдал более интересное и заманчивое для меня решение: оптодрайверы затвора. Правда, пока возился с P-канальными и его возможными 48В на затворе, почему-то решил что они не подойдут: они до 30-35В. Зато, после перехода на N-канальные и отдельный изолированный источник питания, очень даже «стали подходить». Нашёл довольно недорогой изолированный драйвер затвора CA-IS3211. С ним чуть уменьшилась возможность накосячить деталей в схеме стало чуть поменьше, с моим опытом это важно. Получилась такая схема:
Входной диод драйвера управляется маломощным полевым транзистором, сюда будут подключаться выходы защит и включение-выключение нагрузки с МК. Это будет общий вход для всех защит.

Коммутирующие транзисторы решил по паре штук включить в параллель, для снижения падения напряжения и нагрева. Если буду подключать параллельные каналы для увеличения мощности, могут пригодиться.

Ещё ИИ убедил меня не выкидывать стабилитроны 15В между затворами и истоками, хотя мне кажется, что они уже не особо тут требуются. И добавить двунаправленный защитный диод на вход, для защиты от индуктивных выбросов при резком отсоединении проводов при срабатывании защит. Мне в таких вопросах опыта пока не хватает.

Реализация. Практика

Схему коммутации и защит дорисовал с разбиением на модули и разъёмы. Мне так легче осмыслить задачи по пайке: разводить платы только учусь. И использую для пайки различные макетки. Для плат с небольшим количеством деталей — «и так сойдет».

Ну и быстренько спаял эту схемку на макетке с шахматами и поэтессами с этим быстрым драйвером и четырьмя бывшими под рукой IRFZ46. Драйвер после подгиба ножек кое-как влез на переходную плату SOP-14 — SSOP-14.
Разделил обмотки трансформатора и спаял на макетке одинаковые простейшие БП — MB10M + 470мкФ х 25В + LM7812 + 0.1мкФ. Добавил шунты, разъёмы для подключения будущих защит. И даже предусмотрел разные разъёмы для питания, чтобы не путать основной и изолированный.
Но по иронии судьбы, в схеме защитного отключения, в том числе и от обратной полярности, умудрился перепутать полярность разъёма питания. (Рука-Лицо.Жпг). Штош, транзистор и драйвер пришлось заменить. И… оно опять не подключает входы. Не сразу, но довольно быстро с помощью ИИ разобрался, что перепутал ещё и полярность включения тех самых то-ли нужных, а то-ли уже не очень, затворных стабилитронов, убрал их совсем. И вот тогда, наконец-то, оно заработало!
Впервые у меня такое — почти месяц «проектирования», а спаял и запустил за пару вечеров. Но если бы с моим опытом сразу кинулся паять, то испорченных деталей было бы намного больше ;)

На первых порах, воткнул эту плату на переднюю панель, подпаял силовые провода, подключил к МК для включения и выключения, заменил существующее реле. Его, кстати, подумал и всё же оставил — без подключения в коммутирующую цепь, просто уже привык именно к такой «озвучке» включения и выключения.

В целях освобождения места под плату коммутации и защиты, пришлось убрать разъём usb-c с передней панели. Его было не жалко: за год использовал всего пару раз. Обычно, для тестирования использую usb-триггеры с выходным разъемом XT-60. Убрал и многоборотный резистор — после калибровок ЦАП по нескольким точкам, смог повысить точность выставления нагрузочного тока в начальном диапазоне, для остальных токов меня и так всё устраивало. Алгоритм поиска и установки значения тоже удалось немного улучшить, и теперь резистор мне не требуется. Разве что для особых случаев. Кнопку подключения нагрузки также демонтировал — она была параллельной энкодеру и в последнее время перестал ей пользоваться. Усилием воли сумел подавить в себе мысль оставить, оставшиеся от снятых компонентов дырки на передней панели, якобы, для лучшей вентиляции. Пришлось заклеить их тонким серым пластиком, остатками от слишком длинного фотофона. Получилось опять как-то недоделано: чего-то не хватает, хотя бы рамок. Но ничего хорошего не придумалось, опять отложил это до следующих крупных переделок.

Выводы

Пока что заработала только первая часть — отключение схемы нагрузки. Уже работает управление и простейший, но очень медленный вариант защиты на МК — отключение при низком напряжении менее 0.4В на входе (UVP) и при перегрузке более 10А (OCP). Пока что это просто несколько строчек в коде, но даже с такой защитой уже чуть поспокойнее :)

Надо ещё отметить, что в контексте скорости, выбор в качестве коммутирующих IRFZ46N точно не самый лучший, они просто «были под рукой». Скорость полного отключения этих 4 IRFZ46N, даже с драйвером оставляет желать лучшего. «Беспощадная» оценка ИИ утверждает, что запросто потребуется 2 мкс. и даже более. Это на три порядка быстрее реле, но, для защиты от переполюсовки всё равно многовато, хотя, при наличии дополнительных решений, уже терпимо. Если же использовать что-то более современное, можно добиться большего сокращения. Например, если взять недорогие CRSS052N08N. То при их установке, с их ~5мОм будет достаточно всего пары штук: при токе до 10А, мощность на одном корпусе будет меньше 1Вт. И с корпусом TO-263 можно даже будет обойтись без радиатора. А по скорости, оценка ИИ говорит уже о 200-250 нс для их полного отключения. Что, согласитесь, уже существенно лучше. Хотя-бы в теории ;)

Остальные, более быстрые защиты от переполюсовки, перенапряжения и КЗ (RPP, OVP и SCP) работают пока что на беспаечной макетной плате. Нахожусь в процессе изобретения очередного велосипеда. Мне это интересно, узнаю много нового. Возможно, что-то из этого, даже кому-то пригодится. Уверен, что много где накосячил ошибся в проектировании, хотя оно и работает.
Для завершения второй части, потребуется некоторое время. Буду рад конструктивным советам: очень помогают.

P.S.