Pytanie:

Czy można łatwo i precyzyjnie ograniczyć prąd płynący do obciążenia?

Odpowiedź:

Tak, dostępne są układy scalone ograniczające dopływ prądu.

W niektórych zastosowaniach związanych z zarządzaniem energią wymagane jest precyzyjne ograniczanie prądu. Jest to konieczne w celu ochrony źródła energii, jeśli na przykład napięcie obwodu pośredniego wymaga zabezpieczenia przed przeciążeniem, aby mogło niezawodnie zasilać inne części systemu, albo też w celu ochrony obciążenia, które może zostać uszkodzone nadmiernym prądem w przypadku nieprawidłowej pracy zasilania.

Poszukując konwertera DC/DC klasy POL (point-of-load) spełniającego te wymagania znajdziemy na rynku bardzo niewiele przetworników napięcia z regulowanym ogranicznikiem prądu. Regulowane ograniczenie prądu jest częściej spotykane w projektach sterowników z zewnętrznymi kluczami mocy. Natomiast dostępne zintegrowane rozwiązania rzadko oferują tę funkcję. Ponadto regulowane ograniczenia prądu często mają kiepską dokładność. Ograniczniki prądu w układach scalonych przetworników DC/DC zwykle też ograniczają tylko prąd cewki indukcyjnej, a nie prąd wejściowy lub wyjściowy zasilacza. Takie zintegrowane ograniczenie prądu ma na celu ochronę „tylko” samego konwertera impulsowego przed zniszczeniem w przypadku awarii zasilania. Limit prądu jest wyższy od nominalnie określonego maksymalnego prądu wyjściowego i czasami ma stosunkowo niską dokładność. Jest to wystarczające do ochrony stabilizatora impulsowego, ale często nie nadaje się do zastosowania jako regulowany ogranicznik prądu.

Rysunek 1. System, w którym należy ograniczyć przepływ prądu do lub z konwertera impulsowego

Scalony ogranicznik prądu LTC7003

Interesującym rozwiązaniem tego problemu jest dodanie regulowanego ogranicznika prądu w postaci dodatkowego układu takiego, jak LTC7003. W zależności od zastosowania można w ten sposób osiągnąć dokładność około 15%. Układ LTC7003 to statyczny sterownik klucza N-MOSFET przeznaczony do zastosowania po stronie dodatniej. Dzięki regulowanemu ograniczeniu prądu, a także funkcji jego monitorowania jest to idealne rozwiązanie w roli ogranicznika prądu popularnych przetworników DC/DC. Rysunek 2 przedstawia zastosowanie ogranicznika prądu LTC7003 do monitorowania prądu wyjściowego układu ADP2370. ADP2370 to konwerter DC step-down.

Rysunek 2. Ograniczenie prądu w postaci sterownika LTC7003

Ogólnie rzecz biorąc, pomiarowe wzmacniacze prądowe po stronie dodatniej można również użyć w celu pomiaru niewielkiego spadku napięcia przez rezystor wykrywający prąd w ścieżce mocy. Można w ten sposób mierzyć prądy z bardzo dużą dokładnością. Jednak w przypadku większości z nich dopuszczalna różnica napięcia między zaciskami jest bardzo mała. Gdy taki wzmacniacz użyjemy w zasilaczu, w którym mogą wystąpić zwarcia z powodu obciążenia, napięcie na rezystorze czujnikowym może szybko przekroczyć dopuszczalny zakres. W tym przypadku lepszym rozwiązaniem jest układ taki jak LTC7003, dopuszczony do użytku w zasilaczach. Zaprojektowano go bowiem w taki sposób, że dopuszcza on dużą różnicę napięć na wejściach SENS. Układ oferuje również możliwość przerwania ścieżki zasilania przez opcjonalny N-kanałowy tranzystor MOSFET Q1 w przypadku osiągnięcia zadanego progu prądu. Rysunek 3 przedstawia rozwiązanie wykorzystujące LTC7003 z zewnętrznym N-kanałowym tranzystorem MOSFET wyłączający zasilanie po osiągnięciu ustawionego prądu.

Rysunek 3. Obwód do ograniczenia prądu z układem LTC7003

Ogranicznik jako element pętli sprzężenia zwrotnego przetwornicy

Poprzez wyjście I_MON podajemy napięcie proporcjonalne do przepływu prądu przez rezystor czujnikowy. To napięcie odnosi się do uziemienia systemu i odpowiada napięciu na rezystorze pomiarowym pomnożonemu przez współczynnik 20. Jego wartość mieści się w przedziale od 0 V do 1,5 V. Może ono zostać wykorzystane w połączeniu z dodatkowym zewnętrznym wzmacniaczem operacyjnym w celu podania go na wejście obwodu sprzężenia zwrotnego konwertera impulsowego. W ten sposób napięcie wyjściowe przetwornika DC/DC można zmniejszyć proporcjonalnie do poziomu prądu wykrywanego przez LTC7003. Tą opcję pokazano na rysunku 3 w obwodzie zamalowanym na szaro.

Dzięki licznym interesującym funkcjom układ LTC7003 świetnie nadaje się do monitorowania, ograniczania, a także odłączania linii zasilających w wielu różnych systemach.