Для коммутации напряжений питания

Переключатель фаз (напряжения): устройство, принцип действия, виды

Переключатель фаз – это устройство, интегрированное в электрическую схему и подключающее вместо основной фазы дополнительную. Основная фаза (нулевая, приоритетная) – это провод, соединенный с заземленным прибором, вырабатывающим энергию (генератором или трансформатором). На этом проводе напряжение тока может колебаться в силу очень многих факторов, но конечные устройства, потребляющие энергию, не рассчитаны на скачки напряжения.

Чтобы выровнять этот параметр, в схему заводят переключатель фаз, подсоединяющий резервный провод, ток на котором больше соответствует нормативным характеристикам энергопотребляющих приборов. Если резервных проводов (то есть фаз) более одного, выбирается тот, напряжение на котором ближе к искомым (стандартным, нормальным) значениям. Такие устройства называют также реле контроля фаз или переключателем напряжений.

Переключатели напряжения нормализуют работу локальной электрической сети и повышают безопасность ее эксплуатации, снижают риски замыканий и возгораний. Выравнивание напряжения, подаваемого на конечные приборы, потребляющие электроэнергию, делает их поломки более редкими и продлевает срок их службы. Реле контроля фаз используют при организации системы автономного снабжения электрической энергией с помощью генераторов.

Переключатели напряжения

Устройство и принцип действия

Внешне переключатель напряжения представляет собой прибор в белом или светло-сером корпусе, как правило, из тугоплавких синтетических полимеров (термостойких пластиков). На корпусе есть гнезда для подсоединения проводов, светодиоды индикации, окошки со значениями рабочих параметров, в первую очередь – напряжения на каждой фазе. На корпусе также находятся кнопки управления. Если переключатель фаз электронный, на корпусе будет жидкокристаллический дисплей и, возможно, даже сенсорная панель управления.

Главный внутренний элемент устройства – электромагнитное реле, которое осуществляет контроль за переключением между фазами. Очень часто, в том числе в этом тексте, реле используется как синоним переключателя. Строго говоря, реле – это только часть переключателя фаз (напряжения). Большинство современных моделей электронные, поэтому реле управляет микроконтроллер. Он посылает ему электромагнитный сигнал, на который реле реагирует размыканием приоритетного соединения в электрической цепи с одновременным замыканием альтернативного.

Переключатели фаз

Основные разновидности

По способу управления традиционно различают ручные (механические) и автоматические переключатели напряжения. Сейчас также появились электронные подвиды автоматических.

  • Механическое (ручное) реле. Вручную выбирается нужный режим и устанавливаются рабочие параметры. Такие приборы требуют постоянного контроля человеком, который разбирается в электротехнических вопросах. В этом их главный недостаток. Кроме того, механические реле менее точны и чувствительны. Но при этом более компакты, устойчивы к перегрузкам, в некоторых схемах могут работать как выключатели. Они также дешевле.
  • Автоматическое реле. Нужные параметры, оптимальный режим и необходимая фаза выбираются прибором самостоятельно, на основании предустановленных настроек. Также автоматически происходит переключение с основной (приоритетной) на запасную фазу и обратно. Приборы более точные и чувствительные, не требуют постоянного человеческого контроля. Внутренняя блокировка практически исключает залипание контактов реле.
  • Электронное (цифровое) реле. Наиболее современный частный случай автоматических переключателей. Оснащен цифровым блоком управления в виде микроконтроллера. Это миниатюрная компьютерная схема, которая позволяет устройству анализировать актуальные значения параметров тока, выявлять превышение пороговых значений, переключать фазу и возвращаться на приоритетную. Данные выводятся на жидкокристаллический дисплей.

Другая классификация переключателей напряжения делит их на двух- и трехфазные: по количеству проводов, между которыми возможно переключение в рамках одной электрической схемы (цепи).

  • Однофазные реле. Это самая простая схема, состоящая из приоритетной (основной) фазы и одной дополнительной. Соответственно, прибор при выходе напряжения из нормального диапазона на одном проводе просто переключает цепь на другой. При нормализации фазы, выбранной в качестве приоритетной, реле переключается обратно. Если напряжение скачет на обоих проводах, выбирается тот, где оно скачет меньше. Это минус двухфазных реле.
  • Трехфазные реле. Наиболее оптимальная в плане безопасности и надежности схема. Она включает основную (приоритетную) фазу и три дополнительных. Соответственно, устройство может выбирать тот из трех страховочных проводов, напряжение на котором ближе всего к нормальному. Если стандартный вольтаж не восстановится на основном проводе, а на одном дополнительном тоже выйдет за рамки, остается выбор между двумя запасными фазами.

Переключатель, выбирающий между тремя фазами, конечно, надежней, чем прибор, работающий по принципу «или – или». Но трехфазная система содержит большее число проводов, поэтому более громоздка и дорогостояща, рассчитана на производства. В жилых домах, включая многоквартирные, чаще всего используется система с двумя фазами (нулевой приоритетной и запасной).

Переключатель фаз

Подключение и настройка

Прежде всего, не стоит подключать реле контроля фаз самостоятельно, так как напряжение в сети может доходить до 380 вольт. Это серьезная процедура, ее должен выполнять профессиональный электрик с соответствующей подготовкой. Любая ошибка чревата замыканиями, сбоями в работе и, в крайнем случае, возгоранием – а значит, финансовыми и юридическими последствиями.

Конкретная схема подключения реле контроля фаз зависит от модели и ее характеристик. Как правило, такая схема указана в технической документации устройства. Она может довольно сильно отличаться у разных производителей. В целом, прибор монтируют в электрическом щитке на омегаобразную DIN-рейку. А перед ним по электрической цепи ставят автоматический выключатель.

После установки прибора необходимо его настроить и выставить требуемые параметры работы:

  • выбрать приоритетную фазу, которая будет подключена по умолчанию в общем случае;
  • установить минимальное и максимальное значения напряжения, при которых необходимо переключиться на другую фазу;
  • задержку возврата – время, после которого прибор вернется на приоритетную фазу.

В большинстве моделей имеются заводские настройки, предустановленные параметры. Если они вас устраивают, менять ничего не нужно. Если вам нужны другие значения отдельных установок, их можно скорректировать с помощью кнопок увеличения и уменьшения. Если заводские настройки не устраивают вас полностью, многие реле контроля фаз оснащены кнопкой полного их сброса.

Схема подключения переключателя фаз

Сферы применения

Можно обозначит три основные сферы, в которых применяют переключатели тока и напряжения:

  • Жилые дома (частные и многоквартирные). В городских кондоминиумах реле контроля фаз используют в централизованных системах энергоснабжения. В частных домах устройства позволяют контролировать работу автономных котельных, систем видеонаблюдения, охраны и сигнализации, функционирование локальных сетей снабжения электрической энергией.
  • Производственные и офисные сооружения. В этом сегменте переключатели нужны для создания систем автоматизации технологических процессов. В общем случае – для работы вентиляционных и вообще климатических аппаратов. А также диспетчерского оборудования, средств связи, удаленного управления, промышленных систем безопасности и слежения.
  • Медицинские и смежные учреждения. О них скажем отдельно, потому что стабильное обеспечение их током подчас буквально составляет вопрос жизни и смерти. Оборудование, поддерживающее жизненно важные функции тяжелых пациентов, не должно отключаться ни на минуту. Некоторые виды лекарств и биоматериалы следует хранить в холодильниках и т. п.

Отдельно упомянем применение переключателей в системах «Умный дом». Поскольку в таких домах вся техника управляется централизованно через компьютерные программы, обеспечение бесперебойного питания, можно сказать, жизненно важно. Поэтому в подобных системах от реле контроля фаз зависит стабильная и безопасная работа всех приборов и инженерных сетей дома.

Торговые марки переключателей фаз

Популярные торговые марки

Переключатели цепей напряжения – устройства не самые сложные и широко применяемые. Их выпускают многие российские и зарубежные производители. Вот самые известные торговые марки.

  • DigiTop. Бренд принадлежит украинской компании «Энергохит», созданной в 2007 году. Фирма специализируется на выпуске низковольтного оборудования. Производство налажено в стране бренда, а поставки – в России, Казахстане, странах Восточной Европы, даже в Турции.
  • ABB. Компания – результат слияния в 1988 году швейцарского и шведского производителей электротехники. 40 % производственных мощностей размещено в Германии. Продукция соответствует требованиям качества Евросоюза и сертифицирована по стандарту ISO:9001.

Конечно, это далеко не все компании, выпускающие реле контроля фаз. Больше информации о торговых марках и брендах можно найти в нашем разделе «Производители».

переключатель фаз в щитке

Рекомендации по выбору

Выбирая переключатель фаз, важно понимать, где он будет установлен и для чего вообще нужен. Например, ручное реле требует регулярного человеческого контроля и вряд ли будет удобно для домашнего использования. В то же время мощные и высокоточные автоматические и тем более электронные модели с высокой стоимостью предназначены для производств, а для бытовых сетей явно избыточны. При выборе ключевыми факторами являются следующие технические параметры:

  • Предельно допустимый ток. Имеется в виду максимальная сила тока, при которой реле может выполнять контроль фаз. Типовые значения – 40, 60 или 80 ампер. Как правило, эти значения указаны на передней панели корпуса прибора. При их превышении реле ломается.
  • Возможность регулировки. В самых простых моделях она отсутствует. Для надежной работы следует выставлять хотя бы интервал допустимого напряжения, при выходе из которого нужно менять провод. Не лишне также устанавливать время возвращения к основной фазе.
  • Способ отображения данных. А именно активной фазы, текущего напряжения и степени критичности сбоя основной фазы. В простых моделях используют светодиодную индикацию (по диоду на фазу), в более совершенных – LCD-дисплеи, на которых отражены все настройки.
  • Функциональные установки. Базовые предустановленные настройки подходят большинству приборов. Но некоторые могут требовать особых установок. Важно, чтобы переключатель давал возможность пользователю выставить необходимое напряжение и другие параметры.

Для домашних электрических сетей будет достаточно простой автоматической двухфазной модели на 220 вольт, не обязательно с электронной начинкой. А вот трехфазный автоматический или (реже) ручной переключатель фаз нужен для обеспечения безопасного бесперебойного электропитания в медицинских центрах, на промышленных производствах и т. п. При этом торговая марка не имеет принципиального значения – под каждым брендом выпускают широкую линейку устройств.

Управление питанием от Texas Instruments: защита, мониторинг, коммутация

В источниках питания любого типа важна защита цепей питания от перегрузок по току и напряжению, а также безопасное подключение источников питания к нагрузке. Среди предлагаемых компанией Texas Instruments решений для безопасной коммутации и мониторинга цепей питания есть как изделия для работы с внешними транзисторами, так и изделия нового поколения – электронные предохранители eFuse, содержащие встроенный силовой ключ.

Схема цепи питания электронного устройства состоит из источника питания и подключаемой нагрузки. Для безопасной и надежной работы устройства источник питания должен обеспечивать номинальный режим по току и напряжению в цепи. При аварийных ситуациях в цепи питания могут происходить как кратковременная, так и долговременная перегрузки по току, перенапряжение либо подача недостаточного для корректной работы напряжения питания, а также ошибочная смена полярности напряжения в результате неправильного подключения источника питания к нагрузке. Все эти события могут вызвать выход из строя питаемого устройства (нагрузки), а также силовых цепей источника питания, привести к локальному перегреву и даже возгоранию устройств. Международные стандарты регламентируют обязательное использование в цепях питания электронных устройств предохранительных приборов, обеспечивающих гарантированное отключение устройства от цепи питания при перегрузках для предотвращения возгорания в процессе эксплуатации.

Перегрузки по току и по напряжению в основном возникают в процессе подключения или отключения источника питания от нагрузки. Основная причина токовой перегрузки при подключении питания – повышенный пусковой ток (inrush current), значение которого может на порядок превышать номинальный ток. Типичный пример: момент подключения сетевого AC/DC-адаптера к электронному блоку, емкость входных цепей питания которого может составлять несколько тысяч микрофарад. Высокий пусковой неконтролируемый ток способен сжечь предохранитель в цепи питания (лучший вариант с позиции безопасности), вывести из строя входные цепи питаемого электронного блока, а также привести к выходу из строя выходных силовых транзисторов источника питания. Высокие пусковые токи могут возникать и в цепях питания мощных электроприводов. Проблема защиты питания от перегрузок особенно актуальна для следующих классов электронных устройств:

  • электронные приборы с питанием от внешних сетевых AC/DC-адаптеров;
  • электронные системы с «горячим» (hotswap) подключением сменных модулей (например, телекоммуникационное стоечное оборудование);
  • периферийные компьютерные устройства, подключаемые к шине USB (например, внешние накопители на жестком диске);
  • системы и приборы с резервными или альтернативными источниками питания (литиевый аккумулятор, сетевой адаптер, бортовая сеть автомобиля);
  • источники бесперебойного питания, системы с его резервированием.

Во всех этих устройствах при работе возможно возникновение опасных переходных процессов в цепях питания.

Пассивные элементы защиты на дискретных элементах

Пассивные защитные элементы в цепях питания электронной аппаратуры используются уже несколько десятков лет и продолжают активно использоваться в настоящее время. К ним относятся:

  • плавкие предохранители (защита по току);
  • восстанавливаемые предохранители (защита по току);
  • стабилитроны (защита от перенапряжения).

Причиной распространенности и популярности пассивных предохранителей является в первую очередь низкая цена и простота применения. Однако эти компоненты обладают определенными недостатками.

Рис. 1. Зависимость времени срабатывания плавких предохранителей от протекаемого тока

Рис. 1. Зависимость времени срабатывания плавких предохранителей от протекаемого тока

Основные недостатки плавких предохранителей

  • Непредсказуемый момент срабатывания вследствие влияния многих неопределенных во времени факторов. В первую очередь от температуры окружающей среды, ресурса работы предохранителя и режимов работы. В итоге ток срабатывания может сильно отличаться от номинального, указанного на предохранителе.
  • Медленное срабатывание. Есть быстрые (fast) и медленные (slow) плавкие предохранители. Процесс расплавления проводящей проволочки сверхтоком может произойти за время от единиц до десятков миллисекунд для fast и до несколько сот миллисекунд для предохранителей slow. Время срабатывания зависит от уровня токовой перегрузки (см. рисунок 1). Чем больше ток – тем быстрее происходит расплавление проволочки. Для предохранителя с номинальным током 0.5 А время срабатывания равно 1 мс при трехкратном превышении тока.
  • Зависимость порога тока от окружающей температуры. Чем больше внешняя температура, тем меньше энергии требуется на расплав проволочки, и тем при меньшем токе сработает защита.
  • Требуется замена перемычки после срабатывания.
  • Питаемое устройство после срабатывания предохранителя остается без питания.

Основные недостатки самовосстанавливающихся предохранителей

  • Значительное сопротивление в штатном режиме при номинальных токах. Работа предохранителя пассивного типа основана на локальном перегреве омической структуры сверхтоками, в результате чего увеличивается сопротивление и происходит ограничение тока. Потери энергии на них в два раза выше, чем на обычных плавких вставках.
  • Низкая стойкость к импульсным перенапряжениям и сверхтокам. По мере воздействия таких импульсов на предохранитель PolySwitch, происходит деградация элементов, изменение их важных параметров (сопротивления в открытом состоянии и тока срабатывания) и выход из строя.
  • Изменение токового порога срабатывания со временем вследствие неизбежной деградации структуры.
  • Значительная зависимость тока срабатывания от температуры окружающей среды (см. рисунок 2). Порог срабатывания одного и того же предохранителя может колебаться в диапазоне от 40 до 140% от номинального тока, в зависимости от температуры (кривая С на рисунке 2).
  • Сопротивление предохранителя увеличивается после каждого срабатывания, что приводит к дальнейшему увеличению потерь мощности.

Рис. 2. Зависимость тока срабатывания самовосстанавливающихся предохранителей от температуры

Рис. 2. Зависимость тока срабатывания самовосстанавливающихся предохранителей от температуры

Электронные предохранители e-Fuse

Недостатков, присущих пассивным схемам защиты, полностью лишены активные или, как их еще называют, электронные предохранители серии eFuse производства компании Texas Instruments. По сути, электронный предохранитель представляет собой схему полевого ключа с низким сопротивлением открытого канала, интегрированной схемой управления и цепями мониторинга уровня проходящего тока и входного напряжения. Структурная схема электронного предохранителя eFuse приведена на рисунке 3.

Рис. 3. Структура электронного предохранителя eFuse

Рис. 3. Структура электронного предохранителя eFuse

Схема включается в разрыв цепи питания и обеспечивает защиту цепей нагрузки от повышенного пускового тока, тока короткого замыкания, бросков входного напряжения, пониженного напряжения, а также от ошибочной смены полярности напряжения на входе.

Пороги могут устанавливаться внешними цепями (резисторами или резистивным делителем напряжения) или, например, с выходного порта микроконтроллера, осуществляющего мониторинг состояния цепей питания устройства или системы. Срабатывание электронного предохранителя происходит автоматически при обнаружении одного из заданных тревожных событий: превышения заданного уровня тока, снижения уровня входного напряжения ниже нормы, превышения уровня напряжения выше нормы, ошибочной полярности напряжения на входе.

Выпускаются электронные предохранители как со встроенным ключом, обеспечивающим работу в цепях с током до 12 А, так и для применения с внешним силовым транзистором. Предохранитель eFuse с внешним ключом обеспечивает больший уровень коммутируемого тока. Кроме того, в зависимости от заданного типа защиты в предохранителях может быть использован один из сценариев защиты: автоматическое восстановление коммутации после пропадания аварийной ситуации или же защелка аварийного события. Во втором случае для возвращения в нормальный режим работы требуется перезапуск источника питания при участии оператора или под управлением микроконтроллера, производящего мониторинг цепей питания.

Электронные предохранители eFuse со встроенным ключом

Предохранители со встроенным полевым транзистором предназначены для защиты цепей питания в диапазоне от 2.5 до 20 В с током до 12 А. Устройства данного типа можно разделить на три сегмента: с фиксированным рабочим напряжением (TPS2592A/B/Z), с широким диапазоном рабочих напряжений (TPS25910) и с возможностью измерения протекающего через них тока (TPS24750/1).

В таблице 1 приведены основные параметры микросхем электронных предохранителей e-Fuse со встроенным MOSFET-транзистором.

Таблица 1. Электронные предохранители со встроенным ключом

Наименование Макс. ток, А Рабочее напряжение, В Установка порогового тока Мониторинг Отключение при пониженном напряжении Защита от перенапряжений Контроль нарастания вых напр
TPS2592x 5 5; 12 Внешний резистор нет Внешняя цепь Встроенная: 6.1 В; 15 В Внешний конденсатор
TPS25910 5 2.9…20 Внешний резистор, нет Внутренний компаратор Внешняя Внешний конденсатор
TPS2475x 12 2.5…18 Внешний резистор, Аналоговый выход Внутренний компаратор Внутренний компаратор Внешний конденсатор

На рисунке 4 показана схема применения простого электронного предохранителя TPS2592х.

Рис. 4. Схема применения электронного предохранителя семейства TPS2592x

Рис. 4. Схема применения электронного предохранителя семейства TPS2592x

Уровень порога ограничения тока через транзистор задается резистором Rlim (вход ILIM). Точность установки порога – 15%. Диапазон регулировки порога ограничения тока 2…5 А. Делителем R1/R2 задается порог пониженного напряжения (вход EN/UVLO). Низким уровнем можно блокировать этот тип защиты. Порог перенапряжения задается внутренней схемой в процессе изготовления. Величина порога определяется версией (индексом) микросхемы. Для TPS2592Ax порог перенапряжения составляет 12 В, а для TPS2592Вx – 5 В. Защелкивание, срабатывание защиты, например, для версии 5 В происходит при достижении 6.1 В на входе. Сопротивление открытого ключа проходного транзистора – всего 29 мОм.

Алгоритм работы, а также основные параметры механизма защиты устройств семейства TPS2592 приведены в таблице 2.

Таблица 2. Модификации электронных предохранителей типа TPS2592 с различными сценариями защиты

Наименование Нижняя граница, В Верхняя граница, В Сценарий работы защиты
TPS2592AADRC 8.5 15 Автовосстановление штатной работы
TPS2592ALDRC 8.5 15 Защелка; требуется вмешательство оператора
TPS2592BADRC 4 6 Автовосстановление штатной работы
TPS2592BLDRC 4 6 Защелка; требуется вмешательство оператора
TPS2592ZADRC 4 нет Автовосстановление штатной работы

Микросхемы TPS24750 и TPS24751 (eFuse) представляют собой устройства комплексной защиты нагрузки от проблем, вызванных источником питания. Микросхема защищает нагрузку от низкого уровня напряжения, перенапряжения и перегрузки по току. Силовой МОП-ключ с сопротивлением в открытом состоянии всего 3 мОм входит в состав микросхемы. Такие параметры как уровни защиты от перенапряжения и перегрузки по току устанавливаются внешними резисторами. Пользователь также может задавать время плавного запуска и задержку срабатывания защиты. Микросхема имеет выход «питание в норме». Микросхемы TPS24750 и TPS24751 различаются между собой поведением после срабатывания защиты. В микросхеме TPS24750 состояние «отключено» запоминается до отключения питания всей системы, а в микросхеме TPS24751 питание нагрузки восстанавливается автоматически в случае исчезновения факторов, вызвавших срабатывание защиты. В микросхеме имеется выход для мониторинга значения проходящего тока – IMON. Типовая схема применения микросхемы представлена на рисунке 5.

Рис. 5. Типовая схема применения TPS2475x

Рис. 5. Типовая схема применения TPS2475x

Микросхема выпускается в корпусе QFN-36 размером 3.5х7 мм и рассчитана на работу в диапазоне температур -40…125°С.

Микросхемы TPS24752 и TPS24753 отличаются наличием выхода «питание отключено».

Резервирование источников питания

Резервирование источников питания применяется для повышения надежности электропитания жизненно важного и ответственного оборудования: медицинской аппаратуры, серверов, узлов связи, диспетчерских центров и т.п. Для резервирования используются различные схемы соединения источников питания: N+1, 2N, 2N+1. Первый вариант (N+1) используется в модульных ИБП, где резервируется только часть сети питания. Схема резервирования 2N самая надежная, но дорогая. В ней резервируются все источники питания. Для особенно важных приложений используется комбинированная схема резервирования – 2N+1. В таких системах используется горячее резервирование, причем замена резервных блоков производится в режиме «горячей замены» (hotswap) без выключения питания. Для построения надежных систем резервирования питания требуется обеспечить несколько функций: параллельное включение альтернативных источников питания с развязкой, защиту от перегрузок как в процессе работы, так и при горячей смене блоков питания в системе.

Для подключения нагрузки к нескольким источникам питания одновременно с возможностью работы только от одного из них используют технологию ORing.

ORing – это монтажное «ИЛИ» нескольких источников питания для альтернативного питания нагрузки (устройства). По сути это многоканальный коммутатор силовой шины питания, обеспечивающий развязку между источниками питания, малые потери при прохождении тока, безопасное подключение\отключение любого из источников и самой нагрузки. Такая функция используется в источниках бесперебойного питания, устройствах повышенной надежности с резервными источником питания, а также в приборах с автономным (батарейным) питанием, которые периодически подключаются к внешнему ИП.

Обычно для этой функции используются диоды, но им присущи большие потери и отсутствие дополнительных функций мониторинга. При необходимости отключения в случае перегрузки дополнительно потребуется схема измерения тока. На рисунке 6 представлена зависимость мощности потерь от протекающего тока для диодов и полевых транзисторов.

На рисунке 7 показана система питания с горячим резервированием. Два источника питания подключены к нагрузке через развязывающие диоды.

Рис. 6. Зависимость потерь от протекающего тока для диодов и FET-транзисторов

Рис. 6. Зависимость потерь от протекающего тока для диодов и FET-транзисторов

Рис. 7. Простейший вариант питания с горячим резервированием

Рис. 7. Простейший вариант питания с горячим резервированием

Ток в штатном режиме протекает по цепям обоих источников. При отказе одного питание нагрузки осуществляется от второго источника.

На рисунке 8 показана простейшая схема коммутации цепей питания мобильного устройства от одного из трех источников питания: сетевого адаптера с выходным напряжением 5.05 В, шины питания USB-порта с напряжением 4.95 В или от трех элементов питания с напряжением 4.5 В. Развязка источников с помощью диодов Шоттки позволяет обеспечить режим приоритетного питания от одного из источников с большим напряжением. Например, при одновременном подключении ко всем трем источникам питания основной ток будет проходить из цепи сетевого адаптера. Ток от батареи в этом случае будет незначительным (всего 50 нА).

Рис. 8. Реализация монтажного «ИЛИ» трех ИП для питания портативного USB-устройства

Рис. 8. Реализация монтажного «ИЛИ» трех ИП для питания портативного USB-устройства

Однако схема коммутации с исползьованием диодов обладает определенными недостатками:

  • при больших токах на диодах будет теряться значительная мощность
  • напряжение питания будет зависеть от величины падения напряжения на диодах
  • диоды не обеспечивают защиту от высоких пусковых (inrush) токов при подключении к нагрузке.

Применение полевых транзисторов с низким сопротивлением открытого ключа вместо диодов позволяет значительно сократить потери в цепях коммутации. Управление ключами в этом случае должно производиться схемой контроллера коммутации, которая сможет обеспечить безопасные режимы подключения и отключения источников. Кроме того, в этой схеме можно реализовать цепи защиты как от короткого замыкания, так и от пренапряжения/недонапряжения. Через ключи можно обеспечить плавный пусковой ток. При обнаружении опасных событий ключами производится отключение нагрузки. На рисунке 9 показана схема коммутации источников питания (сетевого адаптера или аккумуляторной батареи) посредством ключей полевых транзисторов.

Рис. 9. Монтажное «ИЛИ» двух источников питания через ключи полевых транзисторов

Рис. 9. Монтажное «ИЛИ» двух источников питания через ключи полевых транзисторов

Монтажное «ИЛИ» источников через коммутаторы ORing обеспечивает десятикратное уменьшение потерь энергии на коммутации по сравнению с реализацией функции OR на диодах Шоттки.

ORing-контроллеры TI

ORing-контроллеры являются одним из популярных продуктов в портфолио компании TI, предназначенных для обеспечения защиты при горячем подключении источников питания с резервированием. Контроллеры подклассов N+1 и ORing предназначены для защиты шин питания hotswap c напряжениями 12…48 В от повышенных пусковых токов, их обратного протекания, повышенного тока при коротких замыканиях в цепи питания.

В номенклатуре ORing-контроллеров TI есть устройства для коммутации источников питания как по шине положительной полярности (High Side), так и отрицательной (Low Side). На рисунках 10, 11 приведены схемы включения ORing-контроллеров TI для применения в системах резервирования питания с положительной и отрицательной полярностью.

Рис. 10. Схема включения контроллеров ORing в системе резервирования питания положительной полярности

Рис. 10. Схема включения контроллеров ORing в системе резервирования питания положительной полярности

Рис. 11. Схема включения контроллеров ORing в системе резервирования питания отрицательной полярности

Рис. 11. Схема включения контроллеров ORing в системе резервирования питания отрицательной полярности

В таблице 3 приведены основные микросхемы ORing-контроллеров TI

Таблица 3. Основные ORing-контроллеры TI

Наименование Напряжение, В Специальные функции Тип управления
TPS2458/9 3.3; 12 Ограничение тока; встроенный ключ для 3.3 В Гистерезисное
TPS2410/11 0.8…16.5 Входной фильтр Линейное/гистерезисное
TPS2412/13/19 0.8…16.5 Настраиваемый порог отключения Линейное/гистерезисное
LM5050 5…75 Устойчивость к выбросам 100 В Линейное
LM5051 -6…-100 Диагностика транзистора Линейное

Контроллеры для «горячего» подключения сменных модулей (Hot Swap)

Системы высокой готовности, такие как серверы, сетевые коммутаторы, устройства хранения данных RAID и другие устройства коммуникационной инфраструктуры разрабатываются таким образом, чтобы обеспечить нулевое время простоя в течение всего их жизненного цикла. Если компонент такой системы выходит из строя или требует замены по другой причине – он должен быть заменен без прерывания работы всей системы. Плата или модуль должны быть извлечены и заменены, в то время как система остается включенной и работающей. Этот процесс называют «горячее подключение». На подключаемом устройстве имеется «контроллер горячего подключения», который обеспечивает безопасное извлечение и подключение устройства к системе, находящейся под напряжением. Во время работы этот контроллер также обеспечивает непрерывную защиту от короткого замыкания и от перегрузки по току. Компания TI выпускает широкую номенклатуру контроллеров Hotswap для работы в системах как с положительной, так и с отрицательной полярностью напряжений. В отличие от обычных eFuse, контроллеры Hotswap имеют дополнительные функции, в частности, цифровую шину для мониторинга параметров питания управляющим микроконтроллером.

Для коммутации цепей питания с токами до 12 А могут использоваться контроллеры Hotswap со встроенными полевыми транзисторами. В таблице 4 представлены основные контроллеры Hotswap со встроенным ключом.

Таблица 4. Микросхемы контроллеров Hotswap со встроенным ключом

Наименование Ток, А Напряжение, В Специальные функции
TPS2592 до 6.25 4.5…18 Не требует измерительного шунта
TPS2420/21 до 5.4 3…20 Не требует измерительного шунта; аналоговый выход мониторинга тока
UCC3915 до 4 7…15 Цифровое управление

Hotswap-контроллеры с внешним ключом

Контроллеры Hotswap c внешним N-канальным полевым транзистором обеспечивают больший набор функций и могут иметь расширенный диапазон рабочих напряжений, как например, LM5069 с рабочим напряжением 9…80 В. В номенклатуре данного класса контроллеров есть и двухканальные приборы с возможностью коммутации двух шин питания, например, 12 и 5 В. Контроллеры представлены различными типами исполнения по температурному диапазону: для коммерческого, индустриального и автомобильного применения. В таблице 5 представлены основные Hotswap-контроллеры с внешними транзисторными ключами.

Таблица 5. Hotswap контроллеры с внешними транзисторными ключами

Наименование Напряжение, В Токоограничение Защита внешнего ключа Мониторинг тока
LM5060 2.9…65 Только при запуске Нет Нет
TPS24700 2.5…18 Только при запуске Нет Нет
TPS2330 3…13 Всегда Нет Нет
LM5069 9…80 Всегда Зона безопасной работы SOA Нет
TPS24720 2.5…18 Только при запуске Зона безопасной работы SOA Аналоговый выход
TPS2483 9…36 Всегда Зона безопасной работы SOA Интерфейс I2C
TPS2456A 2 канала; 8.5…15 Всегда Нет Аналоговый выход

В качестве примера рассмотрим структуру и схему включения контроллера Hotswap LM5069, предназначенного для работы в широком диапазоне питающего напряжения.

Типовая схема включения приведена на рисунке 12.

Рис. 12. Типовая схема включения Hotswap-контроллера со встроенной защитой и внешним ключом коммутации напряжения

Рис. 12. Типовая схема включения Hotswap-контроллера со встроенной защитой и внешним ключом коммутации напряжения

  • напряжение коммутации: 9…80 В;
  • режим подключения High-Side с внешним N-FET ключом;
  • программируемый уровень ограничения мощности через транзистор;
  • программируемый порог ограничения тока через нагрузку;
  • программируемый таймер времени аварийного состояния;
  • индикатор «Power Good» (норма);
  • входы разрешения срабатывания защиты по OV (перенапряжению), UV (недостаточному уровню напряжения);
  • режимы защелки или авторестарта после аварии.

Рис. 13. Зоны безопасных режимов работы SOA проходного транзисторного ключа

Рис. 13. Зоны безопасных режимов работы SOA проходного транзисторного ключа

Схема защиты обеспечивает мониторинг тока и напряжения на ключевом транзисторе, чтобы обеспечить гарантированное нахождение его в зоне безопасной работы (SOA) для предотвращения перегрева и выхода из строя. Уровень мощности для транзистора программируется. Встроенный таймер позволяет контролировать время нахождения транзистора в опасной зоне. На рисунке 13 показана зона безопасного режима проходного транзистора.

Отдельно задается порог сверхтока для нагрузки. Схема обеспечивает также ограничение пускового тока и мягкое подключение нагрузки к шине питания, предотвращающее выход из строя входных элементов цепей питания нагрузки. Пороговые значения защит устанавливаются (программируются) режимными резисторами. R1, R2 и R3 задают пороги UV и OV. Ct – длительность превышения предельного тока, после которого взводится триггер «авария». RPWR – установка порога предельной мощности через транзистор.

Контроллеры «горячего» подключения питания на отрицательное напряжение

Напряжение -48 В традиционно используется для питания систем телекоммуникации. Например, это системы ATC, оптические сети, базовые станции и блейд-серверы (серверы с высокой плотностью компоновки). Изначально напряжение питания обеспечивалось мощными батареями свинцовых аккумуляторов, поэтому было выбрано напряжение -48 В, как достаточно высокое для передачи питания и сигнала на большие расстояния и в то же время достаточно низкое для обеспечения безопасности при работе. Общим проводом в таких системах является положительный электрод. Контроллеры «горячего» подключения модулей в стойках телекоммуникационного оборудования обеспечивают безопасное подключение и отключение модулей без риска нарушения работы соседних работающих модулей. В первую очередь обеспечивается ограничение пускового тока, что предотвращает разрушение контактов питания соединителей при подключении, а также провалы или скачки напряжения. В номенклатуре TI представлен широкий набор контроллеров Hotswap, работающих с напряжением отрицательной полярности до -80 В. В защитных элементах контроллеров реализованы различные функции и сценарии работы защиты: с защелкой или с автовосстановлением после аварии по питанию. В таблице 6 представлены основные параметры Hotswap-контроллеров компании TI.

Таблица 6. Микросхемы контроллеров «горячего» подключения на отрицательное напряжение

Наименование Диапазон рабочих напряжений, В Сигналы управления и защиты Обработка ошибки
TPS2399 -80…-36 Enable; PowerGood Автоповтор
LM5068 -90…10 Overvoltage; Undervoltage; PowerGood Автоповтор; защелка
TPS2398 -80…-36 Enable; PowerGood Защелка
LM5067 -80…-9 Overvoltage; Undervoltage; PowerGood Автоповтор; защелка
TPS2394 -80…-12 Fault; PowerGood; Overvoltage; Undervoltage Автоповтор
TPS2350 -80…-12 Fault; PowerGood; Overvoltage; Undervoltage Автоповтор

Микросхемы для мониторинга тока

Дополнительно к интегрированным компонентам для защиты компания Texas Instruments предлагает несколько отдельных решений, на базе которых можно реализовать системы защиты по питанию с расширенными функциями. Для построения таких систем может использоваться усилитель для токоизмерительного шунта INA225 или компаратор токовой защиты INA300.

Усилитель сигнала токового шунта INA225

Микросхема обеспечивает контроль тока в цепи нагрузки. По сути это дифференциальный усилитель сигнала с внешнего резистора (токового шунта) с программируемым коэффициентом усиления. Выходной сигнал, пропорциональный току в цепи нагрузки, аналоговый. Оцифровка производится АЦП внешнего микроконтроллера. На рисунке 14 показана схема включения микросхемы INA225.

Рис. 14. Схема применения INA225

Рис. 14. Схема применения INA225

Программирование (выбор) четырех коэффициентов усиления (25/50/100/200) производится двумя цифровыми разрядами из микроконтроллера. Микросхема предназначена для мониторинга тока в цепях питания различного оборудования (измерительного, телекоммуникационного, зарядных устройств, источников питания). Корпус микросхемы: MSOP-8. Рабочий температурный диапазон: -40…125°C. Питание производится от напряжения питания 2.5…36 В, т.е. от цепей контролируемого напряжения.

Компаратор токовой защиты INA300

Компаратор обеспечивает пороговый мониторинг тока в заданной цепи. Он имеет один цифровой выход признака превышения сигналом установленного порога. Со стороны микроконтроллера можно задать нужный уровень порога (задается внешним резистором RLIMIT и программируемым сигналом с выхода ЦАП микроконтроллера). Сигналы управления со стороны микроконтроллера: Enable-разрешение, Latch–режим защелки аварийного события. Внешними цепями можно задать уровень быстродействия компаратора – 10/50/100 мкс. На рисунке 15 показана типовая схема включения компаратора.

Рис. 15. Схема включения компаратора для порогового мониторинга тока

Рис. 15. Схема включения компаратора для порогового мониторинга тока

Заключение

Для защиты устройств от высоких пусковых токов, перенапряжений, а также для мониторинга параметров питания компания Texas Instruments предоставляет разработчикам широкую линейку интегральных микросхем.

Новый класс интеллектуальных устройств защиты электронных приборов по цепям питания обеспечивает:

  • повышение уровня надежности и безопасности применения приборов;
  • повышение уровня обслуживания и эксплуатации, снижение затрат на обслуживание и ремонт;
  • уменьшение потерь электроэнергии;
  • повышение уровня интеграции (уменьшение габаритов и массы устройств, сокращение места на печатных платах).

Разработка контроллера резервного питания. Схемотехника

Желтый прямоугольник ограниченный штрихпунктирной линией на рисунке выше и есть сам контроллер резервного питания BACKPMAN v1.0.

Все статьи по проекту

  • Создание схемы
  • Разработка платы
  • Установка Azure RTOS
  • Технология отладки и тюнинг

Схемотехника

Контроллер работает совместно с тремя внешними модулями:

  • сетевым источником питания 220 VAC в 24 VDC
  • инвертором 24 VDC в 220 VAC
  • аккумуляторной батареей 24 В

В момент отключения сетевого напряжения или понижения ниже предельного значения контроллер переключает потребителей на питание от аккумулятора и инвертора.
Переключение 24 В происходит без провалов напряжения, переключение 220 происходит с задержкой равной времени переключения реле.

Преимущества

Такая архитектура обеспечивает гибкость, масштабируемость и оптимальную стоимость.

  • Гибкость выражается в цифровом управлении и возможности выбирать источник питания, инвертер и аккумулятор из широкого ассортимента представленного на рынке без привязки к конкретным производителям и продавцам. Это довольно актуально с современной турбулентностью поставок и при мелкосерийном производстве.
  • Масштабируемость определяет возможность варьировать в широких пределах мощность источника питания, инвертера и емкость аккумулятора.
  • Оптимальная стоимость. На рынке можно найти предложения по созданию аналогичной архитектуры на более раздробленных дискретных модулях или вовсе на нескольких автономных UPS-ах. Но чтобы добиться встраиваемости в системы потребителей по габаритам и с полным контролем со стороны систем управления потребителей понадобится еще много дополнительных средств. Обратная связь от потребителей в данной схеме позволяет не устанавливать избыточные резервные мощности, и сэкономить на емкости аккумулятора и мощности инвертора.

Применение

Применить такой контроллер можно в промышленных и бытовых устройствах и агрегатах, подъемниках, лифтах, автоматических воротах, кранах, автоматических дверях, системах домашней автоматизации и т.д.

Контроллер способен работать и как простой зарядник аккумуляторов емкостью до 30 А*ч, как измеритель параметров электросети, измеритель КПД инвертеров, как источник питания с регулируемым напряжением, током до 10 А и защитой от перегрузок и т.д.

Принцип работы

Особенностью архитектуры данного контроллера является его тесная связь с потребителями.
Для того чтобы не превысить предельно допустимую мощность источника питания и инвертера и не спровоцировать проседания выходных напряжений контроллер получает от потребителей информацию о планируемом подключении нагрузок и сообщает потребителям о текущем состоянии сетевого напряжения. Таким образом потребители не будут пытаться получить недоступную мощность или предпринимать действия способные быстро и непрогнозируемо привести к исчерпанию аккумулятора. Связь потребителей с контроллером осуществляется через один из цифровых интерфейсов : CAN, RS485, USB.

При наличии сетевого напряжения контроллер пропускает напряжение 24 В от внешнего источника питания к потребителям через управляемый ключ 1 (см. структурную схему) и напряжение 220 В через реле Р1. Ключ 1 работает одновременно также как ограничитель входного напряжения, ограничитель тока, защита от переполюсовки и идеальный диод. Ключ 1 не дает проникать обратному току на источник питания в случае отключения сетевого напряжения. Может показаться, что это излишняя мера, но некоторые промышленные источники питания MEAN WELL не включаются, когда на их входе уже присутствует напряжение. Одновременно с подачей тока потребителям контроллер заряжает аккумулятор (если аккумулятор этого требует). При этом ток заряда аккумулятора балансируется с током уходящим потребителям так чтобы не превысить допустимый ток источника питания.

Цифровое управление и повышающее/понижающий (Buck-Boost) преобразователь зарядника позволяют точно учитывать степень заряда и разряда аккумулятора и выбирать правильные профили заряда в зависимости от состояния аккумулятора.

При отсутствии сетевого напряжения контроллер пропускает через ключ 2 напряжение 24 В потребителям от аккумулятора. Напряжение при этом может варьироваться от 27 В (полностью заряженный) до 20 В (полностью разряженный). Потребители должны быть готовы работать в таком диапазоне, что обычно не представляет проблемы. Напряжение 220 В подается через реле Р2 от внешнего инвертера. Сам инвертер питается от аккумулятора через ключ 3. Инвертер может поддерживаться как в горячем резерве так и быть отключенным (что более экономично). Однако из выключенного состояния инвертеры обычно выходят несколько секунд и это затягивает переключение.

Основные характеристики

  • максимальный коммутируемый переменный ток напряжения 200 В — 35A
  • максимальный коммутируемый постоянный ток напряжения 24 В — 15 А
  • максимальный ток на входе инвертера — 50 А
  • максимальный ток заряда аккумулятора при наличии радиатора — 10 А
  • максимальный ток заряда аккумулятора без радиатора — 4 А
  • тип аккумулятора — cвинцово-кислотная батарея 24 B
  • тип микроконтроллера — MKE18F512VLL16 (ARM Cortex-M4F, 32-Bit, 168MHz, 512KB (512K x 8) FLASH, 64 KB SRAM, -40°C ~ 105°C)
  • Цифровые интерфейсы: CAN гальвано-изолированный, RS485 гальвано-изолированный, USB 2.0 Full Speed VCOM
  • Два гальвано-изолированных цифровых выхода
  • Дисплей с энкодерным управлением
  • Встроенные измерители токов, напряжений, мощностей и прочего по входным и выходным линиям 220 и 24 В.
  • Утечка тока аккумулятора в отключённом состоянии не более 200 мкА
  • Все основания рассчитывать что на половине заявленных максимальных токов плата способна будет длительно работать без радиаторов при условии свободной конвекции.

Схема

Лист 1. Идеальный диод источника питания, идеальный диод цепи питания системы от аккумулятора и DC/DC преобразователь зарядника. Лист 2. Микроконтроллер, цифровые интерфейсы, дисплей, стабилизаторы питанияЛист 3. Ключ питания инвертера, измерители в цепи переменного тока, коммутаторы цепи переменного тока

Структурная схема

Структурная схема с указанием номеров разъемов и точек измерения напряжений и токов. (для увеличения открыть в отдельном окне)

Особенности схемы

Зарядник аккумулятора выполнен на регулируемом DCDC преобразователе U23 серии LTC3789.
Выходное напряжение преобразователя задается микросхемой U24 DAC80501 управляемой по интерфейсу I2C. DAC80501 преобразует 16-и битный код в выходное напряжение в диапазоне от 0 до 1.25 В. Резистивный делитель на R94, R96, R100 смешивает напряжение от U24 и выходное напряжение DCDC преобразователя чтобы получить опорное напряжение VFB, для микросхемы LTC3789 оно должно равняться 0.8 В. DCDC преобразователь работает так чтобы напряжение VFB всегда оставалось равным 0.8 В, когда микросхема U24 меняет свое выходное напряжение.
Таким образом DCDC преобразователь способен регулировать свое напряжение от 1.65 В до 31.9 В.

Для расчета схем на базе LTC3789 и подобных существует специальная программа — LTpowerCAD
Вид окна программы для рассматриваемого преобразователя показан ниже:

В целом программа показывает более оптимистичные результаты чем есть в реальности, особенно на малых мощностях. В частности недооценивается влияние паразитных элементов трассировки.

Даже упрощенная модель в программе LTpowerCAD не дает однозначного ответа по оптимальному выбору компонентов, поскольку при разных режимах и комбинациях входных и выходных напряжений и токов значительно меняется вклад разных элементов в нагрев схемы. Т.е. программа не выполняет глобальной оптимизации по всему диапазону рабочих режимов. И приведенная схема была в основном оптимизирована для случая выходного напряжения в 32 В и выходного тока 10А, т.е. самого тяжелого режима при зарядке 24В аккумулятора.

На КПД преобразователя также влияет состояние сигнала DCDC_MODE. Как показала практика в состоянии лог. 0 (forced continuous mode ) катушка индуктивности L5 меньше нагревается чем когда на DCDC_MODE присутствует лог. 1 (pulse-skipping mode).

Сигнал EN_CHARGER в состоянии лог. 0 запрещает работу преобразователя. В выключенном состоянии преобразователь не пропускает напряжение с выхода на вход.

Ключ источника питания SW1. Выполнен на микросхеме U20 LTC4364. Через этот ключ проходит ток от источника питания к потребителям. Когда происходит переключение от питания от аккумулятора этот ключ выключается микроконтроллером.

Часть схемы с ключом источника питания

Ключ кроме непосредственно коммутации выполняет еще несколько защитных функций:

  • работает как идеальный диод от входа к выходу,
  • выполняет защиту от перегрузок по току,
  • защищает выходную цепь от перенапряжений на входе (отключается при перенапряжении) ,
  • не пропускает в систему слишком низкое напряжение от источника питания,
  • ограничивает броски тока при включении,
  • обеспечивает плавное нарастание выходного напряжения,
  • предохраняет схему от переполюсовки на входе.

При этом о своих аварийных состояниях ключ сообщает сигналом PIDS_FAULT.
Сигналом PIDS_SHDN в высоком состоянии ключ выключается. Если схема обесточена, то при включении источника питания будет находиться в открытом состоянии.

В промышленных системах столько защит не является лишним. Особенно когда работать приходится в окружении электроники сомнительного качества и надежности.

Ключ аккумулятора SW2. Выполнен на микросхеме U21 LTC4364.

Назначение этого ключа в том чтобы пропустить ток от аккумулятора к потребителям в режиме работы резервного питания. Транзистором Q9 задается два разных уровня выходного напряжения.

При уровне 0 сигнала AIDS_FBC ключ начинает пропускать ток от аккумулятора в систему (т.е. потребителям) только если напряжение в системе упадет ниже 22.9 В (т.е. внешний источник питания не будет способен удержать свое номинальное напряжение).

При уровне 1 сигнала AIDS_FBC ключ пропустит ток если в системе напряжение будет ниже 26.3 В.
Это необходимо когда в систему включается полностью заряженный аккумулятор с напряжением до 32 В чтобы транзисторы ключа не перегрелись из-за слишком большого падения напряжения на них.

Поскольку ключ еще и выполняет функции идеального диода, то ток из системы в аккумулятор через него не проходит.

В обесточенном состоянии и подключении только аккумулятора ключ останется закрытым. Таким образом систему нельзя включить от аккумулятора не подав предварительно напряжение от внешнего источника питания.

Ключ питания инвертора SW3. Выполнен на микросхеме U14 LTC4368.

Этот ключ включает питание на инвертор. Для быстрого переключения на резервное питание инвертор желательно держать включенным. Однако инверторы потребляют значительный ток. Например инвертор MEAN WELL TS-1500-224 мощностью 1.5 КВт

на холостом ходу потребляет более 1 А. После аварийной перегрузки такой инвертер не включится вновь пока на с него не снимут напряжение ( если не пользоваться его интерфейсом управления). В таком случае ключ помогает избавиться от лишнего потребления тока и упростить восстановление после перегрузок, хотя и ценой некоторой инерционности.
Ключ защищает аккумулятор от слишком больших токов. В данной схеме защита должна срабатывать при токе превышающем 50 А, на самом деле будет меньше, тут критически важна трассировка.

Высоковольтная часть. В высоковольтной части коммутация производится с помощью реле K1 и K2 типа AHES4292. Не самый быстрый и надежный способ коммутации, но дело в том что схема предназначена для коммутации самых разнообразных нагрузок и напряжений, в частности для коммутации межфазных напряжений в 3-х фазных сетях (тогда ставятся еще вспомогательные внешние 3-х фазные контакторы). Реле относятся к типу реле безопасности и на схеме они взаимно блокированные. Принято считать что по такой схеме реле такого типа ни при каких обстоятельствах не смогут включиться одновременно, даже когда одно из них залипнет. Значит сетевое напряжение никогда не сможет проникнуть на выход инвертора и погубить его.
Залипание реле контролируется измерителями напряжения на резистивных делителях R51, R52 и R53, R54

Мониторы мощности. Реализованы на микросхемах U15 и U17 типа ACS37800KMACTR-030B3-SPI.
Микросхемы способны измерять переменный ток, напряжение, мощность, действующие их значения, средние от действующих значений за заданное время, способны измерять действующее как по переходу через ноль так и действующее значение постоянных токов. Каждая из микросхем отдельно гальвано-изолирована и может выполнять точные измерения не беспокоясь о способе реализации заземления и зануления источников напряжения и даже измерять при межфазном подключении. Микросхемы измеряют ток амплитудой до 30А.
Считывание данных производится по интерфейсу SPI. На каждую микросхему идет отдельный интерфейс SPI поскольку они не могут совместно работать на одном общем интерфейсе.

Измерители токов и напряжений. Как пример приведен фрагмент схемы ниже —

U22 и U13 здесь измеряют ток. Микросхемы INA240A1 хорошо подходят для условий измерений с большими синфазными помехами. Они двунаправленные. Средняя точка для них формируется общей для всех прецизионной мало-шумящей схемой на операционном усилителе U26 THS4281DBVR. Кроме того INA240A1 достаточно хорошо согласуются в входами АЦП микроконтроллеров.

Микросхема U27 на схеме выполняет роль дифференциального усилителя напряжения для измерения напряжения аккумулятора. Дифференциальный усилитель применен здесь для того чтобы минимизировать ток потребляемый от аккумулятора, когда система обесточена, также дифференциальный усилитель как ни странно упрощает трассировку платы в отношении топологии аналоговых и цифровых земель.

Элементы управления. Для управления платой в первую очередь предназначены коммуникационные интерфейсы, но предусмотрено также и непосредственное ручное управление и настройка. Для этого введен в схему ручной механический энкодер SW1 с двухцветной подсветкой и нажатием PEL12D-4225S-S2024.

Для отображения информации есть OLED дисплей ER-OLED015-2W. Монохромный, 128×64 точки, управляется по интерфейсу SPI. Немного усложненная схема

объясняется тем что дисплею для работы нужно повышенное напряжение 12 В. Ключ питания U34 здесь добавлен скорее для страховки ввиду неопределенности поведения в даташите на дисплей в случае пониженного уровня VCC.

Микроконтроллер MKE18F512VLL16 будет работать на частоте 120 МГц. Его внутренней RAM размером в 64 кБ должно хватить для операционной системы реального времени чтобы управлять несколькими автономными задачами: GUI, измерений, контроля, связи.

Что стоит помнить

Как и программное обеспечение такие схемы подвергаются постоянному рефакторингу — меняются названия сигналов, заменяются микросхемы на другие, меняются дискретные компоненты, исправляются грубые ошибки и т.д. Изменения происходят постоянно и даже на этапе эксплуатации изделия. Эта схема прошла уже 3-и итерации с очень существенными изменениями.

Самый страшный враг схемотехника промышленных изделий — желание экономить на компонентах, пытаться снизить себестоимость отказываясь от тех или иных защитных средств: супрессоров, гальвано-изоляции, разделения земель, лимитеров и т.д.

Пример: можно не ставить супрессор на входе к которому подключается внешний источник питания. Казалось бы логично, ведь источник питания и так имеет многочисленную защиту на своем выходе. Но на производстве нередко включенный источник подключают к не запитанной плате. При достаточно длинных проводах и мощном источнике на входе платы в момент непосредственно коммутации и сопровождающего ее дребезга возникают резонансные явления приводящие к перенапряжениям и выходу из строя полупроводниковых ключей на плате.
Отловить такой баг уже отдав устройство в эксплуатацию можно лишь по факту массового обращения недовольных потребителей.

  • Схемотехника
  • контроллер
  • резервное питание
  • электроника
  • Программирование микроконтроллеров
  • Схемотехника
  • Производство и разработка электроники
  • DIY или Сделай сам
  • Электроника для начинающих