173. Защита питания: переполюсовка, предохранитель, ограничитель выброса

Вывод микроконтроллера защищают резистором и ограничителем — это раздел 62. Здесь — вход питания всей платы: что поставить, чтобы перепутанные провода, короткое замыкание и выброс в проводке не сожгли устройство. Диоды разобраны в разделе 169, ключи — в 171 и 172; теперь из них собираются схемы.

Все числа ниже — модели ngspice: питание 12 В, нагрузка 12 Ом (около 1 А).

Как это называется в документации

Оригинал	Перевод
reverse polarity protection	защита от переполюсовки
ideal diode / active rectifier	«идеальный диод» на транзисторе
high-side / low-side protection	защита в плюсовом / минусовом проводе
crowbar (shunt diode)	шунтирующий диод
fuse / resettable fuse (PPTC)	предохранитель / самовосстанавливающийся
hold current / trip current	ток удержания / ток срабатывания
transient voltage suppressor (TVS)	ограничитель выбросов
breakdown voltage (VBR)	напряжение пробоя
clamping voltage (VC)	напряжение ограничения
peak pulse power / energy	импульсная мощность / энергия
dynamic resistance	динамическое сопротивление

173.1 Переполюсовка: четыре схемы

Перепутать плюс с минусом легко: винтовой клеммник, разъём без ключа, блок питания от другого прибора. Что можно поставить на вход:

Диод — самое простое и самое дорогое по потерям решение: почти вольт падения и почти ватт тепла на ампере. Шоттки вдвое лучше по падению, но у него большой обратный ток (раздел 169.3), а в тепле — миллиамперы.

Транзистор в роли диода («идеальный диод») — тот же ключ из раздела 171, включённый так, что паразитный диод смотрит навстречу обратному току:

• P-канальный в плюсовом проводе: сток к источнику, исток к нагрузке, затвор через 100 кОм на землю. Правильная полярность — на затворе −12 В относительно истока, канал открыт, падение 57,9 мВ. Обратная — затвор и исток равны, канал закрыт, паразитный диод заперт.
• N-канальный в минусовом проводе: сток к минусу источника, исток к земле платы, затвор через 100 кОм на плюс. Как и P-канальный, он стоит «задом наперёд»: паразитный диод проводит в рабочем направлении, а при переполюсовке заперт. Падение вдвое меньше — 23,8 мВ, потому что N-канальный при том же корпусе имеет меньшее сопротивление канала. Минус схемы: земля платы и минус источника разделены транзистором, и любая внешняя связь по земле (USB, отладчик, датчик с общей землёй) его шунтирует.

Затвор тоже защищают. Он подтянут через 100 кОм к противоположному проводу, и напряжение затвор-исток равно напряжению питания. У силовых транзисторов предел обычно ±20 В, у малых в SOT-23 — ±12 и ±8 В (раздел 172): 12 В с запасом укладывается только в первый, а питание 24 В превышает и его. Выброс из 173.3 опасен по-разному: короткий, на 50 мкс, затвор не догоняет — его ёмкость заряжается через 100 кОм сотни микросекунд, и в модели напряжение затвор-исток доходит лишь до 13,4 В у P-канального и 13,9 В у N-канального; выброс длиной 3 мс доводит его у обоих до 22,6 В. Поэтому между затвором и истоком ставят стабилитрон на 10…15 В, а резистор 100 кОм ограничивает его ток: со стабилитроном на 12 В в той же модели — 12,0 В.

Отсюда и выбор: плата с изолированным питанием — N-канальный в минусе; плата, у которой земля общая с внешним миром, — P-канальный в плюсе.

173.2 Диод параллельно входу и предохранитель

Пятая схема: диод ставят параллельно входу, катодом к плюсу, а перед ним — предохранитель. В нормальной полярности диод закрыт и не мешает: при внутреннем сопротивлении источника 0,5 Ом и предохранителе 0,05 Ом нагрузка получает 0,956 А, а на предохранителе падает 47,8 мВ.

При переполюсовке диод открывается и замыкает вход: в модели через предохранитель течёт 18,6 А, и он перегорает. Схема защищает и от переполюсовки, и от короткого замыкания в нагрузке, но:

• предохранитель одноразовый, а самовосстанавливающийся (PPTC) срабатывает не мгновенно — за сотни миллисекунд;
• диод должен пережить ток срабатывания предохранителя;
• пока предохранитель цел, вход остаётся замкнутым на источник.

Схему любят в питании от автомобильной сети и в дешёвых блоках: она не добавляет потерь в нормальном режиме.

173.3 Выброс на входе: ограничитель

В проводке к плате приходят выбросы: отключилась катушка реле, дёрнулась нагрузка рядом. Модель такого короткого выброса: источник 12 В с внутренним сопротивлением 1 Ом, на вход приходит импульс 40 В на 50 мкс, на плате 10 мкФ и нагрузка 12 Ом.

Без ограничителя на шине 36,8 В — этого хватит, чтобы убить стабилизатор на 30 В и всё, что за ним. С ограничителем — 22,6 В.

⚠️ Напряжение ограничения выше напряжения пробоя. У ограничителя в модели пробой 16,7 В и динамическое сопротивление 0,35 Ом, а при токе 15,5 А на нём 16,7 + 0,35 · 15,5 = 22,1 В. В документации это отдельная строка «напряжение ограничения при заданном импульсном токе», и выбирать надо по ней, а не по напряжению пробоя.

Как выбирают: рабочее напряжение ограничителя — выше максимума питания (иначе он подтекает и греется в нормальном режиме), напряжение ограничения — ниже предельного напряжения того, что защищаем, а импульсная энергия — с запасом к ожидаемому выбросу.

Автомобильный вход — отдельная история. Отключение генератора под нагрузкой (сброс нагрузки) — выброс не на микросекунды, а на доли секунды, и энергии в нём на порядки больше 16 мДж; его гасит защита в самом генераторе или отдельная цепь, а не ограничитель у платы. Да и ограничитель из модели для машины не годится: при запуске от внешней батареи на 24 В он откроется, и даже через 1 Ом модели на нём будет 18,5 В при 4,0 А — 74 Вт, не импульсом, а всё время запуска. На автомобильном входе рабочее напряжение ограничителя берут выше 24 В, а стабилизатор за ним — на его напряжение ограничения.

173.4 Что ставить на вход платы

Порядок от разъёма внутрь:

1. Предохранитель — от короткого замыкания и от последствий переполюсовки. Самовосстанавливающийся удобен там, где до платы не добраться, но он медленный и после срабатывания меняет сопротивление.
2. Защита от переполюсовки — транзистор, если важны потери, диод, если важна простота.
3. Ограничитель — от выбросов в проводке; для плат в автомобиле и в промышленной обвязке он обязателен. Однонаправленный ставят после защиты от переполюсовки: до неё при перепутанных проводах он откроется как диод из 173.2 и сожжёт предохранитель; иначе берут двунаправленный.
4. Накопительный конденсатор и развязка — раздел 167: электролит или полимер на входе, керамика у стабилизатора.

Дальше — стабилизатор (раздел 55), и от него уже питание платы. Дополнительно: RC- или LC-фильтр для аналоговой части (раздел 168.2).

173.5 Грабли

Плата работает, но греется диод на входе. Кремниевый диод на ампере — 0,9 В и почти ватт; транзистор в той же роли даёт 58 мВ.

«Идеальный диод» не защищает. Транзистор включён стоком и истоком наоборот: паразитный диод проводит обратный ток независимо от затвора (раздел 171.6).

N-канальный в минусе перестал защищать после подключения отладчика. Земля платы соединилась с внешней через кабель — транзистор зашунтирован.

Стабилизатор сгорел, хотя ограничитель стоял. Выбирали по напряжению пробоя: при импульсном токе напряжение ограничения заметно выше — 22,6 В против 16,7 В в модели.

Транзистор защиты пробит после выброса. Затвор без стабилитрона: длинный выброс поднял напряжение затвор-исток выше ±20 В.

Ограничитель греется в нормальном режиме. Рабочее напряжение выбрано впритык к питанию — он подтекает.

Самовосстанавливающийся предохранитель не спас транзистор. Он срабатывает за сотни миллисекунд, а переход пробивается за микросекунды: он защищает от пожара, а не от сгорания.

173.6 Итоги

• Переполюсовка: кремниевый диод — 0,908 В и 0,839 Вт при 1 А, Шоттки — 0,411 В и 0,397 Вт, P-канальный — 57,9 мВ, N-канальный в минусе — 23,8 мВ.
• В обратной полярности транзисторы держат ток утечки 13 пА, Шоттки — 30 мкА.
• Диод параллельно входу с предохранителем: в нормальном режиме 47,8 мВ на предохранителе, при переполюсовке через него 18,6 А — предохранитель горит.
• Выброс 40 В на 50 мкс: без ограничителя на шине 36,8 В, с ним — 22,6 В при токе 15,5 А и энергии 16,1 мДж; напряжение ограничения = пробой плюс падение на динамическом сопротивлении.
• Затвор «идеального диода» — со стабилитроном 10…15 В: выброс длиной 3 мс доводит напряжение затвор-исток до 22,6 В, со стабилитроном на 12 В — 12,0 В.

Дальше: раздел 173а «Пропадание питания» — сколько миллисекунд есть у платы, когда вход пропал, и что в них успеть записать.