Protección de voltaje inverso para la familia de controladores de protección de Analog Devices

Después de revisar varias hojas de datos para dispositivos de la "familia de dispositivos analógicos de topes de sobrevoltaje, protección contra sobrevoltaje, protección contra sobrecorriente y circuitos integrados de disyuntores", descubrí que la protección de polaridad inversa externa se realiza con el mismo método, pero encontré algunas diferencias en algunos detalles.

A continuación se muestran tres esquemas de tres hojas de datos diferentes. Estoy interesado en saber por qué estos esquemas son diferentes, ya que creo que no deberían:

documento 1

documento 2

documento 3

En la hoja de datos LTC4366 (página 20) se encuentra una explicación sobre cómo funciona el circuito de protección de polaridad inversa . Debo señalar que los tres controladores tienen una clasificación máxima absoluta similar para el voltaje negativo del pin de puerta de -0.3V.

Al comparar los 3 circuitos:

El primer circuito parece ideal ya que el diodo D1 bloquea el voltaje positivo excesivo del suministro de entrada que pasa a GATE y D2 evita daños en el pin GATE del LTC4366 fijándolo a tierra cuando la puerta de M2 ​​es negativa. La resistencia R4 de 270k es pequeña, lo que conducirá a un tiempo de encendido más rápido de M2.

El segundo circuito se basa en la gran resistencia R5 para bloquear el paso de corrientes excesivas al pin GATE en el caso de un voltaje positivo excesivo en el suministro de entrada o voltajes negativos presentes en la GATE de M2.

El tercer circuito usa un diodo para bloquear el voltaje positivo excesivo en el suministro de entrada, pero no usa nada para proteger el pin GATE de los voltajes negativos (tal vez confíe en la resistencia de R4 (240k).

Mi pregunta es: si los tres circuitos tienen el mismo propósito de protección contra polaridad inversa, ¿por qué veo 3 versiones diferentes y, lo que es más importante, qué circuito es el mejor?

Qué diseños fallan primero más allá de +/- 500 V es una mejor pregunta.
Analog Devices no es propenso a cometer errores, ya sea en el diseño o en la publicación de hojas de datos. Dado que cada dispositivo tiene una topología de abrazadera de sobretensión personalizada para que coincida con ese diseño, ¿quién puede decir que alguno de estos diseños está mal? Escoger un 'lo mejor de' en términos de protección tal vez sobre el análisis de un problema que no existe.
Creo que necesita diferentes topologías porque los niveles de voltaje de entrada de trabajo frente a los voltajes de puerta permitidos de los MOSFET son diferentes, y también debe proteger los MOSFET.
@TonyEErocketscientist, ¿dónde vienen los +/-500v en un entorno automotriz de 12/24v?
Por lo que puedo ver, lo que has marcado con un círculo rojo no es la única parte que varía.
Todos los circuitos de polaridad inversa agregados están ahí para proteger la puerta de cada IC, ¿verdad? No me queda claro cómo se puede evitar que un pin de salida emita demasiado voltaje negativo. Tiene más sentido simplemente mantener los pines de suministro de los circuitos integrados en los niveles correctos. Tenga en cuenta que esto supera mi nivel de comprensión y necesito su ayuda antes de que pueda recibir la mía. No quiero decir que haya un error en tu pregunta.
Sí, absolutamente lo que decía @Daniel Tork. El tercer circuito, por ejemplo, no tiene NINGUNA protección de polaridad inversa ...
@DanielTork el tercer circuito agrega protección inversa para dispositivos aguas abajo. El propio controlador (LTC4380) puede soportar voltajes inversos en el pin VCC sin dañarse.
Los autos @ElectronS de 12 V están clasificados para la desconexión de la batería de pulsos de -100 V 5k, mientras que los vehículos de 24 V están clasificados para pulsos de -600 V 5k. Entonces, cada diseño tiene requisitos diferentes, por lo tanto, diseños diferentes.
fhlb, estoy pensando en sacar del circuito lo que ha marcado con un círculo y escribir una respuesta que trate con cada uno, analizando cómo se protegería la salida cuando el voltaje de entrada sea negativo. ¿Crees que esto resolvería tu pregunta?
@DanielTork Sí, de hecho
@DanielTork "cómo se puede evitar que un pin de salida emita demasiado voltaje negativo" - ¿Por qué con el uso de dispositivos que solo permiten que pase CC si tiene cierta polaridad (como con los componentes descritos anteriormente). "Tiene más sentido simplemente mantener los pines de suministro de los circuitos integrados en los niveles correctos": esa es una tarea mucho más complicada si realmente espera que esos dispositivos funcionen también con entrada de polaridad inversa. Mucho más complejo que ~90% de las veces no vale la pena el costo y el esfuerzo.
@TonyEErocketscientist "Qué diseños fallan primero más allá de +/- 500 V": en realidad, ninguno de los diseños descritos anteriormente está destinado a proteger algo que se acerque a 500 V, y mucho menos por encima de eso.

Respuestas (2)

En realidad, creo que ninguno de los componentes que ha marcado en un círculo en todos los esquemas es responsable de la protección de voltaje inverso (como usted mismo lo señaló correctamente en los tres casos: "el diodo D1 bloquea el voltaje positivo excesivo del suministro de entrada " , "R5 para bloquear el paso de corrientes excesivas al pin GATE en caso de voltaje positivo excesivo en el suministro de entrada" y "un diodo para bloquear el voltaje positivo excesivoen el suministro de entrada"). El secreto en realidad radica más en la disposición especial de los diodos y transistores inmediatamente cerca del suministro de entrada y los MOSFET asociados accionados por ellos (D3, D4, Q2 y M2 en el primer circuito, D2, D3, Q3 y Q2 en el segundo, más las resistencias de polarización asociadas, por supuesto). Aseguran que solo se suministre voltaje a los circuitos si tiene la polaridad correcta. El tercer circuito es un poco diferente de esta manera (con el diodo Zener adicional D1 para la regulación, probablemente debido al rango de voltaje de entrada más amplio de este IC), pero aparte de eso, el circuito de protección de polaridad inversa sigue siendo el mismo (garantizado por los componentes D2, Q3 y M2). El mecanismo de estos circuitos se explica en la hoja de datos de LTC4366 que he vinculado en su pregunta bastante bien, diría yo.

"El diablo está en el detalle". Tengo curiosidad por saber por qué estos circuitos están interconectados de manera diferente.
@fhlb Tiene que ver con múltiples factores, incluido el diseño interno de los circuitos integrados y los voltajes inversos (y transitorios) contra los que los circuitos deben proteger. El tercer diseño es diferente porque "El LTC4380 está diseñado para soportar voltaje inverso sin dañarse a sí mismo", por lo que para su pin Vcc, un simple diodo Zener es suficiente para una protección adecuada. El segundo diseño solo está destinado a proteger contra polaridad inversa y sobretensiones de -80 V, no 150 V (como en el tercer diseño) o 250 V (como en el primero).
A pesar de eso, también utiliza un diodo adicional (D1, un diodo TVS). El primer diseño ofrece protección contra las sobretensiones más altas (250 V para proteger contra sobretensiones provenientes de un alternador sin supresión de descarga), pero esto tiene el costo de usar más diodos que causan "pérdida de energía adicional, generan calor y reducen el suministro disponible". rango de voltaje. Durante el arranque en frío, la caída de voltaje adicional a través del diodo es particularmente indeseable". - En resumen, elegir el diseño "adecuado" se trata de hacer concesiones, como siempre. O lo hace más eficiente o más tolerante a fallas.
lo que ha citado ("pérdida de potencia adicional...") fue una descripción de los inconvenientes de usar un diodo en serie para bloquear el voltaje inverso.
@CoolKoonthe el segundo diseño está destinado a sobrevivir a sobretensiones de 250 V ... aunque no se mencionó qué tipo de sobretensiones de 250 V (consulte el pie de página de la imagen)
Vaya, me acabo de dar cuenta de que mezclé los esquemas durante mis comentarios anteriores, lo siento. Entonces, eché un vistazo rápido y una vez más: se debe a las diferencias en los diseños de los circuitos integrados: el LT4363 tiene una clasificación máxima absoluta en el pin GATE en SNS + 10V, por lo que efectivamente 110V máx. (si llega un pico transitorio, también aparecerá en el pin SNS completo). Esto elimina la necesidad de un diodo. En comparación, el LTC4366 tiene una clasificación máxima absoluta de 15 V para su pin GATE, por lo que en ese caso es esencial un diodo de protección. Básicamente estás comparando manzanas con naranjas aquí.
Y, en realidad, la captura de pantalla es engañosa porque, de los diseños que ha publicado, solo el primero afirma resistencia a sobretensiones de 250 V (tanto positivas como negativas). El segundo reclama -80V (¡no 250V!) y el tercero 150V (aunque esto no se menciona explícitamente en el diseño, se menciona en la explicación del circuito).
tienes razón... captura de pantalla arreglada...

El caso de la protección contra sobretensiones es la desconexión del terminal +ve de la batería con una carga inductiva que da como resultado un pico negativo.

El límite de voltaje de la puerta se debe a la protección de diodo Schottky incorporada que no puede tolerar más de 1 mA o más de entrada negativa externa a ese voltaje para proteger el controlador CMOS contra el modo de falla del sustrato SCR común.

Por lo tanto, el accionamiento de la compuerta frontal pasa por una alta resistencia para soportar -500 V o menos, según la clase de diseño y los criterios de prueba. El pico de entrada negativo debe encender el NPN para apagar el FET frontal, pero antes de que esto suceda, el CIss es suficiente para conducir el pico, por lo que la abrazadera debe ser rápida y el colector R debe ser superior a 250k.

El primer diseño agrega un diodo O abrazadera a tierra para soportar esto también, utilizando diodos con buenas características VI a la velocidad deseada.

honestamente, estaba desconcertado por la selección de diodos. Primero pensé que el diodo (D1 en el primer esquema, D3 en el tercero) debería ser de tipo schottky para que la unidad de compuerta no se caiga en el funcionamiento normal. Leí en los foros de LT ( ez.analog.com/power/f/qa/52531/ltc7000-negative-voltage ) que en su lugar se sugiere un diodo de baja fuga. ¿Puede actualizar su respuesta e indicar qué esquema (en su opinión) es mejor para proteger el pin de la puerta de transitorios negativos y positivos (así como de sobrevoltaje y eventos de polaridad inversa constante)? Estoy tratando de cumplir con la norma ISO-16750-2 24V
@fhlb En realidad, D1 en el primer esquema solo está ahí para la protección de polaridad inversa, no se supone que deje pasar demasiado voltaje (evidenciado por la presencia de R4 y D2 también). Después de todo, M2 está destinado a ser impulsado por el voltaje de entrada, no por el IC. Lo mismo ocurre con D3 y R4 en el tercer esquema. Y eso está perfectamente en línea con lo que ha leído acerca de preferir un diodo de baja fuga también.
Debido a que el tiempo de ionización del aire para iniciar el arco tiene un retraso, a través de una pequeña capacitancia, C, el pico de voltaje -ve cae dV/dt=I/C pero cuando el arco golpea con un túnel, la velocidad de giro de la corriente del arco es aún más rápida en el xxx rango de picosegundos con resonancia que hace que la tarea de un "diodo ideal" aquí sea una fuente de impulsos V (t), I (t) mucho más compleja. De ahí todos los diodos. Mi elección es el primer diseño.
@CoolKoon D1 también se usa para bloquear el paso de alto voltaje a la puerta de M1 en el caso de sobrevoltaje de entrada (tenga en cuenta que la fuente de M1 es diferente de la fuente de M2). Cuando M1 está apagado, su puerta será impulsada por el controlador de protección al voltaje presente en el pin de SALIDA mientras que la puerta de M2 ​​tiene un voltaje que es igual al voltaje de entrada. si este voltaje pasa a la puerta de M1, se podría violar el Vgs (máx.) (la SALIDA a veces es más baja que Vin en más de 20 V)
@fhlb Por supuesto, D1 también se usa para evitar que las sobretensiones pasen a la puerta de M1, pero normalmente (es decir, en casi todos los demás esquemas de muestra de la hoja de datos) la salida GATE del IC (el LTC4366) no está conectado a la voltaje de entrada en absoluto, por lo que sin el circuito de protección de polaridad inversa, este problema ni siquiera existiría.
@TonyEErocketscientist, ¿qué capacitancia está señalando específicamente aquí?
Protección de voltaje inverso para la familia de controladores de protección de Analog Devices
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