Защита от короткого замыкания является очевидным требованием для источника питания, особенно когда его нагрузка подключается к кабелю, который может быть поврежден. Во многие современные микросхемы преобразователей напряжения включены некоторые средства защиты, например, от перегрева и перегрузки, но в некоторых случаях встроенной защиты может оказаться недостаточно. На Рисунке 1 показан понижающий DC/DC преобразователь для двух видеокамер, установленных на дистанционно управляемом транспортном средстве. Поскольку транспортное средство работает в довольно суровых условиях, как во время монтажа системы, так и при нормальной работе кабели могут часто замыкаться. Камерам требуется напряжение 12 В и ток около 250 мА для каждой. Преобразователь построен на базе микросхемы LM2675, которая сама по себе имеет хорошую защиту от перегрузок. Однако в случае короткого замыкания выхода ограничительный диод D1 должен выдерживать максимальный ток микросхемы. Этот ток, согласно техническому описанию, может достигать 2.2 А, что требует использования диода увеличенного размера. Кроме того, ожидание срабатывания тепловой защиты предполагает, что вы готовы допустить значительное повышение температуры устройства, что приведет к нагреву соседних компонентов. Такая ситуация нежелательна, учитывая длительные периоды неконтролируемой работы, в течение которых кто-то должен обратить внимание на проблему. В идеале, кто-то должен немедленно сообщить о неполадках оператору.
В системе на Рисунке 1 используется микроконтроллер PIC16F84, который получает питание от отдельного источника постоянного напряжения. Как обычно, входы/выходы микроконтроллера находятся в дефиците из-за множества других задач, выполняемых контроллером. Однако надежную защиту от короткого замыкания и управление включением/выключением источника питания можно обеспечить, используя всего один вывод общего назначения. При первой подаче питания микроконтроллер запускается. В этом состоянии все его линии ввода/вывода являются высокоимпедансными входами, поэтому LM2675 не может запуститься; резистор R1 привязывает его вывод ON/OFF (включения/выключения) к низкому уровню. После процедуры инициализации, когда приходит время включить камеру, микроконтроллер делает свой вывод PB0 (или любой вывод, имеющий двухтактный каскад) выходом и устанавливает на этом выходе высокий уровень. DC/DC преобразователь запускается. После небольшой задержки микроконтроллер снова делает свой вывод PB0 входом, но источник питания остается включенным, поскольку его выходное напряжение подключается к управляющему входу через R2 и D2. Это состояние сохраняется, пока нагрузка остается нормальной. При коротком замыкании выхода напряжение смещения исчезает, и микросхема отключается. Уровень напряжения на выводе PB0 становится низким, уведомляя микроконтроллер об этом состоянии. (Вывод PB0 особенно полезен в этой ситуации, поскольку он может генерировать запрос прерывания). Затем микроконтроллер может предупредить пользователя о сбое, пытаться после задержки перезапускать преобразователь в «прерывистом» режиме или сделать и то, и другое.
 | |
| Рисунок 1. | Этот DC/DC преобразователь обеспечивает гибкую защиту от перегрузок и диагностику. |
Длительность наихудшего случая короткого замыкания в этой схеме зависит от длительности импульса включения от микроконтроллера. Этот импульс должен быть достаточно длинным – обычно около 10 мс, – чтобы позволить рабочей нагрузке (с ее собственными входными конденсаторами и преобразователями энергии) начать получать питание. Микросхема LM2675 с ограничительным диодом на Рисунке 1 выдерживает короткие замыкания в течение нескольких секунд без перегрева или каких-либо других проблем, поэтому режим короткого замыкания совершенно безопасен. Дополнительным преимуществом является то, что микроконтроллер может в любой момент выключить DC/DC преобразователь, что позволяет экономить заряд батареи и снизить тепловыделение. Для выключения микроконтроллер снова делает вывод PB0 выходом, но устанавливает на нем ноль. Мощный выходной драйвер микроконтроллера PIC16F84 легко преодолевает напряжения смещения от элементов R2, D2 и R1 и отключает LM2675. При нормальном выходном напряжении делитель R2, D2, R1 обеспечивает напряжение (в данном случае 5 В), близкое к напряжению питания VDD микроконтроллера. Небольшие колебания напряжения не причиняют вреда микроконтроллеру благодаря входным защитным диодам контроллера и тому, что резистор R2 ограничивает ток на выводе PB0 до безопасного уровня. Однако следует поддерживать сопротивления резисторов делителя достаточно низкими, чтобы не создавать значительного падения напряжения на R1 из-за тока смещения от вывода ON/OFF микросхемы LM2675 (максимум 37 мкА). При показанных на схеме значениях наибольший ток смещения создает падение напряжения, которое не превышает 20% от минимально возможного порогового напряжения (0.8 В) входа ON/OFF.