Jednoduché způsoby omezení proudu s využitím integrovaného MOSFETu

V elektronických zapojeních je často zapotřebí limitovat proudy. Nadměrným průtokům je např. nutné zabránit u portů USB, takže lze elektrické obvody spolehlivě chránit. Stejně tak musíme předcházet i vybití baterie v powerbankách. Zatěžování příliš vysokými proudy může vést k nepřijatelně velkému poklesu napětí baterie a připojené zařízení pak nebude napájeno ze zdroje o dostatečném napětí.

Průtok proudu je proto často nezbytné omezit konkrétní úrovní. Většina měničů pro napájecí zdroje bude mít omezení nadproudů, se kterými řeší vlastní ochranu před poškozením, které by mohly způsobit nadměrné průtoky. V případě některých DC/DC měničů lze prahovou úroveň dokonce i přizpůsobit.

Zvyšující DC/DC měnič s vestavěným a třeba i nastavitelným omezováním proudu je možné také použít v systému znázorněném na obr. 1. V takovém zapojení pak můžeme vynechat přídavný blok sloužící k limitaci proudu. Zároveň zde ale existuje celá řada aplikací, ve kterých na trase napájení nenalezneme žádný DC/DC měnič. Jako příklad si uveďme situaci, kdy máme v rámci systému k dispozici napětí 24 V a průtok proudu by měl být na této větvi omezen, ovšem zátěž musí být provozována právě na 24 V. V takové situaci se již může uplatnit doplňkový blok proudového omezení, který je na obr. 1 znázorněný modrou barvou.

Obr. 1  K proudovému omezení powerbanky s výstupním proudem 1 A vztaženým k jednomu portu

Nastíněný problém nám řeší obvody proudového limiteru. Budou zde součástí rodiny modulů ochran, které např. zahrnují hot swap kontroléry, přepěťové ochrany, ochrany elektronických obvodů a také ideální diody.

Většina z těchto integrovaných obvodů, které jsou na trhu k dispozici, využívá ke spínání a také za účelem přerušení průtoku proudu, ale rovněž i k jeho limitaci vnější tranzistory MOSFET, kdy zmíněný spínač pracuje jako lineární regulátor. U takového spínače však musí být zajištěno, aby MOSFET pokaždé pracoval v rámci své bezpečné oblasti SOA (safe operating area). Jakmile není podmínka splněna, hrozí poškození polovodiče, a tudíž i celého obvodu. Bohužel ale není vždy jednoduché zvolit vhodný tranzistor MOSFET a provozovat jej způsobem, kdy za žádných okolností nepřekročíme bezpečné hranice SOA. Pracovní teplota, napětí, proud a zejména pak i doba – to všechno jsou faktory ovlivňující výsledek. K zajištění spolehlivé činnosti musí být všechny ve správných mezích. Na obr. 2 vidíme diagram (SOA) u typického MOSFETu s kanálem N. Činnost tranzistoru je možná pod vyznačenými liniemi.

Obr. 2  Typická bezpečná pracovní oblast SOA tranzistoru MOSFET

Obr. 3 zase ukazuje speciální integrovaný obvod, proudový limiter MAX17523 [1] od společnosti Analog Devices. K dispozici má dva MOSFETy omezující proud na úrovni mezi 150 mA až 1 A. Když průtok proudu dosáhne svého limitu, je buď přerušen s možností pokračovat po určité vyčkávací době, nebo je obvod rozpojen trvale až do příštího zapnutí, příp. zde k omezení proudu dochází na základě snížení napětí. Vnitřní tranzistor MOSFET je pak provozován v ohmické oblasti. Jedná se tedy o lineární regulaci. V každém ze zmiňovaných režimů s nastavitelným omezením se interní MOSFET vždy nachází v dané bezpečné oblasti a nemůže být poškozen. Rovněž se obejdeme bez složitých výpočtů či způsobů vyhodnocování. Pokud sáhneme po vhodných součástkách s vysokou mírou integrace, nepředstavuje omezování proudu v zapojení žádný problém. Smysl rovněž dává spojení takového typu obvodu s DC/DC měničem, který nemá k dispozici nastavitelné proudové omezení.

Obr. 3  Zjednodušené vnitřní zapojení speciálního integrovaného obvodu – proudového limiteru

Odkazy:

[1] Obvody MAX17523, https://www.analog.com/en/products/max17523.html