Introduzione
“Non preparandosi, ci si prepara a fallire” è un motto che vale la pena tenere a mente quando si progettano controller e attrezzature per la moderna fabbrica automatizzata, dove il fallimento non è un’opzione. Con dozzine di attuatori che aprono e chiudono simultaneamente relè ed elettrovalvole (Figura 1), questi ambienti difficili, rumorosi ed esigenti possono portare al limite le prestazioni persino dei componenti più robusti e anche in questo caso è necessario un circuito di protezione progettato con cura per garantire che non si vada oltre i confini della sicurezza. Nondimeno, anche i piani meglio preparati possono andare storti e un sovraccarico imprevisto o un cortocircuito non rilevato possono distruggere rapidamente un componente di commutazione, portando a costosi tempi di fermo della produzione.
Figura 1. Valvola di controllo attuata
In questo articolo, esaminiamo il funzionamento del circuito dell’interruttore high-side e consideriamo alcune condizioni operative e di guasto comuni, che se non rilevate e risolte in modo tempestivo, possono potenzialmente danneggiare o addirittura distruggere un interruttore e / o il suo controllore. Presentiamo quindi un nuovo controller IC che integra una miriade di funzioni di sicurezza e protezione che lo rendono l’ideale per fornire i massimi livelli di protezione ai circuiti di commutazione high-side se queste (o altre) condizioni di guasto dovessero verificarsi.
Cos’è un interruttore high-side?
Un transistor che accende / spegne un carico collegato a terra è comunemente indicato come “interruttore high-side”, poiché viene utilizzato per condurre corrente da una linea di ‘alta’ tensione (tipicamente 24V in un’applicazione industriale) al carico, che è collegato a una tensione inferiore (tipicamente 0 V). Per questo tipo di disposizione è necessario un FET a canale n operante nella regione di saturazione (Figura 2). Un segnale di attivazione / disattivazione a bassa tensione viene inviato da un microcontrollore al controller dell’interruttore IC, che fornisce quindi la tensione di gate più elevata richiesta per accendere e spegnere l’interruttore. Questi semplici circuiti a volte denominati anche “uscite digitali” sono spesso utilizzati negli attuatori industriali per aprire / chiudere le valvole, energizzare i solenoidi e per la frenatura del motore.
In alcune versioni di questo circuito, ad esempio il MAX14915, lo switch è integrato nell’IC del controller, mentre in altre implementazioni è un componente discreto esterno. Sebbene l’integrazione sia l’ovvio fascino del primo, il vantaggio del secondo approccio è che offre la libertà di scegliere un interruttore con una corrente di pilotaggio adeguata a un carico specifico.
Figura 2. Disposizione degli interruttori lato alto semplificata.
Consideriamo quindi alcune condizioni operative e di guasto comuni che possono verificarsi nell’ambiente di fabbrica, le loro potenziali implicazioni per un circuito interruttore high-side e alcuni approcci per proteggere il circuito da danni permanenti nel caso in cui si verifichino queste condizioni.
Sovratensione induttiva
Quando una valvola viene chiusa (o aperta, a seconda della polarità del sistema), l’interruttore viene spento e la corrente che fluisce nel carico induttivo (es. un solenoide) viene interrotta bruscamente, avviando il processo di smagnetizzazione. La natura di un induttore è quella di opporsi a questo effetto e così facendo crea una grande tensione di contraccolpo, nel tentativo di mantenere il flusso di corrente. Questa tensione di contraccolpo, che appare al terminale S del controller, deve essere limitata / bloccata a una tensione al centro dell’intervallo dei “valori massimi assoluti” del controller IC. Ciò impedisce che i danni siano causati dalla grande tensione negativa che si sviluppa tra i terminali S e G del dispositivo. Un modo comune per eseguire questa operazione è utilizzare un diodo di soppressione della tensione transitoria (TVS) che blocca il livello di tensione sul terminale della sorgente a un livello di tensione di sicurezza predeterminato. Quando si sceglie un diodo TVS, la sua corrente di picco nominale dovrebbe essere maggiore della corrente di picco che fluisce attraverso di esso durante la normale applicazione. Durante il blocco della tensione, la potenza di picco dissipata nel TVS deve rientrare nelle specifiche nominali (per la massima temperatura di esercizio). Per evitare danni, è anche fondamentale che il terminale sorgente del driver IC possa sopportare la massima tensione di bloccaggio del TVS.
Valvola bloccata
A volte in un processo industriale, una valvola può rimanere temporaneamente bloccata in una posizione che le impedisce di aprirsi o chiudersi completamente. Ciò può causare una condizione di “sovracorrente” in cui il circuito integrato del driver dell’interruttore aumenta gradualmente la corrente al carico per cercare di liberare la valvola. Se la valvola viene liberata improvvisamente, il problema viene risolto e la corrente che scorre nell’interruttore tornerà rapidamente alla normalità. Tuttavia, se la valvola rimane bloccata in una posizione, la corrente può continuare ad aumentare oltre il valore nominale dell’interruttore. Se questa condizione persiste per più di un breve periodo di tempo, il calore in eccesso può danneggiare permanentemente o addirittura distruggere l’interruttore. Pertanto, è importante limitare le dimensioni e la durata delle sovracorrenti che possono verificarsi.
Corto circuito
Un cortocircuito dei terminali LOAD e RETURN è il tipo più estremo di condizione di sovracorrente. In questo caso, la corrente è limitata solo dalla resistenza di accensione (RDSON) dell’interruttore e se non viene rilevata e / o protetta rapidamente, causerà il burnout dell’interruttore e provocherà danni irreparabili. La protezione contro un cortocircuito viene eseguita allo stesso modo di una condizione di sovracorrente.
Surriscaldamento
In caso di un aumento imprevisto della temperatura, ad esempio un guasto alla ventola di raffreddamento, le condizioni operative ambientali delle apparecchiature industriali possono superare i valori massimi. In un attuatore, questo può spingere l’interruttore a transistor al di fuori della sua gamma di temperatura operativa nominale. Nella migliore delle ipotesi, questo può causare prestazioni degradate, nel peggiore dei casi, può causare il burnout totale. È importante monitorare continuamente la temperatura ambiente di funzionamento dell’apparecchiatura in modo che possa essere spenta rapidamente se necessario.
Cablaggio errato
Gli esseri umani non sono infallibili e anche i tecnici più preparati possono commettere errori, soprattutto quando sono sotto pressione per commissionare una nuova linea di produzione e metterla in funzione rapidamente. Di fronte a un groviglio di fili, uno degli errori più semplici e quindi più comuni che un tecnico può commettere è collegare un terminale positivo al negativo o viceversa. I circuiti del driver high-side devono essere abbastanza robusti per gestire in sicurezza questa condizione.
Sovratensione di alimentazione
Sebbene 24 V CC sia il livello di tensione nominale utilizzato dalla maggior parte delle apparecchiature industriali, non è raro che questa tensione vari notevolmente (a causa della contaminazione incrociata da sovratensioni nelle apparecchiature di commutazione ad alta corrente adiacenti). Sebbene sia prevedibile e solitamente pianificato un grado di variazione della tensione di alimentazione, un guasto nell’alimentatore utilizzato per generare la linea a 24 V potrebbe far sì che questa aumenti sostanzialmente oltre la soglia operativa di sicurezza dell’interruttore e / o del controller. Per proteggersi da questo evento è necessario disporre di alcuni mezzi per rilevare che la tensione di alimentazione è salita oltre una soglia prestabilita, oltre la quale il circuito di commutazione può essere spento se ciò si verifica.
Prendere il controllo
Il circuito dell’interruttore high-side mostrato nella Figura 3 è dotato di un controller dell’interruttore high-side IC (MAX14922) che fornisce una serie di funzioni di sicurezza per proteggere l’intero circuito, rendendolo affidabile e robusto, anche in caso di funzionamento e guasto più impegnativi condizioni, come quelle considerate in precedenza.
Figura 3. Un controller di interruttori high-side con limitazione di corrente
Questo controller fornisce un rapido spegnimento del carico induttivo all’ingresso S (sorgente), che può essere ottenuto utilizzando un diodo TVS ad alta tensione collegato a terra per fornire il bloccaggio della tensione contro picchi di tensione (ed ESD) da -70 V(max) fino aVDD + 6V.
Consente inoltre di limitare la corrente quando un resistore di rilevamento (RS) è collegato traVDD e i terminali di ingresso SNS. La sovracorrente massima è quindi IOC =VOC/RS. Se si verifica una condizione di sovracorrente, il controller intraprende una serie di azioni precauzionali. In primo luogo, un’uscita diagnostica open-drain (OVCURR), che è alta durante il normale funzionamento del circuito, passa a un livello basso. Questa può essere utilizzata come flag per il microcontrollore per intraprendere l’azione appropriata, se lo si desidera. Il controller di commutazione inizia quindi a regolare la VGS dell’interruttore per regolare attivamente la corrente per un “tempo di blanking” fisso (impostato dal valore del condensatore sull’ingresso tBLANK). Se la condizione di sovracorrente persiste per un periodo più lungo del “tempo di blanking”, il controller spegne quindi l’interruttore per motivi di protezione. Dopo un ritardo alla disattivazione pari a circa 50 intervalli di “tempo di blanking” (cioè 10 ms), l’interruttore viene automaticamente riattivato. La ripetizione automatica del ciclo di attivazione / disattivazione continua fino a quando la causa della sovracorrente non viene rimossa da un tecnico. L’uscita OVCURR rimane bassa finché la condizione di sovracorrente non viene rimossa.
Ad esempio, nella Figura 4, un condensatore da 1nF ha impostato l’intervallo del “tempo di blanking” a 200µs.
Figura 4. La regolazione avviene durante l’intervallo di “tempo di blanking”
Dopo un ritardo alla disattivazione pari a circa 50 intervalli del “tempo di blanking” (o 10 ms), l’interruttore viene riattivato automaticamente (Figura 5) e questo ciclo di “ripetizione automatica” si ripete indefinitamente fino alla risoluzione del guasto.
Figura 5. Tempo di cancellazione e ripetizione automatica in condizioni di sovracorrente.
In caso di cortocircuito, il controller spegne l’interruttore per circa 5μs, quindi lo riaccende a una velocità controllata in modo che la corrente di carico di cortocircuito sia determinata dal valore della resistenza di rilevamento (Figura 6). Come per la condizione di sovracorrente, la fase di regolazione e gli intervalli di ripetizione automatica sono determinati dal valore del condensatore CBLANK
Figura 6. Rilevamento e intervento di cortocircuito.
Un altro vantaggio di questo circuito integrato è che integra il monitoraggio della temperatura e una funzione di spegnimento protettivo. Il sensore integrato segnala il raggiungimento della temperatura di 110ºC (valore tipico). Quando ciò si verifica, l’uscita logica THW si abbassa indicando un evento di sovratemperatura sebbene il dispositivo continui a funzionare normalmente. Se la temperatura si raffredda di 10º C, l’uscita logica THW ritorna alta. Tuttavia, se la temperatura continua a salire oltre i 150 ° C, il controller entra in modalità di spegnimento, indipendentemente dallo stato dell’ingresso IN (dal microcontrollore). In modalità spegnimento, l’uscita G è disattivata, costringendo l’interruttore a spegnersi completamente. Quando la temperatura si riduce di 10ºC, il dispositivo torna al funzionamento normale con l’uscita THW che si abbassa una volta che la temperatura è scesa al di sotto di 110ºC.
Il rilevamento della sovratensione di alimentazione è un’altra utile funzione di sicurezza di questo controllore. Se VDD supera la soglia di sovratensione (circa + 39V), l’uscita OV diventa attiva-bassa. Ciò non influisce sul controller dell’interruttore, che continua a funzionare normalmente (e continuerà a funzionare per VDD fino a 70 V. Ma l’uscita OV funge da flag per il microcontrollore per indicare che la tensione di alimentazione è superiore a quella per cui il sistema è progettato. Per alcune applicazioni, questo segnale potrebbe essere utilizzato per collegare il segnale dal microcontrollore del sistema per evitare che IN si accenda in caso di sovratensione. Per una maggiore robustezza, l’IC fornisce una protezione integrata contro il cablaggio errato della tensione di alimentazione.
Oltre alle caratteristiche di sicurezza, questo circuito integrato include anche un charge pump per fornire una maggiore corrente di pilotaggio al gate dell’interruttore. Ciò garantisce che sia completamente saturo con la minima on-resistance (RDSON). Questo riduce la dissipazione di potenza I2R (e il riscaldamento associato), il che è indesiderabile se il circuito è alloggiato in un piccolo involucro e consente velocità di commutazione fino a 50 kHz. Convenientemente, questo controller di commutazione IC include anche un regolatore LDO da 5 V a bordo, in grado di fornire fino a 50 mA di corrente ai circuiti esterni, dove richiesto.
Riepilogo
A prima vista, l’interruttore industriale high-side sembra essere un circuito relativamente banale. Tuttavia, di fronte al compito di operare in un ambiente di fabbrica difficile, ci sono molti modi in cui può fallire, questo può causare costosi tempi di fermo della produzione. In questo articolo, abbiamo preso in considerazione alcune delle difficili condizioni di funzionamento e di guasto che un interruttore high-side può incontrare. Abbiamo quindi presentato un nuovo IC di controllo dell’interruttore high-side che include una moltitudine di funzioni diagnostiche e di sicurezza per conferire a questi circuiti un grado di robustezza insuperabile durante il funzionamento in fabbrica. Disponibile in un contenitore 16-TQFN da 3 mm x 3 mm, è ideale per l’uso con un’ampia selezione di dispositivi FET a canale n, in elettrovalvole / relè e applicazioni di frenatura del motore che richiedono tra 1A e 10A di corrente.
Maggiori informazioni
Controller per interruttori high-side con limitazione di corrente MAX14922
