Схема прогрессирующего ограничения тока линейного регулятора

Для многих приложений, потребляющих от источника питания ток в несколько ампер или меньше, удобным решением, обеспечивающим простоту использования, низкую стоимость и полную встроенную защиту от перегрузки, являются трехвыводные регулируемые линейные регуляторы напряжения, такие как LM317. Добавление нескольких компонентов может повысить надежность трехвыводного регулятора за счет реализации функции быстродействующего ограничителя тока короткого замыкания. Ограничитель тока защищает регулятор от повреждений, поддерживая максимальный выходной ток на постоянном уровне I_MAX, безопасном для регулятора [1]. Когда возникает неисправность, мощность, рассеиваемая в проходном транзисторе, приблизительно равна V_IN×I_MAX. При проектировании регулятора, способного выдержать перегрузку, используются компоненты, выбираемые с большим запасом, а конструкция часто оказывается чрезмерно сложной, если только не будет предусмотрена возможность снижения или прогрессирующего ограничения выходного тока при возникновении неисправности [2].

В схеме на Рисунке 1 для защиты проходного транзистора прогрессирующее ограничение тока реализовано путем добавления резистора обратной связи R₄. В нормальных условиях транзистор Q₂ закрыт, и резисторы R₁ и R₂ поддерживают на затворе MOSFET Q₁ напряжение, открывающее транзистор. При перегрузке выхода Q₂ открывается, уменьшая открывающее напряжение на затворе Q₁, и, таким образом, увеличивая его сопротивление сток-исток и ограничивая ток, протекающий через регулятор IC₁.

Рисунок 1.	Эта схема добавляет прогрессирующее ограничение тока для защиты линейного регулятора.

Добавление резистора R₄ делает ток смещения транзистора Q₂ зависимым от выходного напряжения V_OUT, которое уменьшается при перегрузке.

Для схемы на Рисунке 1 максимальный ток в режиме прогрессирующего ограничения и ток короткого замыкания, I_KNEE и I_SC, соответственно, можно рассчитать по следующим формулам:

(1)

(2)

Рисунок 2.	Смоделированный и измеренный отклики схемы прогрессирующего ограничения при изменении сопротивления нагрузки от 200 Ом до 0.01 Ом демонстрируют хорошее совпадение.

На практике сначала выбирают токи I_KNEE и I_SC и равные значения R_3A и R_3B, а затем используют формулы (1) и (2) для расчета сопротивлений резисторов R_SC и R₄. Для схемы на Рисунке 1 максимальный выходной ток в режиме ограничения и ток короткого замыкания зафиксированы на уровнях 0.7 А и 0.05 А, соответственно. При R_3A и R_3B, равных 100 Ом, решение уравнений дает 0.73 Ом для R_SC и 4.3 кОм для R₄.Чтобы продемонстрировать характеристики схемы, можно нагрузить ее переменным резистором, сопротивление которого регулируется от 0 до 200 Ом. Как видно из Рисунка 2, смоделированные и измеренные выходные вольтамперные характеристики (зависимости V_OUT от I_OUT) находятся в хорошем соответствии.

Ссылки

1. Hulseman, Herb, "MOSFET enhances voltage regulator's overcurrent protection," EDN, March 3, 2005, pg 74.
2. Martin Galinski «Защита от неисправности с помощью следящего ограничения тока»

Материалы по теме

1. Datasheet Intersil IRF9130
2. Datasheet Fairchild LM317