Circuiti di protezione contro l’inversione di polarità

La maggior parte dei dispositivi elettronici è dotata di una protezione contro l'inversione di polarità per evitare danni nel caso in cui la batteria o la spina di alimentazione vengano collegate nel modo sbagliato, anche in presenza di misure meccaniche per evitarlo. Per l'elettronica nel settore automobilistico è obbligatoria una protezione contro l'inversione di polarità per evitare danni ai sistemi elettronici nel caso in cui la polarità venga invertita accidentalmente quando si installa una nuova batteria. Poiché le auto di oggi contengono una percentuale molto elevata di componenti elettronici, tale danno equivarrebbe alla perdita totale del bene. Sono possibili vari approcci con diversi pro e contro per ottenere questo tipo di protezione.

Diodo

Fig.1 – Diodo

Il metodo più semplice e dal costo minore per una protezione contro l'inversione di polarità è un solo diodo tra source e carico come mostrato in Fig. È una soluzione molto affidabile, ma presenta uno svantaggio importante che può essere problematico soprattutto a correnti più elevate. Il problema è la caduta di tensione diretta nell'intervallo di alcune centinaia di millivolt per un diodo Schottky, che causa perdite di potenza e di conseguenza una certa quantità di calore su questo dispositivo. Pertanto, le perdite di potenza limitano la corrente massima e sono determinanti per il package dei diodi. Come regola generale, un package SMA risulta adatto fino a 200 mW, un SMB fino a 300 mW e un SMC fino a 500 mW. Per perdite maggiori è necessario utilizzare package avanzati come l'SMPC (TO-277A). Tuttavia, la caduta di tensione diretta può anche causare ulteriori problemi. La maggior parte dei dispositivi elettronici per autoveicoli deve mantenere la funzionalità anche durante l'avviamento. Durante la messa in moto del motore, la tensione della batteria crolla, soprattutto con batterie vecchie e a basse temperature. Le specifiche di tale calo scendono a 3,2 V, in base alle specifiche. Qualsiasi ulteriore caduta di tensione addizionale, come un diodo di protezione contro l'inversione di polarità, ha un grande impatto in quanto diminuisce ulteriormente la tensione di ingresso dei circuiti successivi.

P-FET

Fig.2 - P-FET

Se le perdite su un diodo diventano troppo elevate o la caduta di tensione diretta non è più accettabile, è possibile utilizzare una protezione basata su un P-FET, come illustrato in Fig.1 – Diodo.. Si tratta di una soluzione abbastanza semplice che richiede solo pochi componenti. Se la tensione viene applicata correttamente, il body diode del FET è conduttivo e la tensione di ingresso (meno la caduta di tensione diretta del body diode) è presente sulla source. Il gate viene portato a terra da un resistore (tipicamente nell'intervallo 10 – 100 kΩ). In tal modo la tensione sul gate è inferiore a quella sulla source e il FET è conduttivo. Il diodo Zener tra source e gate limita la tensione massima per evitare danni al FET. La tensione gate-source e il diodo Zener devono essere scelti in modo tale che il FET sia completamente conduttivo, tipicamente nell'intervallo 4,5 – 15 V. Un condensatore in parallelo al resistore riduce il rumore e funge da filtro. A seconda della resistenza sul P-FET, questa soluzione è fattibile per diversi ampere di corrente di carico. Lo svantaggio sta nel costo e nelle prestazioni rispetto a un N-FET. Inoltre, anche la varietà di P-FET è molto inferiore.

N-FET

Fig.3 - N-FET

Il pilotaggio di un P-FET risulta più facile nella maggior parte dei casi, perché il gate del FET deve avere un potenziale più basso della source affinché si accenda, come mostrato nella soluzione precedente. Su un N-FET è il contrario: per accenderlo, il potenziale del gate deve essere superiore al potenziale della source. Posizionando l'N-FET sulla linea di ritorno (GND) come mostrato in Fig.3, è possibile pilotarlo in modo analogo alla soluzione P-FET. Il resistore porta il gate alla tensione di ingresso, mentre la source è collegata all'ingresso negativo della tensione di alimentazione dal body diode del FET. Pertanto, la tensione sul gate è superiore a quella sulla source e il FET è conduttivo non appena viene applicata correttamente una tensione di ingresso. Anche su questo circuito è necessario un diodo Zener per bloccare la tensione gate-source del FET all'interno di un intervallo tollerabile. Con questo approccio si può usare un N-FET che è meno costoso rispetto a un P-FET con una resistenza attiva simile. Lo svantaggio è che la linea GND viene interrotta, il che, ad esempio, non è consentito nelle applicazioni automobilistiche. Tuttavia, si tratta di una soluzione valida per altre applicazioni senza questa restrizione.

Smart Diode Controller

Soprattutto ad elevate correnti di ingresso, la soluzione P-FET diventa troppo costosa e voluminosa rispetto agli N-FET a parità di package. D'altro canto, le applicazioni automobilistiche non consentono di posizionare una protezione sul percorso di ritorno (GND). Pertanto, gli N-FET vengono utilizzati sulla linea di ingresso e pilotati da controller speciali, i cosiddetti «Smart Diode Controller». Sul mercato sono disponibili controller diversi con varie serie di funzionalità, come il LM74700-Q1 con qualifica automotive di Texas Instruments. Tutti i controller hanno una funzionalità in comune, ossia una pompa di carica integrata che utilizza un condensatore esterno (C4) per generare una tensione superiore alla tensione di ingresso per pilotare il FET. Lo schema in Fig.1 – Diodo. presenta la disponibilità di una soluzione piccola e semplice grazie all'integrazione di varie funzionalità all'interno del circuito integrato. Durante le correnti di carico leggero questo controller regola la caduta di tensione sul FET a 20 mV. A condizioni di carico più elevate, è pienamente operativo e la caduta di tensione è proporzionale alla corrente di carico e alla resistenza attiva. Se viene rilevata una condizione di corrente inversa, il FET viene disattivato automaticamente e il body diode blocca qualsiasi corrente inversa. Tutte le soluzioni mostrate in precedenza hanno lo stesso comportamento di spegnimento anche in caso di improvvisa applicazione di una tensione inversa durante il normale funzionamento quando il FET è attivo. L'ingresso ENABLE di LM74700 controlla i circuiti interni e riduce il consumo di corrente da 30 μA a 3 μA quando è disabilitato. È importante tenere presente che il body diode è ancora in esecuzione anche quando il FET non è acceso. Questa soluzione emula un diodo ideale e beneficia delle prestazioni migliori e del costo inferiore di un N-FET rispetto a un P-FET, il che giustifica il prezzo dello Smart Diode Controller nella maggior parte dei casi.

Fig.4 - LM74700-Q1

Pompa di carica a costo zero

Come già accennato, è necessaria una tensione superiore alla tensione di ingresso per pilotare un N-FET sulla linea di ingresso. È possibile generare questa tensione con una pompa di carica aggiuntiva, ma nella maggior parte dei sistemi non è necessario se esiste qualche tipo di alimentatore in modalità commutata. La Fig.1 – Diodo. mostra un convertitore buck sincrono LMS36355-Q1 con uscita fissa a 5,0 V, che viene spesso utilizzato in una struttura di potenza per autoveicoli. Questo dispositivo è in genere collegato in modo permanente alla batteria e alimenta alcuni carichi che devono essere sempre accesi. In condizioni di basso carico, il dispositivo funziona in modalità di modulazione della frequenza degli impulsi (PFM), il che significa che il dispositivo riduce la frequenza di commutazione per ridurre le perdite. La frequenza di commutazione aumenta linearmente con la corrente di carico, fino al raggiungimento della frequenza nominale. Il nodo di commutazione del convertitore buck viene utilizzato per pilotare un circuito duplicatore di tensione multistadio che viene tracciato sopra il convertitore U5. La tensione di uscita +5 V del convertitore buck viene aumentata a 20 V, ossia superiore alla tensione di ingresso nominale di +12 V in questo esempio. Con una tensione gate-source di 8 V, il FET è pienamente operativo e causa solo perdite trascurabili. Il circuito attorno al FET con un diodo Zener, un resistore e un condensatore è identico alle altre soluzioni.

Fig.5 - Pompa di carico

Se il convertitore funziona in modalità PFM, con conseguente bassa frequenza di commutazione, è possibile che l'uscita del duplicatore di tensione non sia più sufficiente per pilotare il FET. Tuttavia, a causa del basso carico e della corrente di ingresso in modalità PFM, non si tratta di una situazione critica. In questo caso, la corrente scorre attraverso il body diode e le perdite sono trascurabili. Il grande vantaggio di questa soluzione è che un conveniente N-FET può essere utilizzato senza la necessità di un dispositivo aggiuntivo. Se esiste la possibilità che durante il normale funzionamento sia presente un'improvvisa tensione negativa sull'ingresso, questa soluzione non è adatta, poiché una corrente inversa può passare attraverso il FET ancora pienamente operativo al primo istante, il che potrebbe danneggiare il dispositivo. Tuttavia, per tutte le altre applicazioni in cui è necessaria solo una “normale” protezione contro l'inversione di polarità, questo approccio offre una soluzione ottima e affidabile.

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