Proteggere l’alimentazione in aviazione e difesa

AEREOSPAZIO & DIFESA –

L’uso di circuiti di protezione resistenti nelle Lru è fondamentale per soddisfare i requisiti di affidabilità dei dispositivi destinati al settore militare e aeronautico.

Le Lru (Line Replaceable Units) sono sottosistemi modulari che condividono interfacce fisiche ed elettriche standard. Sono molto utilizzate nell'aviazione militare e civile, settori in cui le operazioni di manutenzione in luoghi remoti possono essere semplificate con un semplice scambio di unità. Ogni Lru deve essere progettata per soddisfare specifiche e standard rigorosi e garantire compatibilità e affidabilità di funzionamento in ambienti difficili. Questo articolo si occupa dell'interfaccia di alimentazione delle Lru, in particolare dei requisiti relativi alla protezione di convertitori Dc/Dc e regolatori lineari a valle da problemi di alimentazione sotto forma di picchi (spike, surge) e ondulazioni di tensione.

Spike, surge e ondulazione
Le definizioni di spike e surge variano leggermente da uno standard all'altro. Ogni Paese ha sviluppato per il settore militare dei propri standard nazionali, mentre i costruttori di aerei fanno riferimento alle loro specifiche e la Rtca (Radio Technical Commission for Aeronautics) elabora norme internazionali per collegare i due mondi. Lo spazio disponibile consente solo di fornire un riepilogo dei requisiti: ogni specifica contiene dettagliati diagrammi di inviluppo delle prestazioni e condizioni di prova. La specifica del ripple per la modalità solo generatore Mil-Std-1275D viene indicata come esempio di caso peggiore, le condizioni di normale funzionamento sono specificate a ±2V da condizioni di regime permanente. Esistono molte altre specifiche nazionali come la Defstan 61-5 (parte 6) del Regno Unito per i veicoli militari che prevede praticamente gli stessi requisiti della Mil-Std-1275D, ma per sistemi a 12V e 24V. Il sistema deve essere progettato per riuscire a superare le condizioni più sfavorevoli specificate, ma di solito l'obiettivo è sviluppare un circuito che continui a operare nelle escursioni specificate finché raggiunge un punto di spegnimento di sicurezza predeterminato. In alcuni casi non è possibile rispettare completamente la specifiche con le dimensioni dell'unità Lru consentite a causa delle dimensioni fisiche dei componenti di soppressione necessari, per cui il cliente e il fornitore devono concordare alcune modifiche da apportare alle specifiche. Questa diversità rende difficile sviluppare una soluzione unica che risponda a tutte le esigenze, inoltre esistono molte variazioni dei requisiti standard tra un progetto e l'altro, per cui gli aggiustamenti ai requisiti di conformità riflettono le condizioni operative per le Lru in corso di sviluppo. Pertanto i progettisti tendono a procedere esaminando caso per caso.

Sfide impegnative
Gli spike di tensione tendono ad essere caratterizzati come diverse centinaia di volt per decine di microsecondi, derivanti da fulminazioni o accoppiamento induttivo di variazioni di carico. Le attuali soluzioni, che utilizzano un soppressore dei transitori di tensione nel connettore della Lru, insieme a un filtro a pi greco e a una disposizione con rondella di ferrite, sono efficaci e occupano poco spazio. Un altro aspetto molto interessante prevede di evitare la diffusione di picchi di tensione tipicamente inferiori a 100 V per periodi di decine o centinaia di millisecondi derivanti da load dump. Questo si verifica quando il disinnesto di un circuito di carica provoca un aumento di tensione breve e rapido nell'alternatore e in altri carichi che condividono lo stesso alimentatore. Una soluzione consiste nell'usare una rete passiva che comprende un induttore addizionale e un condensatore di bypass elettrolitico ad alto valore, unitamente a un soppressore dei transitori di tensione e un fusibile. Alcune soluzioni sono un po' ingombranti e può comunque verificarsi la trasmissione di tensioni più elevate, per cui i componenti a valle devono essere più resistenti a tensioni di ingresso maggiori di quanto non sarebbe necessario normalmente. I progettisti del settore hanno sviluppato in modo indipendente soluzioni attive basate su componenti discreti che utilizzano un elemento di commutazione Mosfet, ma solitamente questi richiedono un bench time notevole per ottimizzare il rilevamento, il loop di controllo e i circuiti del pass transistor. Spesso la parte più impegnativa del progetto consiste nell'evitare che l'elemento di commutazione del Mosfet si surriscaldi e di mantenerlo nella sua area operativa sicura. Talvolta serve comunque un fusibile per proteggere il Mosfet da un cortocircuito in uscita. Naturalmente la sostituzione dei fusibili bruciati potrebbe comportare problemi logistici indesiderati per l'aviazione civile oppure potrebbe pregiudicare temporaneamente il funzionamento di importanti dispositivi militari nel corso di importanti operazioni. L'LT4356, un circuito integrato di soppressione delle sovratensioni, è il dispositivo perfetto per risolvere il problema dei picchi di tensione; il suo funzionamento verrà illustrato più avanti. Infine il ripple di tensione sull'alimentatore della Lru in ingresso può presentare altri problemi di progettazione, in particolare la norma Mil-Std-1275D per i veicoli militari nella modalità generatore è piuttosto rigorosa. Vengono adottati molti metodi, ad esempio il circuito di protezione può attraversare il ripple alla fase di regolazione della tensione o dove il ripple è presente ad ampiezze più modeste, attenuandolo nel circuito di protezione stesso. In quest'ultimo caso il circuito di protezione deve essere ottimizzato per resistere alle caratteristiche diverse di grandi picchi di tensione e piccole ampiezze di ripple che variano lentamente.  

Verso le architetture Pol
Le pressioni esercitate su costi, spazio e peso, oltre alla crescente domanda di rail ad alta potenza e bassa tensione per alimentare Fpga e processori complessi, hanno imposto una tendenza verso architetture Pol (Point-of-load). L'uso di regolatori isolati fissi modulari grandi ed esotici con più uscite che alimentano rail di tensione finali a livello di scheda sta cedendo il passo a regolatori di commutazione Pol distribuiti e ad alta efficienza, come la serie µModule di Linear Technology. Questi dispositivi sono normalmente alimentati da un bus intermedio isolato all'interno della Lru che, a sua volta, è alimentato con almeno 28 volt, dal sistema di alimentazione dell'aereo o del veicolo. Un effetto del passaggio verso le architetture Pol è la possibilità di ridistribuire la protezione contro le sovratensioni da una scheda centrale alle singole schede dei circuiti all'interno della Lru. Il carico inferiore consente di realizzare una soluzione piccola ma efficiente che utilizza un circuito integrato dedicato di protezione contro le sovratensioni.

La soluzione LT4356
Il circuito LT4356 protegge i carichi da alte tensioni transitorie e guasti causati da sovracorrente. In condizioni di normale funzionamento, viene attivato un Mosfet a canale N esterno che funge da dispositivo di commutazione. Se la tensione in ingresso supera il punto di regolazione impostato dal partitore resistivo al pin FB, il Mosfet diventa un regolatore lineare che consente al circuito di carico di continuare a funzionare durante l'evento transitorio. Durante un evento di sovracorrente, il loop di limitazione della corrente controlla la tensione sul gate del Mosfet per limitare la tensione di rilevamento nei pin Vcc e SNS a 50mV. Gli eventi di sovratensione e di sovracorrente generano una corrente che carica un condensatore collegato al pin TMR. La corrente di carica è associata al differenziale di tensione in ingresso-uscita, per cui il periodo del timer viene ridotto in funzione della gravità dei guasti, garantendo che il Mosfet rimanga in una fascia di funzionamento sicuro. Quando VTMR raggiunge 1,25 V, il pin fault commuta a livello basso per indicare la presenza di un guasto. Se il guasto persiste, il Mosfet viene spento quando VTMR raggiunge 1,35 V. Il periodo di raffreddamento viene impostato scaricando il pin TMR con una corrente di 2 µA finché raggiunge una soglia di ripartenza 0,5V e il Mosfet viene riattivato. L'LT4356 può operare entro un range di tensioni in ingresso compreso tra 4 e 80 V (100 V massimo assoluto) e può anche essere portato al di sotto del potenziale di terra da 60 V senza subire danni. L'aggiunta di un piccolo soppressore dei transitori di tensione può garantire livelli maggiori di protezione dai picchi di tensione brevi, ove necessario. Esistono tre versioni dell'LT4356; la versione MP (Military Plastic) è garantita e testata per il funzionamento in un range di temperature compreso tra -55 e +125 °C, ed è disponibile in package Msop-10 o SO-16. Tutti i prodotti MP vengono sottoposti a screening, verifica dell'affidabilità e rigorosi controlli in-process. Come gli altri prodotti di Linear Technology, anche la versione MP è offerta con una garanzia illimitata; i prodotti sono disponibili con finiture senza piombo o stagno-piombo.

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