“Убогие размышления недостойного про звуки мерзкие и пронзительные, низшими демонами издаваемые, а также…”

Испытывали мы недавно одно изделие на электромагнитную совместимость (ЭМС) и в процессе должны были проверить уровень кондуктивных помех. Собрали проверочный стенд в полном соответствии с методикой ГОСТ, (да, у нас есть железный лист два на метр, пробники и даже фирменный LISN), выставили на источнике максимальное рабочее напряжение (36В), подсоединили исследуемое устройство, включили его и провели измерения, все нормально. Далее выставляем на источнике минимальное рабочее напряжение (18В), повторяем процесс и …, устройство включилось (загорелся светодиод питания), через некоторое время выключилось и больше уже не включалось. Ладно, разбираем устройство и диагностируем проблему — вышел из строя проходной транзистор в схеме защиты от переполюсовки, она же схема контроля включения. Странно как-то, изделие ранее не отличалось подобным поведением, но все случается когда-то в первый раз, меняем транзистор, убеждаемся в работе устройства на проверочном стенде, повторяем подготовку к испытаниям, снова включаем … и картина повторяется — транзистор теряет волшебный дым.

Кому интересно, в чем было дело, нажмите кнопку.

Транзистор можно убить либо высоким током, либо большим напряжением, начнем копать в эту сторону. Проблема явно в измерительном стенде, для начала измеряем напряжение на входе устройства (13В) и узнаем, что оно существенно меньше, чем на выходе источника (18В). Где разница — выпала на LISN (имитаторе сети).
Примечание на полях (Пнп): вообще то, название откровенно неудачное. Данное устройство предназначено для развязки по высокочастотной помехе источника питания от точек измерения, чтобы мы могли измерить уровень помех на входе исследуемого устройства вне зависимости от источника. Кроме того, еще нормировать измерительный сигнал по выходному сопротивлению, так что где место для имитации сети, я не очень понимаю. Хотя, возможно, имеется в виду бесконечно плохая сеть, имеющая никакое подавление по высоким частотам.

Согласно схеме, мы имеем в LISN две очень большие по габаритам проходные индуктивности (их легко разглядеть через вентиляционные отверстия в корпусе), на которых падает напряжение, пропорциональное протекающему току. Измеряем сопротивление каждой из них, видим 1.2 Ом, тогда при токе 1.8А на источнике (кстати, а почему, ведь должен быть ток 1.6А - а, понятно, напряжение то упало, а мы потребляем константную мощность) падение на индуктивностях составит 2*1.2*1.8=4.3В и это соответствует разнице напряжений на входе и на выходе. Слегка удивляюсь, раньше неоднократно испытывал свои устройства по кондуктивке и никогда такого не замечал. Хотя эти устройства питались от 60В (54В-72В), так что 4В просто были не столь заметны, как при 18В.

Открываю документацию на LISN и обнаруживаю, что так и должно быть — сопротивление индуктивностей не более 5 Ом, все в норме, то есть при токах потребления в амперы вносятся существенные изменения в питание исследуемой схемы. Ладно, будем добавлять напряжение на источнике, чтобы скомпенсировать данное падение. Но почему транзисторы выходят из строя — раз напряжение ниже, то ток, конечно, выше, но не настолько же, чтобы убить транзисторы с допустимым током 15А.

Обращаем особое внимание на наличие индуктивностей в тракте питания и вспоминаем о возможности выбросов напряжения при отключении нагрузки, так называемый «экстра-ток размыкания». Возникает гипотеза — тестируемое устройство резко отключается, при этом возникает всплеск напряжения на дросселях и, соответственно, на входе тестируемого устройства (DUT), который и выводит из строя входной транзистор устройства. Почему устройство может выключаться — в процессе загрузки ток потребления меняется (возрастает), падение напряжения на дросселях меняется (возрастает) и входное напряжение на устройстве меняется (падает) до минимального рабочего значения (12В, между прочим), что приводит к отключению источника питания устройства по недо-напряжению. Вроде все логично, проверяем гипотезу, для чего поднимаем напряжение на источнике до 22В (22-4=18) и проводим испытания — все нормально, повреждений устройства не наблюдается.

Хорошо, а какие в принципе возможны амплитуды выбросов при заданных параметрах — для начала оценим масштаб возможного бедствия. Имеем быстрое прекращение тока I, протекающего через дроссель L, тогда будем наблюдать выброс напряжения U со средним значением U=L*dI/dt=L*(I-0)/t. Если I~3А, L=2*50=100мкГн, t~10мкс, то U=3*100Е-6/10Е-6=30В. Но это среднее значение, пик в случае экспоненты (а ничего другого мы не ожидаем) будет раза в 3 выше, то есть около 90В, тогда входное будет 18-4+90=104В, что уже хватит для повреждения транзистора.

Конечно, транзисторы больше сжигать не будем, соберем схему с резистором в цепи нагрузки, который и будем разрывать, контролируя напряжение на входе резистора. Бинго — мы наблюдаем выброс амплитудой до 200+В, в хорошем соответствии с расчетами. Пнп: Вы спросите, а как же отклонения в 2 раза, а я отвечу, что процесс размыкания наверняка стал быстрее, поскольку схема ненастоящая.

Общая картина ясна, «кто виноват» - ясно, теория подтверждена экспериментами, осталось ответить на второй извечный вопрос - «что делать». В общем-то, правильный ответ мы уже нашли — увеличить напряжение на выходе источника, чтобы скомпенсировать падение на индуктивностях, отодвинуть напряжение от предела срабатывания, и тем самым не спровоцировать процесс выключения. Но это решение требует предварительных знаний о токах потребления изделия и параметрах индуктивностей. Более правильно замкнуть обратные связи источника питания на выход LISN и, соответственно на вход тестируемого устройства, чтобы скомпенсировать неизвестное заранее падение в динамическом режиме.
Пнп: учтите, что при этом у нас возникнет задержка в цепи стабилизации напряжения, что чревато разнообразными (и не всегда приятными) последствиями. Но этот способ нас не гарантирует от выброса при случайном отключении или при плановом выключении устройства при наличии индуктивностей в цепи питания, тут нужно другое решение.

Принцип первого решения очевиден — увеличить время спада тока t путем снабжения входа значительной емкостью, но это повлечет за собой увеличения зарядного тока и потребует дополнительных мер для его ограничения.

Поэтому пойдем другим путем — просто ограничим возможный всплеск напряжения на входе путем введения ограничивающего элемента — варистора либо мощного стабилитрона. Устанавливаем варистор на 40В, убеждаемся, что значение перенапряжения зафиксировалось на уровне 50В при отключении резистора и считаем проблему решенной. У этого решение есть, конечно, недостаток (не бывает решений без недостатков) — если в цепь питания включить очень большой дроссель, то данный конкретный элемент защиты может и не справиться, но защиты от всего на свете не бывает и в данном конкретном случае при заданных параметрах индуктивностей оно эффективно.
Пнп: внимательный читатель спросит – а почему защита не была сделана изначально. Поскольку устройство предполагалось к питанию от аккумулятора (не автомобильного, а собственного), выбросы не ожидались и на защите сэкономили (совершенно необоснованно, как выяснилось).

Надеюсь, что изложенная история поможет вам избежать подобных ситуаций и сберечь некоторое количество транзисторов.