Защита аппаратуры с батарейным питанием от ошибочного подключения напряжения обратной полярности

Цели. В настоящее время широкое применение находит аппаратура с батарейным питанием (беспроводные датчики, кардиостимуляторы, «умные» браслеты, очки виртуальной реальности, беспилотные летающие аппараты, роботы, пирометры, автомобили, DC/DC преобразователи и др.). Для этих устройств принципиально важным вопросом является безопасное подключение первичных источников электропитания и наличие защиты от напряжения обратной полярности. Традиционное решение проблемы «переполюсовки» (подачи на прибор напряжения питания обратной полярности) с использованием диодов Шоттки при резервировании системы или увеличения мощности путем объединения источников питания по схеме ИЛИ вследствие большого падения напряжения приводит к значительным потерям мощности при больших токах, сложной проблеме теплоотвода и увеличению массогабаритных параметров. Это предопределило реализацию эффективных средств защиты аппаратуры с батарейным питанием от ошибочного подключения напряжения обратной полярности.
Методы. Задача решена с использованием схемотехнического моделирования в среде Electronics Workbench.
Результаты. Показано, что минимальный уровень потерь и малое падение напряжения при защите аппаратуры от обратной полярности питающего напряжения обеспечивают схемные решения «идеального диода» на дискретных компонентах и микросхемы типа «интегрального диода» с внешним и внутренним силовым транзистором MOSFET. Схемотехническое моделирование «идеальных диодов» на p- и n-канальных транзисторах, которые отличаются высокими техническими параметрами, позволило уточнить характеристики, потери напряжения и мощности в защищаемых цепях и показать простоту непосредственно самого технического решения. В статье обсуждены вопросы эффективности и современная элементная база устройств защиты.
Выводы. Приведены примеры элементной базы устройств защиты от «переполюсовки» источников питания, варианты защиты аппаратуры от воздействия напряжения обратной полярности, а также схемотехнические решения на дискретных и интегральных компонентах. Моделирование передаточных характеристик устройств защиты показало ограничение на минимальную величину входных напряжений около 4 В, обусловленную используемым MOSFET транзистором.

1. Guy J. Схема защиты от переполюсовки с автоматическим исправлением полярности. РадиоЛоцман. 2021;(7–8):120–121. URL: https://www.rlocman.ru/shem/schematics.html?di=643745

2. Чоудхари В. Решения устойчивого к переходным процессам первичного DC/DC-преобразователя системы питания автомобильной электроники. Силовая электроника. 2017;3(66):30–34. URL: https://power-e.ru/wp-content/uploads/6630.pdf

3. Казанцев Д.П., Щербак В.Ф., Закамалдин Д.А., Казанцев Ю.Е., Пронин А.В., Молодых С.В. Электрокардиостимулятор: пат. 2531695 РФ. Заявка № 2012156979/14; заявл. 24.12.2012, опубл. 27.10.2014. Бюл. № 30.

4. Гарелина С.А., Латышенко К.П., Фрунзе А.В., Горбунов Р.А. Практическая реализация пирометров для измерения температуры пламени и объектов сквозь пламя. Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. 2020;2(45):110–115.

5. Бабенко В.П., Битюков В.К., Симачков Д.С. Понижающеповышающий DC/DC преобразователь с единственной индуктивностью. Микроэлектроника. 2022;51(1): 60–70. https://doi.org/10.31857/S0544126921060041

6. Oleynik V. Схема коррекции полярности защищает устройства с батарейным питанием. РадиоЛоцман. 2021;(7–8):122–124. URL: https://www.rlocman.ru/shem/schematics.html?di=643793

7. Бабенко В.П., Битюков В.К. Имитационное моделирование процессов переключения силовых полевых транзисторов в программе Electronics Workbench. Радиотехника и электроника. 2019;64(2):199–205. https://doi.org/10.1134/S0033849419020025

8. Бабенко В.П., Битюков В.К., Кузнецов В.В., Симачков Д.С. Моделирование статических и динамических потерь в MOSFET-ключах. Российский технологический журнал. 2018;6(1):20–39. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2018-6-1-20-39

9. Бабенко В.П., Битюков В.К., Симачков Д.С. Силовой MOSFET-ключ переменного тока. В сб.: Актуальные проблемы и перспективы развития радиотехнических и инфокоммуникационных систем» «Радиоинфоком-2021»: Сборник научных статей V Международной научно-практической конференции. М.: РТУ МИРЭА; 2021. С. 305–308.

10. Битюков В.К., Симачков Д.С., Бабенко В.П. Источники вторичного электропитания. М.: Инфра-Инженерия; 2020. 376 с.

11. Бабенко В.П., Битюков В.К. Нитрид-галлиевые транзисторы в силовых цепях постоянного и переменного тока. В сб.: Перспективные технологии в средствах передачи информации ПТСПИ – 2021: Материалы XIV Международной научно-технической конференции. Владимир: ВлГУ; 2021. С. 54–59.

12. Walker J. MOSFET в низковольтных схемах защиты от обратного напряжения. РадиоЛоцман. 2019;2: 58–59. URL: https://www.rlocman.ru/shem/schematics.html?di=588375