Power-Tipp Was tun, wenn Überspannungen länger andauern?

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Ein Überspannungsschutz kann nicht nur linear aufgebaut werden, sondern auch mit einem speziellen getakteten Schaltregler. In diesem Power-Tipp erkläre ich, wie das funktioniert.

Zuverlässige Industrieelektronik hat häufig eine Schutzschaltung, um auftretende Überspannungen auf der Versorgungsleitung abzufangen und die Elektronik vor Beschädigung zu schützen. Überspannungen entstehen, wenn schnelle Lastveränderungen auf einer Versorgungsleitung auftreten und durch parasitäre Leitungsinduktivität hohe Spannungsspitzen entstehen.

Dies lässt sich mit einer Eingangsschutzbeschaltung, beispielsweise mit dem LTC4380 (Bild 1), vermeiden. Der Leistungsschalter M1 befindet sich im Leitungspfad. Tritt eine Überspannung an U_in auf, wird der Schalter M1 im linearen Bereich betrieben. Das bedeutet, dass M1 im ohmschen Bereich einen Widerstandswert annimmt, U_out durch den Spannungsabfall im MOSFET des Schalters M1 so eingestellt wird, dass die Ausgangsspannung nicht auf einen zu hohen Wert ansteigt und die Elektronik geschützt wird.

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Das funktioniert bis zu einer maximalen Zeitdauer sehr gut, die durch die zulässige Safe Opperating Area (SOA) des Schalters M1 bestimmt wird. Ist der Spannungsabfall über dem Leistungsmosfet im linearen (also im ohmschen) Bereich hoch und die Zeitdauer zu lang, heizt sich der MOSFET über die zulässige Maximaltemperatur auf und wird zerstört.

Deswegen haben Integrierte Schaltungen zum Schutz vor Überspannungen einen eingebauten Timer. Mit diesem wird festgelegt, wie lange der MOSFET in einem Überspannungsfall im linearen Bereich betrieben wird. Diese Zeitdauer liegt üblicherweise im Rahmen von Milli- oder Mikrosekunden. Ist die eingestellte Zeit abgelaufen, wird der Schalter M1 komplett abgeschaltet. Dadurch wird er geschützt, allerdings wird auch die Spannungsversorgung des Systems abgeschaltet.

Soll eine Schaltung zuverlässig arbeiten, also die Versorgungsspannung nicht unterbrochen werden, muss eine Lösung ausgewählt werden, die eine Überspannung auch über längere Zeiträume toleriert. Dadurch können auch andere Fehlerszenarien, z.B. eine fehlerhaft angeschlossene Versorgungsleitung, die zu einer Überspannung führt, akzeptiert werden. Eine solche Lösung ist mit einem getakteten Surge Protector, wie in Bild 2 gezeigt, möglich.

In der Schaltung in Bild 2 ist zu erkennen, dass zusätzlich zum Überspannungsschutz-IC auch noch eine Induktivität und eine externe Schottky Diode eingesetzt wird. Im Prinzip wird ein abwärtswandelnder Schaltreger (Buck-Topologie) als Schutzbeschaltung betrieben. Dieser Schaltregler fängt jedoch erst zuarbeiten an, wenn die Eingangsspannung einen eingestellten Maximalwert überschreitet. Der Betrieb in diesem Zeitraum muss üblicherweise nicht besonders leistungseffizient sein. Somit kann eine einfache Schottky Diode als Freilaufdiode eingesetzt werden.

Bild 3 zeigt den Verlauf der Eingangsspannung in blau. Die normale Eingangsspannung liegt bei 16 V. Bei ca. 2 ms tritt eine Überspannung bis 40 V auf. Der Verlauf der Ausgangsspannung ist in rot dargestellt. Während der Überspannung auf U_in wird der getaktete Schaltregler aktiviert, um die Ausgangsspannung auf 16 V zu regulieren. Die Schaltknotenspannung (Knoten zwischen MOSFET, Schottky Diode und Induktivität) ist in grün dargestellt.

Fazit: Ein Überspannungsschutz kann also nicht nur linear, wie in Bild 1 gezeigt, aufgebaut werden, sondern auch mit einem speziellen getakteten Schaltregler wie dem LTC7860 aus Bild 2. Ein einfacher getakteter abwärtswandelnder Schaltregler eignet sich nicht für eine derartige Anwendung, da sich hier der N-Kanal-MOSFET nicht kontinuierlich einschalten lässt. Auch fehlt bei einfachen Buck-Reglern die Möglichkeit, eine Überspannung zu detektieren und darauf zu reagieren.

Bei Überspannungsschutzschaltungen gibt es neben den linearen Surge-Protectoren auch getaktete Surge-Protector-ICs. Diese erlauben einen dauerhaften Betrieb der Schaltung und deren Schutz, auch wenn Überspannungen länger andauern. (kr)

* Frederik Dostal ist Field Application Engineer für Power Management bei Analog Devices in München.

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