Nel seguente documento si riportano le scelte progettuali per realizzare le protezione da sovracorrente per i Cubesat del progetto HERME

NOGARA, PAOLO

SOTTILE, Giuseppe

OA@INAF - Istituto Nazionale di Astrofisica

157Number2022Publication Year2022-06-07T15:03:36ZAcceptance in OA@INAFRelazione tecnica sul circuito avanzato di protezione dasovracorrente con INA300 eprotezione da Latch-UpTitleNOGARA, PAOLO; SOTTILE, GiuseppeAuthorsIASF PalermoAffiliation of first authorhttp://hdl.handle.net/20.500.12386/32229; https://doi.org/10.20371/INAF/TechRep/157Handle Relazione tecnica sul circuito avanzato di protezione dasovracorrente con INA300 eprotezione da Latch-Up Circuito di protezione da sovracorrente per il progetto Hermes        Paolo Nogara*, Giuseppe Sottile*  *IASF-INAF di Palermo – Palermo (PA) ISTITUTO DI ASTROFISICA SPAZIALE E FISICA COSMICA – PALERMO - Area della Ricerca di Palermo – via Ugo La Malfa, 153 – 90146 Palermo– ITALY  1  Paolo Nogara – Relazione tecnica sul circuito avanzato di protezione da sovracorrente con INA300 e protezione da Latch-Up Sommario Prefazione .......................................................................................................................................................... 2 Capitolo 1 .......................................................................................................................................................... 3 Funzionamento circuito ................................................................................................................................. 3 Capitolo 2 .......................................................................................................................................................... 7 Dimensionamento e scelta dei componenti ................................................................................................... 7 Capitolo 3 ........................................................................................................................................................... 9 Setup per i circuiti test ................................................................................................................................ 9 Capitolo 4 ......................................................................................................................................................... 11 Risultati misure ............................................................................................................................................ 11 Capitolo 5 ......................................................................................................................................................... 14 Conclusioni .................................................................................................................................................. 14 Bibliografia ....................................................................................................................................................... 15      2  Paolo Nogara – Relazione tecnica sul circuito avanzato di protezione da sovracorrente con INA300 e protezione da Latch-Up Prefazione  Con questo documento si vuole dare una descrizione dettagliata delle scelte che sono state effettuate per la realizzazione del circuito per la protezione da sovracorrente delle alimentazioni dei Cubesat del progetto HERMES. In particolare verrà descritto come si si sono ottenuti dei miglioramenti nella rivelazione di una condizione di sovracorrente rispetto al circuito riportato nel report [3]. Inoltre sapendo che l’integrato INA300 non è immune da  Latch-Up si è pensato di modificare il circuito introducendo un secondo INA300 al fine di poter rilevare il Latch-Up tramite il controllo di Rsense. Di seguito verrà descritta  sommariamente la struttura del seguente documento. Nel Capitolo 1 viene descritta la struttura e il funzionamento del circuito nella sua interezza per la rilevazione dell’assorbimento anomalo di corrente nella linea di alimentazione che controlla. Nel Capitolo 2 viene descritto il procedimento generale di dimensionamento dei vari componenti necessari alla realizzazione del circuito per il rilevamento della sovracorrente.  Nel Capitolo 3 si riportano i setup realizzati per testare i circuiti test.  Nel Capitolo 4 si riportano i risultati delle misure effettuate sui circuiti realizzati .  Nel Capitolo 5 si riportano le conclusioni.  Nella Bibliografia si elencano tutti i testi di riferimento utilizzati per la realizzazione del circuito.     3  Paolo Nogara – Relazione tecnica sul circuito avanzato di protezione da sovracorrente con INA300 e protezione da Latch-Up Capitolo 1   Funzionamento circuito   Il circuito esposto in questo capitolo è stato realizzato perché l’integrato INA300, descritto nel report precedente, [3], non è immune da  latch-up. Al fine di realizzare la protezione da latch-up, è stata ideata una configurazione nella quale due INA300 monitorano la tensione Vsense che si ha ai capi del resistore Rsense. Inoltre, entrambi gli INA300  sono alimentati  a valle della Rsense. La Vsense è data da una tensione di modo comune, Vcm, applicata alla serie di Rsense ed Rload.  Affinché questa architettura funzioni correttamente l’INA300 deve  essere  in grado di portare basso il segnale di ALERT prima che la tensione di alimentazione si abbassi divenendo inferiore alla minima tensione di alimentazione consentita dallo stesso INA300[1].  Il circuito è stato dimensionato per rilevare una sovracorrente pari al 150% del valore nominale della corrente, nel nostro caso tale valore corrisponde a 100 mA per non danneggiare il componente LMN200B01 [2]. Il circuito diventa quindi il seguente:  Si è poi fatto in modo che in caso di sovracorrente il controllo su LMN200B01 [2] per disalimentare il carico fosse dovuto ad una rete logica, blocco LOGIC della figura riportata sotto, che tenga conto del rilevamento della sovracorrente dei due INA300, che monitorano la stessa Rsense, che portano bassa la linea di ALERT ed un segnale di controllo, CTRL, che è gestito dal PC/FPGA. La struttura del circuito diventa quindi la seguente:  4  Paolo Nogara – Relazione tecnica sul circuito avanzato di protezione da sovracorrente con INA300 e protezione da Latch-Up  Nell’immagine precedente si può osservare che la sovracorrente è stata simulata effettuando una variazione del carico mettendo due resistori in parallelo, Rload ed  Rload*, mediante la pressione di un pulsante. I valori dei resistori in questo schema non sono gli stessi di quelli scelti per la realizzazione delle board test.  Per le simulazioni del circuito si è avuto qualche problema a causa  delle condizioni di indeterminazione, probabilmente dovuti  ai modelli dei vari componenti. Per ovviare a questo problema e verificare il corretto funzionamento logico dell’intero circuito si sono inseriti gli interruttori ideali. L’introduzione degli interruttori ideali ha risolto le condizioni di indeterminazione in tutte le casistiche simulate con un solo INA300. Quando invece si è simulato il circuito con i due integrati si sono ripresentati i casi di indeterminazione, si è comunque passati alla realizzazione del circuito visto che simulati singolarmente funzionano come desiderato.   Una volta realizzato il circuito prototipo, prima si è verificato il funzionamento facendo in modo che i singoli INA300 fossero alimentati singolarmente a valle della Rsense, poi si è passati alla configurazione con i due INA300 connessi secondo lo schema riportato sopra. Effettuando diverse prove si è visto che per utilizzare questo schema si deve fare in modo che il tempo d’intervento dell’INA300 sia minore del tempo necessario alla Vs di scendere al di sotto di VHL (tensione livello logico alto) [1]. Altrimenti se la tensione scende velocemente lo stesso integrato potrebbe iniziare a lavorare male non garantendo più i tempi d’intervento desiderati o addirittura potrebbe anche spegnersi.   Come anticipato e confermato dalle prove eseguite con l’architettura del doppio INA300, affinché il circuito funzioni correttamente, la tensione di alimentazione dell’INA300 deve essere superiore al valore di tensione di alimentazione minima consentita (Vs ≥2.7 V [1])  5  Paolo Nogara – Relazione tecnica sul circuito avanzato di protezione da sovracorrente con INA300 e protezione da Latch-Up nell’istante in cui venga misurata una Vsense superiore alla Vlimit e il segnale di almeno uno dei due ALERT vada basso.   Come anticipato e confermato dalle prove eseguite con l’architettura del doppio INA300, affinché il circuito funzioni correttamente, il segnale di almeno uno dei due ALERT deve andare basso quando  viene misurata una Vsense superiore alla Vlimit e la tensione di alimentazione dell’INA300 non sia ancora scesa al di sotto della tensione di alimentazione minima consentita (Vs ≥2.7 V [1]).  Per evitare malfunzionamenti relativi all’alimentazione dell’INA300 si è introdotta una rete di protezione costituita da un diodo Schottcky BAT54JFILM [4] e da una capacità tampone. La capacità tampone è stata dimensionata in modo tale da garantire l’alimentazione corretta durante l’intervallo di tempo necessario all’intervento del INA300 in condizioni di overcurrent. Il diodo permette alla capacità tampone di scaricarsi sull’INA300 ed evita che si scarichi sul carico in corto circuito (latch-up). La capacità tampone inserita non deve necessariamente essere di grande valore infatti, considerando i bassi consumi dei due INA300, bastano pochi µF. Nello specifico circuito test si è inserita una capacità di 1 µF. Un’ulteriore modifica consiste nel rimuovere la rete dei due resistori in parallelo e il MOS-N al pin di LIMIT, si  è tolta anche la rete R-C che pilota il gate del MOS. Al loro posto si è inserito un solo resistore al pin LIMIT al fine di generare una sola tensione di soglia, Vlimit. Ciò è stato fatto per far commutare il segnale di ALERT in corrispondenza di un solo valore di corrente associabile ad una condizione di latch-up. Si è fatto in modo che la nuova Vlimit non sia prossima al valore massimo, VlimitMAX =250 mV [1], ma sia un valore più basso e compreso in tale dinamica. Tale modifica ha portato conseguentemente a modificare anche la Rsense in modo da avere una Vsense di valore opportuno al rilevamento della sovracorrente senza causare partizionamenti di tensione rilevanti con il carico. Come detto all’inizio il valore della corrente da rilevare è stato settato al 150% del valore di regime. Come detto nel report [3] per la realizzazione della board il valore della corrente associato ad una condizione di overcurrent è stato vincolato dall’utilizzo dell’integrato LMN200B01 ad un valore di 100mA [2]. La struttura finale del circuito è la seguente:  6  Paolo Nogara – Relazione tecnica sul circuito avanzato di protezione da sovracorrente con INA300 e protezione da Latch-Up  Premesso che la tensione minima di alimentazione dell’INA300 è di 2.7 V [1], per tensioni Vcm superiori a 3.3V + Vɣ l’INA300 è alimentato correttamente. Per Vcm =3.3V nasce il problema della compensazione della Vɣ del diodo, inoltre essendo i due INA300 alimentati a valle della Rsense si deve tenere in conto della caduta di tensione ai suoi capi. Si noti che per fare in modo che l’INA300 lavori con una Vs=3.3V è necessario che la Vcm sia un po’ più alta in modo da compensare la Vɣ del diodo. Ciò implica conseguentemente che sul carico vi sarà una tensione più alta rispetto ai 3.3V desiderati. Il blocco LOGIC riportato nello schema elettrico di figura, deve ancora essere implementato perché fin ora si è controllato LMN200B01 con un solo segnale di ALERT, mentre il secondo segnale di ALERT è stato solo monitorato per vedere se commutava in corrispondenza dell’evento di sovracorrente.    7  Paolo Nogara – Relazione tecnica sul circuito avanzato di protezione da sovracorrente con INA300 e protezione da Latch-Up Capitolo 2   Dimensionamento e scelta dei componenti   Il circuito è stato progettato ipotizzando una condizione di sovracorrente sul carico dovuta ad una corrente pari a IloadMax=100mA che come detto prima è vincolata da una IMax_LMN200B01=200mA [2]. Anche se interessa il funzionamento in modalità LATCH si sono comunque effettuati dei test in modalità TRANSPARENT. Una volta verificato il funzionamento generico e valutati alcuni parametri dell’INA300, come ad esempio il tempo di reazione tp≈1 µs, si è passati alla modalità LATCH. Come anticipato in precedenza non essendo l’INA300 immune dal latch-up, si è pensato di modificare ulteriormente lo schema introducendo un secondo INA300 a monitorare la stessa Rsense, che è di Rsense =332mΩ, e pilotare di conseguenza LMN200B01 con una logica che permette di alimentare il carico se e solo se entrambi i sense current sono sotto soglia. Il nuovo valore della Rsense è stato ottenuto mettendo in parallelo quattro resistori di 1Ω ±1%. Si è cambiata anche la RLIMIT=2160Ω a cui corrisponde una VLIMIT=43.2mV ben distante dai 250mV massimi. Ciò è stato fatto per monitorare un valore di tensione VIN più bassa a parità di corrente a regime rispetto a quanto riportato nel report1. Inoltre diminuendo la Rsense si possono monitorare correnti maggiori restando entro la dinamica dei 250mV. Di seguito si riportano rispettivamente il fronte e il retro della board realizzata:     8  Paolo Nogara – Relazione tecnica sul circuito avanzato di protezione da sovracorrente con INA300 e protezione da Latch-Up Si sono poi effettuati gli stessi test e le stesse misure riportate nel report1 variando la tensione di alimentazione dell’INA300. In un primo momento si sono ripetuti con una tensione di Vs=5 V. Si è visto che non si avevano cambiamenti sul funzionamento dell’intero circuito adattando opportunamente i valori del carico al fine di non danneggiare i vari componenti (es. IMAX < 200mA per LMN200B01  [2]).  I test sono stati effettuati anche al variare della temperatura in un range [-40 ÷ +70] °C in camera termica ESPEC SH-642 [5]. Inoltre si precisa anche che oltre all’oscilloscopio, [6] [9], si sono utilizzati come amperometri e voltmetri i multimetri della Keithley, [7] [8].     9  Paolo Nogara – Relazione tecnica sul circuito avanzato di protezione da sovracorrente con INA300 e protezione da Latch-Up Capitolo 3   Setup per i circuiti test   In questo capitolo si riportano gli schemi a blocchi dei setup implementati al fine di verificare il funzionamento delle varie versioni e per acquisire i segnali d’interesse.    10  Paolo Nogara – Relazione tecnica sul circuito avanzato di protezione da sovracorrente con INA300 e protezione da Latch-Up Si precisa che nello schema a blocchi del setup non sono stati riportati i diodi Schottcky e i condensatori presenti sulla board.   11  Paolo Nogara – Relazione tecnica sul circuito avanzato di protezione da sovracorrente con INA300 e protezione da Latch-Up Capitolo 4   Risultati misure   Questo circuito è stato testato in temperatura in un range [-40 ÷ +70] °C all’interno della camera termica [5]. Le grandezze d’interesse sono state monitorate in modo continuo ma i valori sono stati acquisiti ad intervalli di 10°C. Prima di effettuare le misure sulla board si sono misurati le seguenti grandezze prima e dopo essere state saldate sulla board:  Rload1[Ω] Rload2[Ω] Rload*[Ω] Vɣ  [mV] Prima 82.56 21.5 17.12 247 Dopo 82.54 21.51 17.1 249  Dove con Rload*si è indicato il valore ottenuto dal parrallelo tra Rload1 ed Rload2.  Si precisa che nella seguente tabella si sono riportate:  Vs_INA: indica la tensione che si ha dopo uno dei diodi Schottky e ai capi della condensatore tampone,  Iin: indica la corrente misurata all’ingresso del circuito (fornita da generatore a tutto il circuito),  IINA: indica la corrente a valle di uno dei diodi Schottky (IINA+IRpullUp). T[°C] VALERT[V] Vs_INA[V] Vsense[mV] Vload[V] IIN[mA] Iload[mA] IINA[µA] VGEN[V] Rload[Ω] -40 3.37 3.39 12.27 3.58 43.692 43.573 119    3.642    82.5 -30 3.38 3.40 12.39 3.58 43.685 43.569 116 -20 3.41 3.43 12.51 3.59 43.680 43.565 116 -10 3.43 3.45 12.63 3.59 43.674 43.559 115 0 3.44 3.46 12.75 3.59 43.670 43.552 118 10 3.46 3.48 12.87 3.59 43.666 43.547 119 20 3.47 3.49 12.98 3.59 43.664 43.542 122 30 3.50 3.52 13.10 3.59 43.658 43.538 120 40 3.50 3.52 13.22 3.59 43.655 43.533 122 50 3.52 3.54 13.34 3.59 43.652 43.528 124 60 3.53 3.56 13.46 3.59 43.647 43.524 123 70 3.55 3.58 13.58 3.59 43.644 43.520 124  Va precisato anche che per facilitare le acquisizioni al variare della temperatura e delle tensioni di funzionamento non si è inserito il carico all’interno della camera termica. Ciò è stato fatto al fine di poter sostituire il carico per le varie tensioni Vs di lavoro senza dover aprire la camera.  12  Paolo Nogara – Relazione tecnica sul circuito avanzato di protezione da sovracorrente con INA300 e protezione da Latch-Up Di seguito si riportano i valori della variazione subita dalla Vs_INA di quando si introduce il secondo carico in parallelo:  T  [°C] ΔVs_INA   [mV] -40 100 -30 140 -20 120 -10 120 0 100 10 100 20 140 30 180 40 100 50 120 60 120 70 120  Di seguito invece si riportano gli andamenti della tensione Vs di uno dei due INA300, in blu, e dei due segnali di ALERT, in fucsia e rosso:   13  Paolo Nogara – Relazione tecnica sul circuito avanzato di protezione da sovracorrente con INA300 e protezione da Latch-Up  Effettuando diversi test sulla board si è riscontrato un tempo d’intervento un po’ più lungo rispetto a quanto dichiarato sul datasheet [1]. Di seguito si riporta l’andamento dei tempi d’intervento riscontrati sul verificarsi di 50 eventi di overcurrent rispetto al tempo massimo dichiarato (13.5 µs):      0123456789101112131415161718190 10 20 30 40 50 60Tempo [µs] Numero acquisizione [#n] Tempo di commutazione del segnale di ALERT Tempo massimo dichiaratoTempo massimo misurato 14  Paolo Nogara – Relazione tecnica sul circuito avanzato di protezione da sovracorrente con INA300 e protezione da Latch-Up Capitolo 5   Conclusioni   Con questo circuito si è riusciti a rilevare le condizioni per cui si può garantire il corretto funzionamento e il tempo d’intervento dei vari segnali. Inoltre si è in grado di rilevare condizioni anomale, eventuali corto circuiti  o latch up, che possono interessare la tensione di alimentazione dell’INA300 senza compromettere le prestazioni del circuito. La pecca di questo circuito, come quelli riportati in [report1], è che sì si rileva la sovracorrente ma non si è in grado di quantificarla in modo diretto. Questo potrebbe essere utile per il PC/FPGA a valutare il corretto funzionamento del carico senza bisogno che si verifichi necessariamente una sovracorrente.     15  Paolo Nogara – Relazione tecnica sul circuito avanzato di protezione da sovracorrente con INA300 e protezione da Latch-Up Bibliografia   [1] http://www.ti.com/lit/ds/sbos613b/sbos613b.pdf [2] https://www.diodes.com/assets/Datasheets/ds30651.pdf [3] Rapporto Laboratorio di Elettronica IASF-PA n. 1/2019  [4] https://www.st.com/resource/en/datasheet/cd00001322.pdf [5] https://espec.com/images/uploads/files/t_su-sh_benchtop.pdf [6] http://cdn.teledynelecroy.com/files/pdf/wavemaster-8zi-b-datasheet.pdf [7] https://www.tek.com/tektronix-and-keithley-digital-multimeter/dmm7510  [8] https://www.tek.com/tektronix-and-keithley-digital-multimeter/keithley-2000-series-6%C2%BD-digit-multimeter-scanning [9] http://www.farnell.com/datasheets/866462.pdf?_ga=2.158342010.1718724779.1556889712-1209876666.1499853774 

Relazione tecnica sul circuito avanzato di protezione dasovracorrente con INA300 eprotezione da Latch-Up

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