Versorgungseinschaltspannungsspitzen – Best Practices für den Schutz

Das Problem

Ich hatte kürzlich eine Situation, in der eine Platine einen destruktiven Ausfall durch Einschalten einer 53-V-Batterie hatte, die aufgrund des verursachten Schadens eine Spannungsspitze von mindestens über 80 V, höchstwahrscheinlich weit über 100 V hatte. Ich hatte daran gedacht und versucht, die Schaltung davor zu schützen, und eine 48-V-Nenn-TVS-Diode in einem Teil der Eingangsschaltung platziert, aber offensichtlich an der falschen Stelle.

Hier ist meine Schaltung als Referenz, der Rest der Platine spielt keine Rolle (aber beachten Sie, dass die H-Brücke nach dieser Eingangsschutzschaltung mehrere ausgefallene MOSFETs hatte, nachdem die Vds-Grenze zusammengebrochen war.

Hinweis D19 ist die 48-V-Nenn-TVS-Diode (typische Klemme beginnt bei 56 V, 1 mA fließender Strom). Es gab einen katastrophalen Ausfall der als Q1 gezeigten Eingangsschaltung, und ALLE 3 Keramikkondensatoren mit einer Nennleistung von 0,1 uF und 100 V explodierten zusätzlich zum P-Kanal-Schalter-MOSFET Q1.

Es ist wahrscheinlich, dass die TVS-Diode, die ich zum Schutz dort eingebaut hatte, einfach nicht in der Lage war, auf die Spitze zu reagieren, weil sie sich auf der falschen Seite des Q1-FET befindet. Die Konstruktionsabsicht bestand eher darin, die integrierten H-Brücken-MOSFETs zu schützen und Energie zu absorbieren, die von den Freilaufdioden in den 48-V-Bus geleitet wurde, und sie mit dem nahe gelegenen Kondensator C1 zu teilen.

Meine Frage lautet also: Was ist die Best-Practice-Schutzschaltung für die Situation der Eingangsstecker-Stromversorgungs-Einschaltinduktorspitzen?
In meinem speziellen Fall betragen die Spannungen 40-> 55 V von einem Lithium-Batteriepack mit einem mechanischen Ein- / Aus-Trennschalter und einigen nicht idealen Kabeln / Drähten, mit denen alles angeschlossen wird. Der Strom für dieses Board wird voraussichtlich < 10 A Dauerstrom mit 30 A Spitzen sein.

Der Drahtinduktivitätsrechner gibt mir Werte um die 6 uH Induktivität für ein 2 m langes Kabel (~ 3 uH pro Weg in der Schleife), aber ich bin mir nicht sicher, wie ich das Spannungsspitzenpotential schätzen / berechnen soll, das entsteht, wenn es plötzlich von 0 V auf 53 V geht.

Schutzmethode 1:

Erhöhen Sie die Bulk-Eingangskapazität - Drahtinduktivität und -widerstand in Kombination mit einem großen Kondensator (mit niedrigem ESR) reduzieren / vermeiden Spannungsspitzen, da der Kondensator während der Spitze selbst mit einer niedrigeren Impedanz auf die plötzliche Spannungsänderung reagiert und die Energie aufnimmt.

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Schutzmethode 2:

Platzierung einer Transient Voltage Suppressor (TVS)-Diode (oder eines Varistors!) direkt am Eingangsanschluss und ausgelegt für die maximale Klemmspannung, die zum Schutz nachgeschalteter Komponenten erforderlich ist. Hier besteht das Risiko, dass das TVS einen anhaltenden Überspannungszustand aufweist, sodass Sicherungen oder Opfer-Eingangswiderstände mit niedrigerer Nennleistung verwendet werden könnten, um katastrophale Schäden zu begrenzen.

Ich habe einen nützlichen beabstandeten Eingangsanschluss, der es mir ermöglichte, dem Endbenutzer vorzuschlagen, dass er eine Ersatz-TVS-Diode SM6T56A (wie D19 im obigen Schema) über die Anschlussstifte auf der Rückseite der Platine lötet, was hoffentlich funktioniert zur Zeit!

Welche anderen Schutztechniken gibt es? Irgendwelche guten Tipps zu dieser Art von Schutzschaltung? Was ist eine gute typische Eingangskapazität, um Spannungsspitzen zu vermeiden?

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