Практически во всех электронных устройствах, в том числе автомобильных, приходится управлять подачей энергии и защищать источники от различных внутренних и внешних проблем питания. Проблема усложняется когда есть несколько шин питания, особенно в небольших устройствах с низким энергопотреблением и питанием от батареи.
Контроль энергии, подаваемой в цепи по шинам питания, начинается со схемы управления энергопотреблением (PMIC), которая включает и выключает подачу напряжения на отдельные потребители. PMIC также отвечает за последовательность напряжения и обработку нескольких шин. Системный аспект этой задачи выполняется электронным переключателем, то есть коммутационной схемой на основе полевого МОП-транзистора, состояние которой можно изменить с целью разрешить протекание тока или заблокировать его в цепи.
В дополнение к основным функциям, таким как ограничение максимального пускового тока и защита от перегрева, все чаще требуется чтобы такие выключатели имели дополнительные – управляемое отключение, быстрый разряд выходной емкости и блокировка обратного тока. Такие свойства трудно реализовать с помощью обычных дискретных радиокомпонентов.
Микросхемы, интегрированные с переключающим элементом, обеспечивают множество функций управления и контроля при одновременно низкой стоимости и занимаемом месте на плате по сравнению с реализацией с использованием дискретных элементов. Они позволяют удовлетворить многие требования к конструкции мобильных устройств или устройств с батареечным питанием.
Далее мы рассмотрим свойства современных силовых выключателей, их основные и дополнительные функции, которые делают их чем-то большим, чем просто коммутирующие элементы с электронным управлением. Будут изучены несколько новых чипов, а также их применение в конкретных приборах.
Электронные выключатели питания
Базовая компоновка выключателя питания содержит только 4 контакта: вход, выход, включение и земля. Логический управляющий сигнал ВКЛ/ВЫКЛ (активный высокий или низкий уровень, в зависимости от версии) включает полевой транзистор или блокирует его. Это позволяет току течь от входа, подключенного к V IN , к выходу V OUT и питать нагрузку.
На практике силовой ключ это больше, чем просто полевой транзистор с логикой, управляющей его активацией. Он также включает в себя драйвер для этого транзистора, переключатель уровня управляющего напряжения и некоторые дополнительные функции защиты (защита от перегрузки по току и блокировка обратного напряжения). Он также может регулировать скорость нарастания напряжения после включения питания и обеспечивает защиту от перегрева.
В простейших решениях модуль монтируется между блоком питания и основной шиной питания в устройстве либо автомобиле, чтобы при необходимости можно было включить питание через PMIC или перевести схему в спящий режим для экономии энергии.
Параметры переключателя питания
Силовые ключи имеют несколько параметров, наиболее важными из которых являются максимальное входное напряжение и выходной ток, а также сопротивление в открытом состоянии. Другие моменты, которые также могут иметь решающее значение, включают:
- ток покоя (IQ) – необходим для питания схемы переключателя, потребляемой при нулевом выходном токе,
- ток потребляемый в выключенном состоянии (режим ожидания, ISD), потребляемый от клеммы V IN, когда переключатель выключен (заблокирован),
- ток утечки на входе управления (ION), протекающий на клемму управления во время выключения.
Низкие токи покоя и блокировки важны в устройствах с батареечным питанием, таких как носимая электроника, смартфоны и приложения IoT, поскольку они влияют на срок службы батареи и время работы.
Защита от большого тока
Функция защиты от перегрузки по току, обеспечиваемая выключателем, используется не только для защиты от таких неисправностей как временное или постоянное короткое замыкание на выходе.
Это также полезно если надо смягчить последствия мгновенного падения выходного напряжения, которое возникает когда одна шина питает несколько нагрузок и одна нагрузка включается быстрее других. Внезапное увеличение потребляемого тока вызывает временное падение напряжения ниже номинального значения и лишь через некоторое время возвращается к исходному состоянию.
Это кратковременное падение может привести к тому что вторая нагрузка не запустится или будет вести себя неустойчиво, так как в момент запуска падение напряжения нарушит ее работу. По этим причинам полезна функция ограничения тока силового ключа, поскольку она уменьшает падение выходного напряжения, вызванное повышенным потреблением тока первой нагрузкой.
Во многих случаях также необходимо быть уверенным в том, что нагрузки, подключенные к выходу, получают напряжение в определенном порядке и с фиксированным временем между включением каждой из них. В этих случаях PMIC используется для управления несколькими переключателями питания. PMIC здесь управляет последовательностью и временными интервалами.
Блокировка обратного тока
Блокировка обратного тока силового ключа предотвращает протекание тока в другом направлении, то есть с выхода на вход, когда напряжение на стороне выхода становится выше, чем на стороне входа. Это может произойти если входное напряжение ошибочно перевернуто, например батарея случайно подключена наоборот.
Вторая ситуация менее очевидна. Допустим 2 источника питания с разными напряжениями мультиплексированы (коммутированы) на нагрузку. Напряжение на общей выходной стороне может стать больше, чем напряжение на входной стороне источника питания с более низким номинальным напряжением. В этом сценарии ток может течь со стороны более высокого напряжения на сторону более низкого, повреждая источник питания с более низким напряжением.
Есть 3 способа борьбы с обратным током:
- проще всего поставить диод последовательно с выходом. Но падение напряжения на этом элементе (около 0,7 В для стандартного диода) снижает выходное напряжение и вызывает потери мощности.
- второй способ заключается в использовании полевого МОП-транзистора последовательно с шиной питания, но его сопротивление в открытом состоянии (RON) также приводит к необходимости учитывать падение напряжения и потери мощности.
- третий вариант заключается в использовании выключателя питания с блокировкой обратного тока, который обеспечивает блокировку практически без компромиссов.
Функция разрядки выходной цепи
Функция автоматического разряда закрывает выход (V OUT и GND), когда переключатель выключен. У быстрой разрядки выходных мощностей есть много преимуществ: выход не остается плавающим – он всегда имеет известный потенциал. Также выходные цепи всегда полностью отключены.
Правда бывают ситуации когда быстро разряжать выходные цепи нежелательно, например если:
- выход переключателя подключен к аккумулятору, разрядка выхода может привести к его разрядке,
- когда два силовых ключа используются в качестве мультиплексора мощности с двумя входами и одним выходом (где выходы соединены друг с другом), быстрая разрядка выхода приведет к потере мощности.
Следовательно в конфигурации мультиплексора источника питания необходимо выбрать переключатель питания который не имеет функции разрядки выхода. Для такой схемы требуется переключатель с функцией с «истинной» блокировкой обратного тока. Он предотвращает протекание обратного тока независимо от состояния линии управления.
Этот переключатель сравнивает входное напряжение V IN с выходным напряжением V OUT и включает схему защиты от обратного потока, которая активируется, когда V OUT > V IN.
Готовые модели переключателей
Имеющиеся в продаже силовые выключатели можно рассмотреть на примере семейства коммутаторов Toshiba TCK-126BG, TCK127BG и TCK128BG.
Эти микросхемы работают при входном напряжении от 1,0 до 5,5 В и нагрузочной способности до 1 А. Они потребляют очень низкий ток покоя IQ, который доходит до всего 1 нА. Кроме того, ток в режиме ожидания составляет 13 нА. Типичные значения сопротивления в открытом состоянии составляют 46 мОм при 5 В, 58 мОм при 3,3 В, 106 мОм при 1,8 В и 210 мОм при 1,2 В.
Небольшие их размеры экономят место на плате, что очень важно для сверхкомпактных устройств носимой электроники.
Рассматриваемые ключи имеют встроенную схему управления скоростью нарастания выходного напряжения с фиксированным временем нарастания 363 мкс при напряжении 3,3 В. Различия между версиями касаются наличия или отсутствия функции быстрого разряда на выходе и активного состояния Контакт ВКЛ/ВЫКЛ.
В общем выключатели питания имеют решающее значение для обеспечения более низкого энергопотребления, компактных размеров и снижения затрат на внедрение небольших устройств с батареечным питанием. а силовые ключи серии TCK12xBG характеризуются особо малым током покоя и высокой функциональностью в небольшом корпусе, что позволяет им соответствовать всем требованиям разработчика.
