Основы проектирования с помощью силовых ключей MOSFET


PDF версия

Многим разработчикам, особенно не специалистам в области управления электропитанием, использование силовых ключей может показаться сложной задачей. Однако в таких приложениях как портативные электронные приборы, потребительская электроника, промышленные или телекоммуникационные системы все чаще используются силовые ключи. В статье описываются важные характеристики силовых ключей и концепции их применения, а также возможные оптимальные решения.

Первый вопрос, который следует задать перед выбором силового ключа, очевиден: «Каково назначение ключа?». К основным функциям силовых ключей относятся следующие:

– управление, распределение и установление последовательности включения/выключения шин электропитания для его распределения между нагрузками;

– защита от цепей короткого замыкания или от перегрузки по току либо напряжения (ограничение тока USB, защита датчиков или шины питания от КЗ);

– управление пусковым током;

– выбор источников тока или распределение нагрузки.

В таблице 1 показано, какие функции силового ключа требуются в каждом конкретном применении.

Таблица 1. Функции силового ключа в зависимости от приложения

Управление, распределение и установление последовательности

Защита от короткого
замыкания

Управление пусковым током

Переключение мощности (ORing)

Сопр. проходн. FET-транз. в откр. состоянии

Упр. скоростью
нарастания вых. напр.

Защита от перегр. по току

ο

ο

Защита от перегр. по напряжению

ο

ο

Защита от обр. тока

ο

Рассеяние мощности

Габариты системы

ο

ο

ο

Диапазон вх. напряжения

Макс. большой непрерывный ток

Тепловая защита

ο

ο

ο

Управление логикой, совместимость с выводами GPIO

ο

ο

∆: важная характеристика или функция.

ο: необязательная характеристика или функция.

Сопротивление в открытом состоянии, максимальные токи и диапазон входного напряжения

Сопротивление в открытом состоянии (rON), максимальный непрерывный ток и диапазон входного напряжения являются основными расчетными параметрами. Прежде чем приступить к разработке какого-либо устройства, следует установить базовые параметры системы. В зависимости от приложения, у разработчика имеется возможность определить протекающий через ключ ток и величину напряжения. Если напряжение на ключе составляет 1,2 или 36 В, устанавливаются два различных рабочих диапазона.

Сопротивление rON определяет падение напряжения на ключе. Разработчики должны учесть в конкретном приложении максимально допустимое значение напряжения, которое определяется следующим образом:

 

,

где: VDROP — падение напряжения на ключе; rON — сопротивление проходного FET-транзистора в открытом состоянии, а I — протекающий по ключу ток. Если в приложении требуется большой ток переключения или переключение низковольтной шины (1,0 В), величину VDROP необходимо минимизировать. Следовательно, значение rON должно быть как можно меньше. Например, в случае с ключом серии TPS2292x величина rON составляет 14 мОм при напряжении 3,6 В.

Однако если переключаемый ток мал, сопротивление в открытом состоянии не имеет такого решающего значения и можно выбирать устройство серии TPS2294x с большей величиной rON — 1 Ом. Величина rON является главным фактором, определяющим размер кристалла силового переключателя, а, следовательно, и стоимость устройства. При выборе наиболее экономичного решения в первую очередь следует учитывать этот параметр.

Помимо величины максимального непрерывного тока через ключ разработчик должен учесть другой важный параметр — максимальное значение импульсного тока, который может пропустить ключ. В некоторых приложениях нагрузка большую часть времени потребляет средний непрерывный ток. Однако при возникновении потребности у подсистемы в дополнительном питании неизбежны броски тока. Наглядный пример тому — броски тока при передаче сигнала GSM/GPRS, при котором ток возрастает до 1,7 А за 576 мкс при коэффициенте заполнения 12,5%. Разработчику следует убедиться, что выбранный компонент сможет выдержать такой импульс тока.

Рассеяние мощности и функции защиты

Рассеяние мощности — еще одна важная характеристика, которую следует учесть при разработке системы. В нормальных условиях работы транзистора в качестве проходного ключа рассеяние мощности рассчитывается следующим образом:

.

Если у rON достаточно низкое значение, рассеяние мощности мало и существенным образом не сказывается на рабочей температуре компонента. Однако при реализации защиты шины от перегрузки по току или короткого замыкания, например, при использовании USB-портов или датчиков устройства считывания отпечатков пальцев требуется выбирать такой токоограничивающий ключ как TPS22944.

Если разработчик не использует токоограничивающий ключ, рассеяние мощности может оказаться главным препятствием в реализации надежной системы. Например, при закорачивании сопротивлением 0,9 Ом ключа без токоограничивающей нагрузки при входном напряжении 3,3 В (rON ~0,1 Ом у TPS22902) рассеиваемая мощность составляет

Как правило, это значение слишком велико для большинства предлагаемых на рынке корпусов и потому приводит к отказу системы.

При использовании токоограничивающего ключа разработчик также должен убедиться в том, что корпус поддерживает условие КЗ. При этом максимальная величина рассеиваемой мощности наблюдается, когда выход накоротко замкнут на землю. Для устройства TPS22945 максимальное среднее значение рассеиваемой мощности определяется выражением

f4.eps

где tRESTART — время автоматической перезагрузки; tBLANK — интервал КЗ, после которого срабатывает защита.

У устройств без автоматической перезагрузки, например у TPS22944, короткое замыкание на выходе вынуждает данный компонент работать в режиме постоянного тока, величина которого равна току ограничения. При этом рассеивается наибольшая мощность, затем срабатывает тепловая защита, и устройство выключается. В этом состоянии TPS22944 находится до тех пор, пока вывод ON активен и присутствует КЗ.

На рынке предлагается несколько токоограничивающих ключей. Следует учесть их главные характеристики — минимальную величину ограничения по току (фиксированное предельное значение тока или программируемое значение с помощью внешнего резистора), точность ограничения по току и время отклика. В большинстве приложений точность ограничения по току не является главным параметром из-за того, что устройство используется как автоматический прерыватель тока (т.е. ключ выключается при КЗ). Однако в таких приложениях как ограничение тока USB необходимо обеспечить заданную точность, поскольку ключ используется как источник постоянного тока.

В приложениях, в которых предполагается управление переключением больших токов или перегрузка по току, рекомендуется выбирать устройство с тепловой защитой. При превышении определенной температуры в большинстве устройств активируется тепловая защита, отключающая FET-транзистор.

Помимо защиты от токовой перегрузки следует учесть другие функции защиты, например, блокировку обратного тока, или защиту от обратного напряжения. Это необходимая мера при создании переключателя мощности (ORing) или при распределении нагрузки.

На рисунке 1 приведен пример использования силовых ключей, сконфигурированных таким образом, чтобы подавать питание от двух источников на нагрузку.

Рис. 1. Переключатель мощности двух источников питания

Если устройство не имеет защиты от обратного напряжения, необходимо, чтобы входное напряжение проходного FET-транзистора было выше выходного. В противном случае ток потечет через внутренний диод FET-транзистора.

Если в примере на рисунке 1 напряжение источника постоянного тока составляет 5 В, а литиево-ионной батареи — 4,2 В (макс.), возможно протекание большого тока от нагрузки к батарее, что, разумеется крайне нежелательно.

Решение этой задачи состоит в использовании устройства с защитой от обратного напряжения. Обычно такая защита реализуется за счет встречного включения FET-транзисторов или переключения нижнего затвора PMOS FET при обнаружении условий возникновения обратного напряжения. При этом следует учесть пороговое значение, при котором происходит отключение компаратора обратного напряжения, а также интервал времени с момента возникновения обратного напряжения до отключения MOSFET.

Существует и другой тип защиты, полезный для таких приложений как USB или приложений с батарейным питанием — защита от перегрузки по напряжению. Эта функция позволяет защитить ключ и систему при возникновении на нем перенапряжения.

Управление пусковым током

Силовые ключи используются также для управления пусковым током при включении системы. Если ключ включается неконтролируемо, возникает большой пусковой ток, что может привести к падению напряжения на питающей шине на входе ключа и, следовательно, отразиться на функциональности всей системы.

При зарядке больших выходных емкостей пусковые токи становятся большими, и потому ими требуется управлять или ограничивать их. Пусковой ток определяется по формуле

.

Например, при CLOAD = 1 мкФ, V = 3 В и времени нарастания сигнала 1 мкс величина пускового тока достигает 3 A.

Наиболее простым способом сгладить последствия возникновения пускового тока является увеличение времени нарастания сигнала на ключе, что позволит медленно зарядить выходной конденсатор и уменьшить максимальное значение тока. Если, например, время нарастания сигнала равно 200 мкс, величина пускового тока составит 15 мА, что вполне приемлемо.

В некоторых случаях, когда необходимо зарядить очень большие емкости (в несколько сотен мкФ), принимаются меры по снижению времени нарастания сигнала. Однако можно выбрать и ключ с ограничением по большому току, который будет входить в ограничивающий режим при включении питания. При этом конденсатор заряжается при ограниченном значении тока, и рассеяние мощности становится минимальным.

Совместимость систем

При выборе силового ключа необходимо тщательно учитывать вопрос совместимости систем. Например, при использовании ключа для распределения нагрузки в цепи портативного устройства с целью оптимизации его энергопотребления необходимо, чтобы управляющий входной сигнал был совместим со стандартными низковольтными (1,8 В) выводами GPIO.

Кроме того, при выключении ключа следует убедиться в том, что его незаземленный выход не влияет на рабочие параметры системы. С этой целью некоторые пользователи закорачивают данный выход при отключенном ключе с помощью дополнительного транзистора или применяют компонент с внутренней цепью, подтягивающей потенциал выхода к земле, например TPS22902.

При проектировании устойчивой системы следует также учитывать входную и выходную емкости. Несмотря на то, что входной конденсатор, как правило, не требуется для стабилизации предлагаемых на рынке силовых ключей, при создании аналоговой системы рекомендуется подключать от входа питания на землю конденсатор емкостью 0,1…1 мкФ с невысоким значением последовательного эквивалентного сопротивления (ESR). Этот компонент улучшает переходную характеристику и снижает шум.

В зависимости от нагрузки ключа, могут потребоваться дополнительные емкости на его выходе. Если ключ не имеет защиты по обратному току, настоятельно рекомендуется, чтобы его входная емкость была больше выходной. В противном случае возможна ситуация, когда значительный ток потечет в прямом направлении через внутренний диод FET-транзистора.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *