Zintegrowane przełączniki obciążenia - sposób na minimalizację zużycia energii (Część I)

Projektujesz elektronikę? Zarezerwuj 4 października 2018 roku na największą w Polsce konferencję dedykowaną projektantom, Evertiq Expo Kraków 2018. Przeszło 50 producentów i dystrybutorów komponentów do Twojej dyspozycji, ciekawe wykłady i świetna, twórcza atmosfera. Jesteś zaproszony, wstęp wolny: kliknij po szczegóły. © Evertiq

Jednakże, związane z tym systemem pozostałe elementy bierne rozpraszające moc (głównie rezystory), a także aktywne urządzenia dyskretne, takie jak tranzystory, nadal zużywają energię. W celu poprawy tej sytuacji projektanci poszli o krok dalej i w swoich urządzeniach wykorzystują proste układy MOSFET, które wyłączają całe podsystemy, pozwalając w ten sposób na zwiększenie żywotności baterii w różnych aplikacjach mobilnych. Oszczędności wynikające z takiego rozwiązania, czasami jednak okazują się niewystarczające. Spowodowane jest to głównie przez zbyt duży prąd upływu w użytych zasilaczach, nawet w trybie wyłączenia. Przez to zakładane oszczędności energii okazują się jeszcze zbyt małe. Dodatkowo, prosty MOSFET nie jest w stanie spełnić wysokich wymagań, stawianym dzisiejszym systemom do zarządzania energią. Są to zadania związane ze sterowaniem, dystrybucją i sekwencjonowaniem mocy, np. załączaniem i wyłączaniem szyny zasilającej w celu podłączenia podsystemów lub rozdzielenia mocy pomiędzy wiele obciążeń, oraz funkcje zabezpieczające takie jak: szybkie rozładowanie wyjścia QOD (Quick Output Discharge), ograniczenie prądu, wyłączenie termiczne, czy zabezpieczenie przed prądem wstecznym. Z pomocą przychodzą zintegrowane przełączniki obciążania, które w swojej konstrukcji zawierają tranzystor MOSFET z kanałem N lub P oraz funkcje zarządzania energią w jednym, małym opakowaniu. Przełącznik obciążenia – rozwiązanie „All-in-One” Większość przełączników obciążenia posiada tylko cztery wyprowadzenia: po jednym dla napięcia wejściowego VIN, napięcia wyjściowego VOUT, wejścia kontrolnego ON i uziemienia GND. Rysunek 1. Schemat podstawowego przełącznika obciążenia zawierającego układ MOSFET i sterownik tranzystora © Texas Instruments Zasada działania jest prosta: po włączeniu przełącznika obciążenia za pomocą sygnału na wejściu ON, układ FET przełącza się, umożliwiając przepływ prądu od wejścia (źródła) do wyjścia (obciążenia). Podobnie jak w przypadku tranzystora MOSFET, rezystancja przewodzenia wynosi zaledwie kilka miliomów (mΩ), co przekłada się na niski spadek napięcia i związane z tym niskie rozpraszanie mocy. Zintegrowany przełącznik obciążenia to coś więcej niż tylko MOSFET i sterownik, który umożliwia jego włączanie / wyłączanie za pomocą prostego logicznego sygnału. Chociaż sama ta możliwość może sprawić, że przełącznik obciążenia to lepsze rozwiązanie niż sam MOSFET plus oddzielny sterownik, to zintegrowany przełącznik obciążenia jest jednak czymś więcej. Rysunek 2. Schemat blokowy zintegrowanego przełącznika obciążenia wzbogaconego o inne funkcje, w tym kontrolę rozładowania, kontrolę szybkości zmian, różne formy ochrony i monitorowania błędów. © Vishay Siliconix Dlaczego warto korzystać z zintegrowanego przełącznika obciążenia? Jest kilka powodów: • Zawierają wbudowany sterownik zarządzania ładowaniem i rozładowaniem bramki, zapewniający regulację czasu narastania / opadania cyklu włączania / wyłączania MOSFET-u. Pozwala to na zoptymalizowanie wydajności MOSFET-u, poprzez uniknięcie przesterowania i tzw. dzwonienia oraz zminimalizowanie niepożądanych zakłóceń EMI / RFI. • Posiadają kontrolę czasu włączenia MOSFET-u, która zapobiega spadkowi napięcia na szynie zasilania spowodowanego nagłym wzrostem obciążenia. Podczas ładowania dużych pojemności wyjściowych pojawiają się duże prądy rozruchowe, które wymagają kontroli i/lub ograniczenia. Najprostszym sposobem na ograniczenie tego zjawiska jest wydłużenie czasu włączania przełącznika, co prowadzi do powolnego ładowania kondensatora obciążenia i zmniejszenia wartości szczytowej prądu. Efekt spadku napięcia zasilania może stać się problemem, jeżeli ta sama szyna wejściowa dostarcza energię także do innych podsystemów, które muszą pozostać w pełni zasilone. • Posiada funkcję szybkiego rozładowywania wyjścia QOD. Zrealizowana została poprzez umieszczenie rezystora na układzie pomiędzy wyjściem a masą. Tryb ten jest aktywowany, gdy urządzenie zostanie wyłączone przez wejście kontrolne ON. Spowoduje to rozładowanie węzła wyjściowego i zapobiegnie niekontrolowanym zmianom sygnału wyjściowego, które mogą spowodować niepożądane działanie systemu. Funkcja ta czasami nie jest pożądana, szczególnie wtedy, kiedy wyjście przełącznika obciążenia połączone jest z baterią. Wyłączenie przełącznika przez wejście ON spowoduje rozładowanie baterii. Dlatego niektórzy producenci posiadają układy z tą opcją do wyboru. • Mogą zawierać inne, przydatne funkcje, które są szczególnie pożądane, gdy występuje źródło zasilania i szyna. Należą do nich: wyłączenie termiczne, ochrona przeciwprzepięciowa, ochrona przed prądem wstecznym oraz ograniczenie prądowe. Te wszystkie funkcje przyczyniają się do wzrostu integralności systemów zasilania. W porównaniu z podstawowym MOSFET-em, zastosowanie zintegrowanego przełącznika obciążenia pozwala projektantom na zmniejszenie ogólnego pliku BOM, redukcję czasu projektowania, rozmiarów płytki drukowanej oraz kosztów samego urządzenia. Idąc dalej, wykorzystanie przełącznika obciążenia nie ogranicza się tylko do prostych wyłączeń w celu oszczędzania energii. Używając szeregu przełączników obciążenia, pojedyncze duże źródło może zasilać wiele podsekcji obwodów i sterować w nich mocą w określonej kolejności i czasie. W ten sposób przełączniki obciążenia mogą działać jako elementy bramkujące w szerszym i efektywniejszym schemacie sterowania zasilaniem. Rysunek 3. Przełączniki obciążenia umożliwiają pojedynczemu zasilaczowi sterowanie wieloma obciążeniami, z których każdy może być niezależnie włączany / wyłączany w określonym czasie. © Texas Instruments Należy pamiętać, że przełączniki obciążenia potrzebują kondensatora (zazwyczaj 1 μF) po stronie wejścia, aby ograniczyć spadek napięcia na wejściu zasilania. Muszą również "widzieć" pojemność obciążenia, która wynosi zazwyczaj około 1/10 wartości pojemności wejściowej. Jeżeli obciążenie jest mniejsze, należy dodatkowo umieścić niewielki kondensator wyjściowy. Druga część artykułu w przyszłym tygodniu. Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firmy DigiKey © DigiKey