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

Pierwsza cześć artykułu dostępna pod tym linkiem

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

Parametry przełącznika obciążenia Parametry wydajności przełącznika obciążenia związane są bezpośrednio z parametrami standardowego tranzystora polowego FET wykorzystywanego jako przełącznik. Obejmują one: • Rezystancję w stanie włączenia (RDSon) - określa ona spadek napięcia na przełączniku obciążenia, a także rozpraszanie mocy przełącznika. Typowe wartości mieszczą się w zakresie dziesiątek miliomów i w zależności od producenta oraz aktualnej pojemności przełącznika obciążenia te mogą się znacznie różnić. Wartość rezystancji determinuje koszt układu, dlatego konieczne jest wykonanie kilku podstawowych obliczeń, w celu określenia maksymalnej dopuszczalnej wartości w aplikacji. • Maksymalne wartości napięcia (Vin) i prądu (Imax) - określają, jak wysokie napięcie i jaki maksymalny przepływ prądu może wytrzymać przełącznik. Projektant powinien sprawdzić zarówno wartości w punkcie pracy, jak i wartości chwilowe oraz szczytowe tych czynników. • Inne parametry jak: prąd spoczynkowy i prąd wyłączający. Prąd spoczynkowy jest prądem, który przełącznik obciążenia zużywa, gdy jest włączony. Jest to moc tracona na pracę układu. Jej wartość jest jednak pomijalna w porównaniu z mocą, którą rozprasza obciążenie. Prąd wyłączenia to prąd upływu, który „przepływa” od przełącznika obciążenia do obciążenia, gdy przełącznik znajduje się w trybie wyłączenia. Przełączniki obciążenia - od prostych do złożonych konstrukcji Dobrym przykładem przełącznika obciążenia z dodatkowymi funkcjami jest układ NCP330 firmy ON Semiconductor. Jest to podstawowy przełącznik obciążenia MOSFET z kanałem typu N, który posiada 2 ms tryb miękkiego startu, przydatny w sytuacjach, w których użycie nagłego obciążenia może być szkodliwe dla systemu. Opóźniony start wymagany jest szczególnie w aplikacjach mobilnych, w których bateria nie może być nagle przyłączona do źródła zasilania. Rysunek 4. Schemat blokowy układu NCP330 firmy ON Semiconductor © ON Semiconductor Układ posiada niską rezystancję RDSon wynoszącą zaledwie 30 mΩ, co czyni go dobrze dopasowanym do ładowania baterii prądem do 3 A (w szczycie do 5 A). NCP330 o napięciu pracy od 1,8 V do 5,5 V włącza się automatycznie, jeżeli do pinu Vin podłączone jest zasilanie (stan aktywny wysoki). W przypadku zaniku napięcia wejściowego, układ pozostaje w stanie wyłączonym dzięki zastosowaniu wewnętrznego rezystora ściągającego (pull-down resistor). Układ posiada również wbudowane zabezpieczenie przed odwrotnym podłączeniem zasilania. Innym przykładem są sterowane przełączniki obciążenia SiP32408 i SiP32409 oferowane przez firmę Vishay Siliconix. Posiadają system kontroli szybkości włączania o wartości współczynnika slew-rate 2,5 msec dla 3,6 V. Układy zaprojektowano do pracy w zakresie napięć od 1,1 V do 5,5 V. SIP32409 jest identyczny jak SiP32408, z tą różnicą, że zawiera szybki obwód wyłączający do rozładowania wyjścia. Ważną zaletą jest to, że ich oporność RDSon, wynosząca typowo 42 mΩ, jest płaska w prawie całym zakresie zasilania, od 1,5 V do 5 V. Inną ważną cechą jest to, że napięcie włączania sterowania jest również niskie, dzięki czemu mogą być stosowane w obwodach niskonapięciowych bez potrzeby stosowania przesuwników poziomu napięcia (Level Shifter). Rysunek 5. Zależność pomiędzy sygnałem sterowania EN dla niskiego i wysokiego poziomu sygnału logicznego a napięciem wejściowym dla przełączników obciążenia SiP32408 i podobnych do SiP32409 firmy Vishay Siliconix © Vishay Siliconix Pomimo, że przełączniki obciążenia są względnie prostymi urządzeniami pod kątem budowy i ilości wyprowadzeń, projekt płytki może stanowić poważne wyzwanie, ze względu na duże prawdopodobieństwo zaistnienia prądów pasożytniczych. Z tego też powodu najlepszym rozwiązaniem jest skorzystanie z zalecanego przez producenta układów projektu płytki drukowanej, lub z przygotowanej specjalnie płyty ewaluacyjnej o niewielkich wymiarach 1 × 1 cala. Rysunek 6. Zalecany projekt płytki drukowanej i rozmieszczenie podzespołów w celu uzyskania możliwie największej wydajności przez przełączniki obciążenia: SiP32408 i SiP32409 Rysunek 7. Widok strony TOP i BOTTOM specjalnie zaprojektowanej płytki ewaluacyjnej dla układów SiP32408 i SiP32409 © Vishay Siliconix Kolejnym przykładem przełącznika obciążenia jest układ TPS22970 firmy Texas Instruments, który działa w zakresie niskich napięć, bo już od 0,65 V do 3,6 V i impulsowo przełącza przy prądzie do 4A. Rezystancja RDSon jest również niska, z typowego 4,7 mΩ dla 1,8 V, nieznacznie wzrastając do 6,4 mΩ dla 0,65 V. Posiada wyłączenie termiczne, w momencie przekroczenia progowej wartości temperatury. Typowy prąd spoczynkowy w stanie aktywnym wynosi 30 μA na wejściu 1,2 V a prąd wyłączenia - 1 μA, na wejściach powyżej 1,8 V. Rysunek 8. Typowy schemat aplikacyjny układu TPS22970 razem z wymaganym kondensatorem na wejściu oraz nie zawsze potrzebnym kondensatorem na wyjściu © Texas Instruments Układ TPS22970 wyposażono w rezystor o wartości 150 Ω, który pozwala na szybkie rozładowanie wyjścia, gdy przełącznik jest wyłączony. Dzięki temu możliwe jest uniknięcie nieustalonego stanu na wyjściu. Regulowany współczynnik slew-rate pozwala na osiągnięcie czasów włączenia wynoszących 1,5 ms i 0,8 ms, przy napięciach wejściowych odpowiednio 3,6 V i 0,65 V. Obszerna dokumentacja techniczna zawiera szereg charakterystyk i szczegółowych parametrów, które w pełni pokazują działanie układu i szerokie możliwości jego wykorzystania. Przykładem są poniższe charakterystyki czasów narastania i opadania w funkcji temperatury dla każdego z czterech napięć wejściowych. Rysunek 9. Czas narastania (po lewej) i czas opadania (po prawej) w funkcji temperatury z rezystancją obciążenia 10 Ω i pojemnością obciążenia 0,1 μF dla układu TPS22970 © Texas Instruments Układy MOSFET same w sobie mogą stanowić proste rozwiązanie do włączania i wyłączania zasilania w celu zminimalizowania zużycia energii, wdrożenia sekwencjonowania wielu obciążeń i sterowania mocą. Jednak, przełączniki obciążenia ze zintegrowanym MOSFET-em, układem sterowania, kontrolą współczynnika slew-rate i różnymi formami ochrony przed uszkodzeniami, są na pewno lepszym wyborem dla projektowanych systemów zarządzania energią. Posiadają wszystkie te dodatkowe funkcje w jednym, małym urządzeniu, dzięki czemu są w stanie przedłużyć żywotność baterii oraz zaspokoić stale rosnące zapotrzebowanie na wyższą wydajność aplikacji mobilnych. Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firmy DigiKey © DigiKey