ИНТЕГРИРОВАННЫЕ СИЛОВЫЕ КЛЮЧИ
В статье рассматриваются интегрированные силовые ключи, указываются области их применения. Кратко описывается топология каждого ключа, приводятся практические примеры их использования.
Введение
В последнее время существенно меняется функционал разработчика. Увеличение степени интеграции микросхем приводит к тому, что разработчик постепенно превращается в своеобразного интегратора решений. Уже давно канули в Лету времена, когда приходилось проектировать дискретные усилители на транзисторах или реализовывать алгоритмы управления на отдельных логических микросхемах. Постепенно уходит «романтика» разработки и из силовой электроники. Кто из читателей сможет вспомнить, когда ему последний раз приходилось рассчитывать базовые цепи силовых транзисторов?
Уже не первый год производители электронных компонентов выпускают интегрированные силовые ключи самого разного функционального назначения, которые реализуют функционал и коммутации, и защиты цепей. Мы попробуем разобраться с терминологией, относящейся к областям применения силовых ключей. Наиболее широкой производственной линейкой рассматриваемой продукции, на наш взгляд, располагает компания Texas instruments. Кроме нее из известных на российском рынке компаний схожую продукцию выпускают Analog Devices, Diodes, Maxim, NXP, ON Semi, STMicroelectronics, Vishay.
Разновидности силовых ключей
Коммутатор нагрузки (Load Switch, или КН) обеспечивает безопасную и надежную коммутацию нагрузки в системах распределенного питания. Коммутатор нагрузки используется для формирования последовательности включения шин питания, ограничения пускового тока, для уменьшения токов утечки.
Мультиплексор шин питания (Power MUx) схож с коммутатором нагрузки, но играет роль мультиплексора. Мультиплексор шин (МШ) позволяет осуществить выбор из нескольких входных шин.
Электронные предохранители (eFuse) и контроллеры горячего переключения питания (Hot Swap) обеспечивают дополнительную защиту силового тракта, предохраняя его от перенапряжений или провалов напряжения, а также от превышения током порогового значения. Контроллер Hot Swap позволяет осуществлять замену модулей и блоков системы без выключения питания, предотвращая возникновение переходных процессов, которые могут повредить компоненты системы.
Идеальный диод oRing обеспечивает защиту от неправильной полярности включения. Как правило, в oRing силовой ключ не встраивается в контроллер, а для коммутации используется внешний MОSFET.
Интеллектуальный силовой ключ верхнего плеча предназначен для защиты нагрузки. Кроме того, он выполняет диагностику электрической цепи, фиксируя короткое замыкание или обрыв; состояние цепи обычно определяется по потенциалу на внешних выводах ключа. В этих ключах предусмотрена возможность установки программируемого ограничения по току.
В отличие от ключей верхнего плеча, которые подключают нагрузку к шине питания, ключи нижнего плеча коммутируют нагрузку с земляной шиной. Обратный диод этого ключа помогает устранить переходные процессы в цепи, возникающие при коммутации индуктивной нагрузки.
В самом общем виде назначение силовых ключей иллюстрирует рисунок 1, а в таблице приведены основные квалифицирующие параметры этих ключей.
Таблица
Основные квалифицирующие параметры силовых ключей
Рисунок 2
Рисунок 3
Упрощенная схема коммутатора нагрузки
Схема мультиплексора шин питания Power MUX
Топология силовых ключей
Упрощенная схема коммутатора нагрузки приведена на рисунке 2. С помощью выводов CT и QOD ключа регулируется время нарастания и спада напряжения. Схема мультиплексора шин питания Power MUX приведена на рисунке 3. Как из него видно, Power MUX позволяет подключать нагрузку к разным шинам питания, причем при подключении к любой шине гарантированы все защиты. Тепловая защита обеспечивается по результатам измерения температуры силовых ключей. Кроме того, в мультиплексоре Power MUX имеется защита выходной цепи от токов короткого замыкания и от перенапряжений.
Мультиплексоры обычно используются для переключения нагрузки при аварии одной из шин питания. Например, при аварийном отключении источника питания мультиплексор подключит нагрузку к питанию от резервной аккумуляторной батареи. Переключение между шинами питания осуществляется либо дистанционно по командам от внешнего устройства, либо автоматически при уменьшении напряжения рабочей шины питания ниже установленного порога.
На рисунке 4 показана схема электронного предохранителя eFuse, который обеспечивает защиту нагрузки от перенапряжения и провалов напряжения, от перегрузки по току и от короткого замыкания. Время срабатывания защиты не превышает 200 нс. Типовой порог срабатывания тепловой защиты составляет 150°c. К тому же, предохранители eFuse, как правило, еще и реализуют тот же функционал, что и коммутаторы нагрузки.
Поскольку в состав контроллера горячей замены (Hot Swap), схема которого приведена на рисунке 5, не входит силовой MOSFET, к нему не применим параметр «Максимальный ток» в таблице. Контроллер управляет внешним ключом MOSFET, что придает решению большую гибкость, один и тот же контроллер может использоваться в цепях с разным максимальным значением напряжения и тока, достаточно лишь выбрать соответствующий MOSFET.
Контроллер Hot Swap измеряет величину тока цепи. Если он превышает допустимое значение, то контроллер запирает внешний ключ, и цепь разрывается. Чтобы не допустить выхода внешнего силового ключа из области безопасной работы (SoA), контроллер уменьшает допустимое максимальное значение тока при возрастании напряжения VDS защищаемой цепи. Заметим, что предельные допустимые значения устанавливаются с помощью внешних элементов – токочувствительного резистора RSnS и резистивного делителя напряжения, формирующего сигнал UVLo.
После того как напряжение на шине достигнет установленного значения, контроллер Hot Swap устанавливает флажок Power Good (PG) на внешнем выводе. Некоторые контроллеры имеют интерфейс цифровой шины PMBus, который позволяет им обмениваться всеми данными с хост-устройством о состоянии цепи.
Как и в контроллере горячей замены, в контроллере идеального диода oRing нет встроенного MOSFET. Схема контроллера приведена на рисунке 6. Контроллер идеального диода, как и стандартный диод, может блокировать пропускание обратного тока. При включении питания ток начинает протекать через внутренний диод MOSFET. Прямое падение напряжения превысит пороговую величину в несколько десятков милливольт, контроллер включит MOSFET, и ток нагрузки начнет протекать уже через него. Поскольку падение напряжения на открытом канале MOSFET меньше напряжения на диоде, меньше и мощность рассеяния. Если падение напряжения на открытом канале MOSFET станет меньше порогового уровня, контроллер отключит MOSFET.
Если выходное напряжение превышает входное, что происходит, например, при замыкании на входе, встроенный в контроллер компаратор фиксирует изменение направления протекающего тока, и контроллер отключает внешний MOSFET. Внутренний диод MOSFET не пропускает обратный ток, что прерывает колебательный переходный процесс, при котором энергия поступает из нагрузки в источник питания. Точно также контроллер блокирует неправильную полярность при подключении аккумуляторной батареи. Этот же контроллер отлично подходит для схемы резервирования питания.
На рисунке 7 приведена схема интеллектуального силового ключа верхнего плеча. Он обычно используется для коммутации удаленной нагрузки, расположенной вне платы или модуля. В нем предусмотрены токовая защита и диагностика цепи. Выводы ключа используются для диагностических сообщений и в некоторых случаях – для формирования сигнала, пропорционального току ключа. Схема силового ключа нижнего плеча приведена на рисунке 8. С точки зрения схемотехники, нижний ключ является довольно простым устройством. Из всех рассмотренных выше ключей только он служит для коммутации нагрузки с земляной шиной.
Рисунок 4
Рисунок 5
Рисунок 6
Схема электронного предохранителя eFuse
Схема контроллера горячей замены
Схема контроллера идеального диода ORing
Рисунок 7
Рисунок 8
Схема интеллектуального силового ключа верхнего плеча
Схема силового ключа нижнего плеча
Рисунок 9
Короткое замыкание в непосредственной близости от выводов ключа
Практические примеры использования силовых ключей
Рассмотрим защиту от короткого замыкания с помощью интеллектуального силового ключа верхнего плеча. Как уже упоминалось, он используется для коммутации удаленной нагрузки, поэтому возможны два крайних варианта. В первом из них короткое замыкание происходит в непосредственной близости от внешних выводов ключа (см. рис. 9). Скорость нарастания тока короткого замыкания определяется сопротивлением и паразитными индуктивностями шины питания.
Примерные графики изменения тока и напряжений, а также энергия, рассеиваемая при коротком замыкании, показаны на рисунке 9б. Примерно через 50 мкс ток короткого замыкания достигает порога срабатывания; в данном случае это пороговое значение составляет 90 А. Затем встроенный MOSFET выключается, и цепь разрывается. При разрыве цепи происходит всплеск входного напряжения, вызванный паразитными индуктивностями шины питания. Во время короткого замыкания величина рассеиваемой энергии не превышает 18 мДж.
Несколько иная картина наблюдается, когда короткое замыкание происходит на выводах нагрузки (см. рис. 10). Из-за индуктивности кабеля нагрузки ток КЗ достигает порога срабатывания защиты не за 50 мкс, как в предыдущем случае, а за 250 мкс. В результате рассеивание энергии заметно возрастает до 75 мДж, что в четыре раза больше, чем в предыдущем случае. Из-за увеличения паразитных емкостей и индуктивностей, вносимых кабелем нагрузки, увеличивается длительность колебательного процесса на шине питания (см. рис. 10б).
Идеальный диод oRing удобно использовать для резервирования питания. Пример такой схемы приведен на рисунке 11: в качестве контроллера oRing используются компоненты LTc4359 компании Analog Devices. В данной схеме к нагрузке подключен источник питания с наибольшим выходным напряжением. При этом обратный ток в источник питания с меньшим напряжением блокируется диодом oRing. При аварии основного источника питания ток начинает протекать через внутренний диод MOSFET диода oRing резервного источника и тот коммутирует цепь. Протекание обратного тока в аварийный источник питания блокируется диодом oRing в цепи этого источника.
Рассмотренные силовые к лючи довольно легко можно было бы реализовать на дискретных компонентах, если бы не одно «но», а именно: встроенные во все ключи кроме ключей нижнего плеча, защиты от превышения токов и напряжений, тепловая защита. Поэтому стоит трижды подумать, прежде чем отказываться от интегральных решений. Пожалуй, у дискретных решений над интегральными со встроенным MOSFET есть только одно преимущество – в дискретном решении можно выбрать MOSFET с меньшим сопротивлением открытого канала. Перевесит это преимущество наличие встроенных защит в интегральном решении? Ответ зависит от каждого конкретного случая.
Мы ограничились примерами использования силовых ключей, как нам кажется, в наиболее распространенных на практике случаях. Все другие варианты использования рассматриваемых компонентов достаточно подробно рассмотрены в документации изготовителей.
Рисунок 10
Короткое замыкание в нагрузке
Рисунок 11
Резервирование питания с помощью идеальных диодов ORing