Pri skoraj vseh zasnovah sistemov je ključnega pomena upravljati napajalne DC tirnice ter jih zaščititi pred različnimi notranjimi in zunanjimi načini okvare. Izziv je zapleten, če obstaja več tirnic, kar se dogaja vse bolj pogosto, saj današnji sistemi vključujejo majhne zasnove, ki porabljajo malo energije in se napajajo prek baterij.
Digi-Key Electronics
Avtor: Rolf Horn
2022-306-07
Upravljanje napajalnih tirnic se začne z upravljanjem napajanja IC (PMIC), ki vklop in izklop toka usmerja do tirnic, kot je potrebno. PMIC je odgovoren tudi za upravljanje časa in sekvenciranje med več tirnicami. Vendar pa je dejanski fizični nadzor napajalne tirnice naloga močnostnega stikala na osnovi MOSFET, ki ga je mogoče usmeriti tako, da toku dovoli prehod ali da ga blokira.
Poleg osnov, kot je nadzor »slew-rate« tokovne prekoračitve in zaščita pred previsokimi temperaturami, se od močnostnih stikal vse bolj zahteva, da vključujejo druge funkcije, na primer nadzorovano zaustavitev, hitro izhodno praznjenje in pravo blokiranje povratnega toka, vse to pa je težko uvesti z diskretnimi zasnovami na podlagi FET tranzistorjev.
Da se ta zapletenost zaobide, lahko oblikovalci izberejo močnostna stikala v obliki IC-jev, ki vključujejo zahtevane zmogljivosti v enem samem ohišju s stikalnim elementom, pri čemer tudi znižujejo stroške in prostor na plošči, ki je potreben za diskretno uvedbo. Ta vgrajena močnostna stikala rešujejo ali preprečujejo številne operativne težave napajalnih tirnic ter pomagajo pri izpolnjevanju številnih zahtev mobilne zasnove ali zasnove, napajane prek baterij.
V tem članku bo obravnavana vloga močnostnih stikal, njihove osnovne funkcije, dodatne funkcionalnosti ter napredne funkcije, zaradi katerih so več kot le relativno preprosta, elektronsko nadzorovana vklopno/izklopna stikala za napajalne tirnice. V članku bodo uporabljeni trije novi IC-ji močnostnih stikal v seriji TCK12xBG proizvajalca Toshiba Electronic Devices & Storage Corporation (Toshiba), s pomočjo katerih bodo predstavljene te točke in bo prikazano, kako se jih uporablja za izpolnjevanje potreb najnovejših zasnov izdelkov.
Osnove o močnostnih stikalih
Osnovno močnostno stikalo ima le štiri priključke: vhodna napetost, izhodna napetost, omogočanje in ozemljitev (slika 1). Kadar se nadzorni signal logične ravni uporabi na njegovem nadzornem priključku za vklop/izklop (ki je lahko aktivno visok ali aktivno nizek), je naprava omogočena in stikalni FET tranzistor se vklopi. To toku omogoča pretok od vhodnega priključka VIN do izhodnega priključka VOUT, s čimer dovaja napajanje v obremenitveni tokokrog.
Močnostno stikalo je več kot le stikalni FET v ohišju. V minimalni meri vključuje tudi logiko nadzora, gonilnik FET tranzistorja, preklopnike logičnih nivojev in različne funkcije, ki ščitijo vezja, na primer zaščito pred prevelikim tokom in preprečevanje povratnega toka (imenovan tudi reverzni tok); oba lahko poškodujeta sistem in njegove komponente. Uvajajo lahko tudi druge uporabne funkcije, kot je »slew-rate« nadzor, ko je napajalna tirnica vklopljena, in zaščito pred previsokimi temperaturami.
V svoji najpreprostejši aplikaciji se močnostno stikalo uporablja med virom in napajalno tirnico s samo enim bremenom, da mu omogoča vklop prek PMIC, kadar je to potrebno, ali preklop v mirovno stanje, da se prihrani moč (slika 2).
Parametri močnostnega stikala
Močnostno stikalo ima več ključnih parametrov, ki jih morajo oblikovalci ovrednotiti. Trije najpomembnejši so maksimalna vhodna napetost in izhodni tok, ki ga lahko podpira, ter njegova upornost ob »vklopu«. Drugi parametri, ki so ravno tako lahko ključnega pomena, odvisno od aplikacije, vključujejo:
- Mirovni tok (IQ): to je tok, ki je potreben za napajanje močnostnega stikala, brez kakršnega koli toka na njegovem izhodu.
- Izklopni tok (tok v stanju pripravljenosti) (ISD): to je tok, ki teče v VIN, kadar je naprava onemogočena.
- Vhodni slepi tok na priključku VKLOP (ION): to je tok, ki teče v nadzorni priključek VKLOP/IZKLOP, kadar je omogočen.
Nizek mirovni tok in izklopni tok sta vse bolj pomembna v aplikacijah, ki se napajajo z baterijami, kot so prenosni aparati, pametni telefoni in IoT moduli, kjer imata velik vpliv na življenjsko dobo baterije in čas delovanja.
Zaščita pred previsokim tokom
Funkcija zaščite pred previsokim tokom v močnostnem stikalu ni namenjena le zaščiti pred jasnimi okvarami, kot je začasen ali trajen kratek stik pri obremenitvi. Morda bo treba tudi ublažiti posledice padca izhodne napetosti, do katerega pride v določenih primerih, kjer tirnica napaja več obremenitev in se ena od obremenitev vklopi hitreje (slika 3). Nenaden porast potrebe po toku povzroči, da izhod napajanja za trenutek pade pod svojo nazivno vrednost. Ta zakasnitev ali obdobje obnovitve je določeno s prehodnim delovanjem obremenitve vira in s specifiko obremenitve.
Ta padec lahko posledično povzroči, da se druga obremenitev ne zažene pravilno ali da se ne obnaša pravilno. Zaradi tega je funkcija omejevanja toka močnostnega stikala koristna, saj ublaži padec izhodne napetosti, ki ga povzroči povečana potreba po toku s strani prve obremenitve.
Številni sistemi morajo zagotoviti, da je več njihovih obremenitev napajano z energijo v določenem zaporedju in z določenim časom aktiviranja vsake napajalne tirnice. V teh primerih se uporablja več močnostnih stikal pod nadzorom PMIC, ki upravlja njihovo sekvenciranje in relativno odmerjanje časa (slika 4).
Blokiranje povratnega toka
Blokiranje povratnega toka močnostnega stikala je ravno to, kar nakazuje ime: preprečuje povratni pretok toka, kadar napetost na izhodni strani postane višja kot na vhodni.
Do tega lahko pride zaradi dveh običajnih situacij. Prvič: vir napajanja, kot je avtomobilski akumulator, je morda nehote povezan v napačni smeri kot posledica neželenega preklapljanja polov akumulatorja prek odklopljenih kablov ali celo napake pri ponovnem povezovanju kablov. Lahko se je zgodilo celo nekaj tako osnovnega kot to, da je povprečen uporabnik baterije vstavil v napačni smeri.
Druga situacija je nekoliko manj očitna. Pomislite na primer, kjer sta dva vira različnih napetosti multipleksirana in napajata obremenitev (slika 5). Napetost na strani izhoda v skupni rabi lahko postane večja od napetosti na vhodni strani vira napajanja z nižjo napetostjo. V tem scenariju lahko tok teče od strani z višjo napetostjo do strani z nižjo napetostjo, s čimer poškoduje vir nižje napetosti.
Obstajajo trije načini obravnavanja blokiranja povratnega toka:
- Najbolj preprost način je dodajanje diode zaporedno z izhodom. Vendar pa padec napetosti prek diode (0,6 do 0,8 volta za standardno silicijevo diodo) zniža priklopljeno napetost prek tirnice in dioda mora imeti zadostno nazivno moč, da zmanjša s tem povezano toploto, ki se troši na njej.
- Drugi način je uporaba MOSFET zaporedno s tirnico, vendar njegova upornost ob vklopu (RON) tudi povzroča padec napetosti, ima pa tudi izgube v obliki toplote, kar je treba upoštevati.
- Tretja možnost je uporaba močnostnega stikala s funkcijo blokiranja povratnega toka, ki uveljavi potreben protiukrep preprečevanja povratnega toka brez kompromisov.
Funkcija praznjenja
Funkcija samodejnega praznjenja običajno povezuje VOUT in GND, kadar je multiplekser napajanja izklopljen. Obstaja več prednosti tega hitrega praznjenja izhoda:
- Izhod se ne pusti v plavajočem stanju in njegovo stanje je vedno znano.
- Moduli v smeri toka se vedno povsem izklopijo.
Vendar pa obstajajo primeri, kjer hitro praznjenje izhoda ni zaželeno:
- Če je izhod močnostnega stikala povezan z baterijo, lahko hitro praznjenje izhoda povzroči, da se baterija povsem izprazni, kadar je močnostno stikalo onemogočeno prek priključke VKLOP.
- Če se dve močnostni stikali uporabljata v multiplekserju z dvema vhodoma in enim izhodom (kjer sta izhoda zvezana skupaj), bi se napajanje nenehno porabljalo v prazno skozi praznjenje hitrega izhoda, ker tok v tem primeru teče skozi notranji upornik do ozemljitve, kadar koli je močnostno stikalo onemogočeno prek priključke VKLOP.
Zato je pri konfiguriranju multiplekserja napajanja z IC-jem močnostnega stikala nujno, da izberete močnostno stikalo, ki nima funkcije praznjenja. Tu se kaže potreba po funkciji močnostnega stikala, ki se imenuje pravo blokiranje povratnega toka. Ta funkcija preprečuje pretok povratnega toka iz izhodnega priključka do vhodnega priključka ne glede na stanje VKLOP/IZKLOP močnostnega stikala.
Močnostno stikalo s to funkcijo primerja vhodno napetost VIN z izhodno napetostjo VOUT v IC-ju, in krogotok za preprečevanje povratnega toka se aktivira, kadar je VOUT>VIN (slika 6).
S pravim blokiranjem povratnega toka in funkcijo samodejnega praznjenja so povezane še dodatne podrobnosti; te so podrobneje predstavljene v opombi glede aplikacije Toshiba »Funkcija zaščite pred previsokim tokom in funkcija preprečevanja povratnega toka IC-ja močnostnega stikala.«
Novi IC-ji so usmerjeni k aplikacijam z visoko stopnjo rasti
Močnostna stikala niso nova, vendar postajajo vse bolj prilagojena zahtevam določenih aplikacij. To jasno prikazuje družina močnostnih stikal naslednje generacije Toshiba TCK12xBG, ki je sestavljena iz treh naprav: TCK126BG, TCK127BG in TCK128BG(slika 7).
Trije IC-ji, ki so namenjeni za delovanje pri napetosti od 1,0 do 5,5 volta in toku do 1 A, so si zelo podobni, imajo pa določene skromne razlike, da bodo optimalno ustrezale posebnim prioritetam in potrebam aplikacij. Številne njihove specifikacije so boljše od njihovih predhodnikov in razpoložljivih konkurenčnih naprav.
Najbolj dramatično je znižanje mirovnega toka (IQ) od 110 nanoamperov (nA) do le 0,8 nA, kar predstavlja zmanjšanje za 99,9 %, oziroma malo več kot dva velikostna reda. Poleg tega je tok v pripravljenosti le 13 nA. Tipični upor v stanju vklopa RON je 46 mΩ pri 5,0 volta, 58 mΩ pri 3,3 volta, 106 mΩ pri 1,8 volta in 210 mΩ pri 1,2 volta.
Drugi atributi teh močnostnih stikal gredo onkraj električnih specifikacij. Ti izdelki so tudi precej manjši od drugih razpoložljivih enot Toshiba in drugih dobaviteljev v istem razredu napetosti/toka. Na voljo so v WCSP4G ohišju s štirimi priključki, ki meri0,645 × 0,645 × 0,465 mm,z nagibom krogle 0,35 mm. To predstavlja 34-odstotno zmanjšanje velikosti v primerjavi s predhodnimi močnostnimi stikali v 0,79 × 0,79 × 0,55 mm ohišju z nagibom 0,4 mm (slika 8).
Ta majhna velikost oblikovalcem omogoča znatne prihranke prostora na vezju, kar je ključnega pomena za ultrakompaktne aplikacije, kot so prenosne naprave. Poleg tega ima ohišje 25-mikrometrski (μm) premaz na hrbtni strani, ki zmanjšuje fizične udarce in poškodbe ter preprečuje krušenje.
Tri močnostna stikala v družini imajo vgrajene gonilnike za nadzor »slew-rate« s časom vzpona 363 mikrosekund (µs) pri 3,3 volta. Razlike med stikali so v prisotnosti oziroma odsotnosti funkcije hitrega praznjenja izhoda ter v aktivnem stanju priključke VKLOP/IZKLOP (slika 9).
Zaključek
Močnostna stikala z visoko stopnjo integriracije funkcionalnosti so ključnega pomena, če morajo oblikovalci izpolniti zahteve po nizki porabi energije, fizični majhnosti in manjših stroških za majhne naprave na baterijsko napajanje, kot so prenosne naprave in pametni telefoni ter IoT naprave. Kot je prikazano, ima družina močnostnih stikal TCK12xBG podjetja Toshiba nizek mirovni tok in manjšo velikost, integrirane elemente za izpolnjevanje zahtev glede delovanja in zaščite ter poenostavlja razvoj.
Povezana vsebina
Toshiba »Modul za izobraževanje o stikalih za obremenitev«
https://www.digikey.com
