Мощни интегрални постояннотокови ключове

ЕлектроникаСп. Инженеринг ревю - брой 1/2020 • 18.02.2020

Мощни интегрални постояннотокови ключове

Стефан Куцаров

Тяхното английско наименование - Integrated Power Switches (IPS), не съдържа подразбиращата се дума “постояннотокови”, а приложенията им вече до голяма степен изместват тези на механичните ключове. Последните все още се ползват за много големи токове и сравнително високи напрежения, но тази област продължава да се стеснява. Съществени в сравнение с механичните ключове предимства на IPS са подобряването сигурността на действие на ползващите ги устройства поради въвежданите защити, удължаването на експлоатационния срок, както и продължаващите да се увеличават възможности за тяхното управление.

В статията са разгледани четирите основни вида IPS, в таблици или с текст са дадени основните параметри на модели, появили се на пазара след януари 2016 г., като с по-голям дял са тези след януари 2018 г. Има и примери за продължаващи да се ползват в разработката на апаратури по-стари модели поради липсата на съвременни техни разновидности.

 

Класически IPS

Те изпълняват само основната функция на ключовете без допълнителните възможности на останалите видове, като най-общо съществуват 4 разновидности.

Нисковолтови IPS (Low Input Voltage Type). Те са с най-голямо приложение през последните години и имат входно напрежение VIN, подавано чрез ключа на захранваното устройство (Load) с минимална стойност до 3,6 V, която непрекъснато намалява и е достигнала до 0,5 V. Същността на действието им се изяснява чрез блоковата схема на единичен ключ (Single Load Switch) на фиг. 1. В нея задължителните блокове са показани с плътна линия, а тези с прекъсната линия присъстват само в част от IPS. Също задължителни са изводите за входното напрежение VIN, за напрежението VOUT на захранвания товар LOAD, масата GND на двете напрежения и входът EN (от Enable), двете стойности на чието постоянно напрежение са за включване и изключване (ON/OFF Control) на IPS. При включване чрез по-голямата стойност се ползва означението EN и наименованието Active High на извода, а чрез по-малката стойност – съответно EN (горна черта) и Active Low.

 

Ключът LS (от Load Switch) е NMOS или PMOS транзистор с дрейн и сорс, свързани между VIN и VOUT, което определя наименованието незамасен ключ (High Side Switch). Това са най-широко използваните IPS. Основното предимство на NMOS е възможността за получаване на по-малко негово съпротивление RDSon във включено състояние, съответно ползване на IPS за по-големи стойности на максималния ток дрейн-сорс IDS на транзистора и за работа с по-малки VIN. От своя страна, IPS с PMOS имат по-проста схема на управляващия блок CL (Control Logic) и по-малка постояннотокова консумация, което е предимство при ползването им най-вече в устройства с малка и рядко сменяна батерия.

Изходът PG (Power Good) на CL дава индикация за наличието на напрежение VOUT и чрез свързването му към EN на друг IPS се осигурява задействането им един след друг (Load Sequencing). Блокът RCB (от Reverse Current Blocking) не позволява протичане на ток от изхода към входа при нулиране на VIN и налично VOUT поради заредения CLOAD или входен капацитет на захранваното устройство. Тъй като COUT се поставя за намаляване на евентуални пулсации в VOUT, се препоръчва капацитетът му да е най-малко 0,1CIN. При липса на кондензатора CIN с подаване на VIN се получава импулсен ток (Inrush Current) в изхода, чиито значителни стойности могат да доведат до нежелано краткотрайно намаляване на VIN. Чрез кондензатора това се ограничава и дори може да се избегне, като се препоръчва негов капацитет около 1μF и поставянето му непосредствено до извода за VIN. При изключване на IPS кондензаторът COUT остава зареден, което се избягва чрез поставяне на блок за бърз разряд QOD (от Quick Output Discharge), реализиран чрез MOS транзистор или резистор. Друга особеност е започващото зареждане на COUT при включване на IPS, което става със скорост на нарастване правопропорционална на капацитета му – за често срещаните случаи на значителни нейни стойности трябва да се ползват IPS с блок за намаляването й (Slew Rate Control). И накрая блокът TSD (от Thermal Shutdown), означаван и като Over Temperature Protection (OTP), е за изключване на IPS при негова вътрешна температура над определена стойност и възстановяване на действието му при намаляването й под друга стойност.

Сред основните постояннотокови параметри на нисковолтовите IPS са VIN и IDS, който е и ток на захранваното устройство. В част от IPS той може да се задава чрез външен резистор, което се отбелязва като Programmable Current Limit (PCL). Параметър е и споменатото RDSon, което нараства с температурата и с намаляване на VIN. Затова в техническата документация на прибора се дава семейство графики RDSon(t°) за различни VIN заедно с неговите стойности при няколко температури (в таблици 1-3 то е при 25°С). Други постояннотокови параметри са максималната разсейвана върху LS мощност PDmax=IDS2xRDSon, която реално е тази на целия IPS, консумираният от IPS ток (Quiescent Current) IQ и напрежението VЕN на извод EN за включване на IPS. От променливотоковите параметри могат да бъдат отбелязани времето за включване (Total Turn-On Time) tON и максимално допустимият капацитет на CLOAD. Аналогичното време на изключване (Output Turn-Off Time, OFF Delay Time) tOFF e поне няколко пъти по-малко от tON.

В табл. 1 са дадени примери за класически нисковолтови IPS с незамасен LS, представени (с две изключения) след януари 2016 г. Колона 4 отразява допълнителните им възможности, като освен споменатите съкращения са добавени познатото от множество електронни устройства изключване при VIN под определена стойност UVLO, защита от недопустимо голям IOUT (Overcurrent Protection) OCP и от голямо VIN (Overvoltage Protection) OVP. Ползва се и разновидност на последната за защита от отскоци на VIN (Transient Voltage Protection) TVS. Към това понякога се прибавят задаване стойността на tON (Soft-Start) SS чрез външен кондензатор (редове 5-7 и 13 на табл. 1), на IDS чрез външен резистор (редове 5, 6, 8 и 13) и на времето на QOD също чрез външен резистор (ред 10).

Високоволтови IPS. Минималната стойност на тяхното VIN е над 3,6 V и в някои каталози те се означават като High Input Voltage IPS. Блоковата им схема не се различава от дадената на фиг.1, а значението на основните параметри е както на нисковолтовите IPS. По-голямото VIN определя спецификата на приложенията, основните от които са комуникационни системи, драйвери за електродвигатели, автомобилни измервателни уреди, индустриални системи за управление, системи за сградна автоматизация, LED осветление и др.

В табл. 2 са показани основните параметри на IPS с незамасен LS, като дадените на редове 1, 2, 4 и 5 позволяват задаване на IDS чрез външен резистор съответно между 1 и 5 А, 0,5 и 5 А, 0,5 и 6 А и от 0,75 до 3,5 А. Същевременно този на ред 2 може да се ползва и в автомобили, тъй като е в съответствие с АЕC-Q100. Ключът на ред 3 има специфичен извод за регистриране на задействаните защити, една от които е при късо съединение на изхода (Short Circuit Protection) SCP. Специфична защита от отрицателни отскоци на VOUT при индуктивен характер на товара е въведена в IPS на ред 4, който има и изход за индикация на няколко недопустими режима на работа. Ключът на ред 5 не се нуждае от COUT.

Специфични разновидности на IPS. Първата са двуканалните ключове (Dual-Channel Load Switch) с две VOUT, получавани от отделни VIN и със собствени EN. Очевидното им предназначение е намаляване на размерите на устройства, изискващи две или повече захранващи напрежения, например преносими прибори за безжични връзки. Ключът SKG59M1639V на Dialog Semiconductor (Silego) е с еднакви VIN между 1,5 и 5 V, всяко от които осигурява IDS=2 A. Той съдържа RCB и UVLO, работи с TA=-40÷+85°С и е с размери 1,6x1x0,55 mm. За VIN=0,5-5,5 V е MP5090 на Monolithic Power Systems c IDS=2 A на единия си изход и 3 А на другия, със защити OCP, RCB, TPS и UVLO и с SS. Двата изхода могат да се свързват успоредно за увеличаване на тока, температурният обхват е TJ=-40÷+125°С при размери 2x1x0,75 mm.

Втората разновидност са двупосочните ключове (Bidirectional Power Switch) BPS, които позволяват протичане на ток в двете посоки между изводите VIN и VOUT и имат очевидно приложение в захранвани от акумулатори устройства. Една от възможностите за реализацията им е чрез две еднакви интегрални схеми с последователно свързани мощни MOS транзистори (фиг. 2а). За протичане на ток от S1 към S2 се включва десният транзистор и се ползва диодът успоредно на левия. Аналогично е действието за ток в обратна посока – през левия транзистор и диода на десния. Например такъв BPS може да се реализира с две SLG59M1558V на Dialog Semiconductor (VIN=1,5-5,5 V, IDS=1 A). Другата възможност е една интегрална схема на BPS с мощен MOS транзистор според фиг. 2б. Такива са МАХ14634 на Maxim Integrated за VIN=2,3-5,5 V, IDS=7 A, TA= -40÷+85°С при размери 1,68x1,3x0,45 mm и SiP32102 на Vishay Siliconix със същите VIN, IDS и TA.


 

Ключове с галванично разделяне (Off-Line Switcher). Предназначени са за реализация на схеми с VOUT до няколко десетки волта, захранвани от електрическата мрежа и обикновено предлагани в две разновидности – за напрежение 230 V ±15% и за 85-265 V. Принципът на реализацията им е както на ключовите стабилизатори (SMPS) с галванично разделяне, чието постоянно входно напрежение се получава от мрежовото чрез мостов токоизправител. Ключовете реално представляват контролери и поради големите стойности на мрежовото напрежение съдържат високоволтов MOS транзистор с максимално VDS между 650 V и 900 V. Основният им производител е Power Integrations, предлагащ 15 серии, всяка с не по-малко от 4 модела.

Съществуват два типа ключове, първият от които осигурява само VOUT (Constant-Voltage Switcher, CV-Switcher) с приложения за реализация на ключови стабилизатори, битови и домакински прибори, електроинструменти, захранвания на индустриални системи и измервателни уреди. Същността на свързването на този тип се вижда от фиг. 3, като стойността на VOUT зависи от преводното отношение на трансформатора, а мощността на ключа PDmax определя максималния ток IOUTmax=PDmax/VOUT на захранвания товар. Нейните типични стойности са между 4 и 60 W и рядко малко над 100 W. Изводи D и S са дрейнът и сорсът на високоволтовия транзистор, а FB е неговият гейт с пропорционално на VOUT напрежение, подавано чрез оптрон. Извод BP/M е с няколко функции – осигуряване заедно със свързания към него кондензатор на постоянното захранващо напрежение на контролера и активиране на вградените защити. Контролерът LNK3696P от серията LinkSwitch-XT2 е с 900-волтов транзистор, има PDmax=8 W, TJ=-40÷+150°С и размери 4х3,9х1,5 mm. Други серии от същия тип са LNK623-626 с PDmax=5-8,5 W, LinkSwitch-HP с 21 модела и мощности 15-111 W и LinkSwich-LP с 3 модела при мощности 1,9-3 W.

 

Вторият тип (CV/CC Switcher) има режими за осигуряване на неизменно VOUT и на неизменен IOUT с приложения в зарядните устройства на акумулаторите на преносими прибори вкл. зареждане чрез USB. Към това се прибавят захранване на светодиодни лампи и на прибори в интелигентни токозахранващи мрежи (Smart Grid), индустриални системи и измервателни прибори. От съществените предимства на типа ще бъде отбелязано наличието на синхронен токоизправител с MOS транзистор (вместо диода и кондензатора на фиг. 3) намаляващ разсейваната мощност. Примери са сериите InnoSwitch3-CE със 7 модела, мощности между 10 и 55 W, TA=-40÷+105°С и размери 10,8х9,4х1,5 mm и InnoSwich-3 Pro със задаване на VOUT и IOUT чрез интерфейса I2C. Полезно е да се има предвид, че в документацията на всички модели от двата типа се дават схеми на приложение, придружени в повечето случаи с примерна печатна платка.

 

Интелигентни мощни ключове

Ползваният за различи електронни схеми и устройства термин “интелигентен” при мощните ключове (Smart Power Switch) SPS означава добавяне към класическите IPS на блокове за защита, възможност за задаване на един или повече от параметрите чрез външни елементи и диагностика на работата. Няма точно определение кога един ключ може да бъде смятан за SPS, а това зависи от производителя. Не са редки случаите класически IPS да бъде означаван като SPS, както и такива с допълнителни блокове и/или възможности да се наричат класически. Например ключът на ред 3 в табл. 2 е означен като SPS в общото описание на фирмените мощни ключове и като IPS в каталога му. Всичко това налага внимателно проучване на документацията при избора на подходящ ключ за разработвано устройство.

Пример за структурата на SPS е даден на фиг. 4 с наименование замасен ключ (Low-Side Switch) поради свързването към маса на единия извод на LS. Тази разновидност е по-рядко ползвана в сравнение с ключовете с незамасен LS. Освен ползваните в класическите IPS защити OCP, ОVР, SCP и TSD на фиг. 4 присъства блок за защита от електростатични разряди (ESD Protection) на VIN и Status Feedback, на чийто изход Status се получава високо логическо ниво при нормална температура във вътрешността на SPS и ниско при надхвърляне на максимално допустимата й стойност. Изводът обикновено се свързва към микроконтролера на устройството, съдържащо SPS. В тези ключове се ползват и познатите от IPS блокове RCB, QOD, UVLO и SS. Освен това SCP регистрира късо съединение на VOUT към VIN и към маса, а част от SPS регистрират липса на свързано към изхода OUT устройство (Open Load) OLP. Някои от блоковете за защита са с подобрено функциониране в сравнение с класическите IPS.



Логично, SPS имат приложенията на класическите IPS, към които се прибавя осигуряване на захранване не само на резистивни товари, но и на индуктивни и капацитивни (редове 2, 3 и 6 в табл. 3), замяна на електромеханични релета и предпазители, захранвания на високочестотни мощни усилватели (RF LNA), на ADAS системи в автомобили.

В табл. 3 са събрани основните параметри на SPS, като в колона 6 е даваната в част от SPS скорост на нарастване (Output Slew Rate) SR на VOUT, чиято стойност по принцип е правопропорционална на VIN. Всеки от каналите на двойния ключ на ред 3 има дадения в таблицата IDS, два входа и един изход за диагностика, свързвани към микроконтролер. Също двоен е SPS на ред 4 с възможност за успоредно свързване на двата му изхода. Сред малкото четворни SPS е този на ред 6 с ОСР на всеки от каналите, задаване на IDS чрез резистор и два изхода за диагностика. В съответствие с AEC-Q100 е двойният SPS на ред 7 със задаване на прага на задействане на ОСР на всеки от каналите между 14 А и 70 А и управление от микроконтролер. Последното позволява работа на SPS като мощен мултиплексор. Стойностите на IDS на SPS на ред 8 се задават чрез резистор в дадените в колона 5 граници, а SPS на ред 9 е двупосочен.

Мощни мултиплексори и демултиплексори

Принципът на действие на мощните мултиплексори (Power Multiplexer, Power MUX) е аналогичен на тези за аналогови и цифрови сигнали, а различията са в ползването на мощни MOS транзистори и защити, както при класическите IPS. Входовете обикновено са два с еднакъв (редове 2 и 3 на табл. 4) или различен (ред 1) обхват на напреженията им VIN. Същото е и значението на основните параметри, към които се прибавя времето за превключване на VIN от единия към другия вход (Break Before Make Time) tBBM. Типичните приложения са в преносими прибори, за осигуряване на захранващите напрежения в различни режими на работа на устройства, вкл. получаваните от две батерии, задействане на желано устройство в компютърни и комуникационни системи чрез подаване на захранващо напрежение, в системи за сградна автоматизация и охрана. Мултиплексорът на ред 1 в табл. 4 е двупосочен, този на ред 2 има изход за индикация кой канал е включен и токът на неговата ОСР се задава между 1,5 и 4,5 А чрез резистор.

Подобна е аналогията на мощните демултиплексори с ползваните за сигнали демултиплексори, като няма международно приети термини (те зависят от производителя). Така например Infineon Technologies ги нарича Multichannel Switch (даденият на ред 6 в табл. 4) и Power Controller (редове 4 и 5). Изходите на демултиплексорите обикновено са между 4 и 10 и са разделени на няколко групи, всяка с различни IDS и RDSon. Дадените на редове 4-6 от табл. 4 са с вграден интерфейс SPI и управление с микроконтролер, а основното им предназначение е избор на желан вход и обмен на данни.

Демултиплексорите на редове 4 и 5 са предназначени за работа с резистивни, индуктивни и капацитивни товари, могат да заместват електромеханични релета и предпазители. Освен това даденият на ред 4 се препоръчва и за захранване на светодиодни лампи, като параметрите му отговарят на AEC Q100 grade 1. Демултиплексорът на ред 6 е със замасени ключове, също е в съответствие с AEC и се препоръчва за захранване на резистивни товари, електромеханични релета и соленоиди, вграждани в автомобили и индустриални системи.

 

Мощни ключове за USB

Възможността за осигуряване на постояннотоково захранване на устройства, обменящи данни чрез USB, налага ползването на подходящи мощни ключове. Те се предлагат в 3 основни разновидности, първата от които е с популярното английско наименование Power Distribution Switch. Реализира се с интегрални схеми, които могат да се ползват и в устройства без USB. Основните параметри на схемите са както на класическите IPS, а примери са дадените на редове 1 и 4-6 в табл. 5. Ключът на ред 1 притежава отскоро съществуващата възможност за бърза смяна на режимите доставяне и консумиране на мощност (Fast Role Swap Function) и съответно избягване на загубата на част от обменяните данни. Токът на задействане на SCP се задава между 0,5 и 2,1 А чрез резистор. Важното за ключовете минимално време на задействане на SCP е успешно реализирано в този на ред 6 чрез стойност от 2 μs.

Утвърдилата се вече нужда от ползване на USB за зареждане на акумулаторите на преносими устройства, вкл. хъбове, доведе до създаването на втората разновидност на мощните ключове със специфичната особеност наличие на два извода за VOUT, позволяващи свързването на акумулатор. Първият пример е двойният ключ от ред 2 в табл. 5, предвиден за зареждане в съответствие с нормите на ВС 1.2. Той има отделни входове EN за всяко VOUT, а действието му се управлява с интерфейсите SMBus 2.0 и I2C. Чрез тях могат да се задават 8 стойности на IDS между 0,53 и 3 А, а при самостоятелен режим на работа (Stand-alone mode) токът се задава в същите граници чрез резистор. Ключът на ред 3 е предназначен за USB PD и устройства с конектор Type-C, а параметрите му са в съответствие с AEC Q100-01. Стойността на тока за задействане на ОСР се задава между 0,4 и 3,3 А чрез резистор.

Третата разновидност са специализираните контролери с вграден мощен ключ, какъвто е TPS65988 на Texas Instruments. Той осигурява захранване в съответствие с USB PD 3.0 и ВС 1.2 и е предвиден за устройства с Type-C конектор. Ползва двупосочни ключове за двата си изхода, всеки от които е с VIN между 5 и 20 V и IDS=5 A, като управлението се осигурява чрез I2C и GPIO.

 



Top