Zintegrowane układy dystrybucji zasilania, czyli dlaczego scalony przełącznik zasilania jest lepszy?

Rys. 1. Schemat blokowy typowego przełącznika elektronicznego

Najbardziej podstawowy układ przełącznika elektronicznego ma cztery końcówki - wejście napięcia zasilającego, wejście sterujące, wyjście mocy oraz masę. Dla zrozumienia specyfikacji przełącznika pomocny będzie schemat blokowy jego typowej architektury pokazany na rysunku 1. Podstawowe pięć bloków to:

1. Tranzystor MOSFET - najważniejszy element układu przełącznika, decydujący o maksymalnych wartościach napięcia wejściowego oraz prądu obciążenia. Rezystancja przejściowa przełącznika w stanie włączenia wynika z charakterystyk użytego tranzystora. Może to być MOSFET z kanałem typu N lub P, co ma wpływ na architekturę układu.
2. Sterownik bramki - w sposób kontrolowany ładuje i rozładowuje bramkę MOSFET-a, dzięki czemu możliwy jest wpływ na czas włączania przełącznika.
3. Układ logiki sterowanej sygnałem zewnętrznym. Kontroluje on włączanie i wyłączanie tranzystora MOSFET, a także pozostałych bloków, takich jak układ rozładowania wyjścia, pompa ładunkowa czy systemy zabezpieczające.
4. Pompa ładunkowa - nie jest niezbędna we wszystkich przełącznikach scalonych, lecz potrzebna w przypadkach wykorzystania tranzystora MOSFET z kanałem typu N, gdzie do jego prawidłowo załączenia potrzebne jest dodatnie napięcie bramki w stosunku do napięcia na jego źródle. Ono z kolei jest równe napięciu wyjściowemu.
5. Układ służący do szybkiego rozładowania wyjścia przełącznika po jego wyłączeniu. Można przyjąć, że jest to rezystor między wyjściem przełącznika a masą, zapobiegający "pływaniu" napięcia wyjściowego.
6. Pozostałe bloki mogą występować w przełącznikach scalonych opcjonalnie. Reprezentują one dodatkowe funkcjonalności, jak np. ogranicznik prądu wyjściowego, zabezpieczenie przed przepływem prądu wstecznego, czy wyłącznik termiczny.

Istnieje wiele topologii przełączników o różnych właściwościach i zastosowaniach. Typowo scalony przełącznik elektroniczny (Load Switch) ma zapewnić nie tylko bezpieczną dystrybucję zasilania, ale także kontrolę prądu rozruchowego, odpowiednie zależności czasowe czy mały prąd upływu w stanie spoczynku. Multipleksery (Power MUX) są podobne do przełączników elektronicznych i mogą w sposób sterowany lub automatyczny przełączać różne źródła zasilania, przy zachowaniu funkcji zabezpieczających.

Podstawowe parametry, jakie zwykle podaje się w kartach katalogowych scalonych przełączników elektronicznych, to:

• zakres napięcia wejściowego (V_IN). Jest to jedna z kluczowych specyfikacji. Układ musi wytrzymać nie tylko napięcie DC w warunkach ustalonych, ale także ewentualne przepięcia na jego wejściu.
• zakres napięcia polaryzacji (VBIAS) - może być wymagane przez niektóre układy do zasilania wewnętrznych bloków przełącznika elektronicznego. VBIAS jest niezależne od napięcia V_IN.
• maksymalna wartość prądu przy ciągłym obciążeniu (IMAX).
• rezystancja włączenia (R_ON) - mierzona od wejścia V_IN do wyjścia V_OUT, uwzględniająca rezystancję doprowadzeń w budowie oraz samego tranzystora MOSFET. Parametr ten jest szczególnie ważny, jako że determinuje spadek napięcia na przełączniku i rozpraszaną w nim moc. Czym większa wartość rezystancji R_ON, tym większy spadek napięcia i tym samym większe straty.
• prąd spoczynkowy (IQ) - jest niezbędny do zasilania wewnętrznych bloków. Jest to prąd pobierany przez wejście V_IN bez jakiegokolwiek obciążenia na wyjściu V_OUT. Jego wartość ma wpływ na całkowite straty mocy w przełączniku elektronicznym. Dla dostatecznie dużych prądów obciążenia straty spowodowane prądem spoczynkowym są pomijalne.
• prąd odłączenia (shutdown current ISD) - jest pobierany przez wejście V_IN w stanie wyłączenia przełącznika, determinujący pobór mocy w takim stanie. Z uwagi na bardzo małą wartość pozwala na znaczne ograniczenie poboru mocy przez system w stanie uśpienia jego bloków.
• prąd upływu wejścia sterującego (ION) - jest to prąd pobierany przez wejście ON.
• rezystancja zwarcia wyjścia (pull-down resistance RPD) - mierzona od wyjścia V_OUT do masy w stanie wyłączenia przełącznika.
• czas narastania napięcia na wyjściu (tR) - może być krótszy lub dłuższy w zależności od aplikacji. Prąd rozruchowy zależy odwrotnie proporcjonalnie od czasu narastania. Wiedza o dopuszczalnej wartości tego prądu oraz o wartości pojemności obciążenia jest istotna na etapie wyboru układu scalonego przełącznika.

Kiedy jest potrzebny przełącznik zintegrowany?

Rys. 2. Przykładowy schemat dystrybucji zasilania

Potrzeba dystrybucji zasilania występuje w wielu systemach elektronicznych. Zamiast kilku przetwornic DC/DC czy stabilizatorów liniowych (LDO), do niezależnego włączania podsystemów można zastosować przełączniki elektroniczne (PE) jak na rysunku 2. W niektórych systemach, szczególnie tych procesorowych, wymagana jest ścisła zależność czasowa dołączania poszczególnych szyn napięć zasilających.

W przypadku użycia przełącznika elektronicznego można to osiągnąć w stosunkowo prosty sposób poprzez wykorzystanie do ich sterowania linii GPIO lub interfejsów, np. I²C. Umożliwia to niezależne dołączanie obciążenia, ale także swobodę umieszczenia przełącznika bezpośrednio przy każdym obciążeniu.

W wielu urządzeniach niektóre podsystemy używane są tylko w określonych trybach pracy, a w pozostałych niepotrzebnie zużywają energię. Niektóre przetwornice DC/DC czy regulatory LDO mają możliwość uśpienia (disable, standby), lecz nawet w takim przypadku ich prąd spoczynkowy może być stosunkowo duży. Użycie przełącznika elektronicznego może ograniczyć wartość prądu upływu do bardzo małych wartości, a przez to zmniejszyć całościowe zużycie energii, co jest szczególnie istotne w urządzeniach zasilanych z baterii lub akumulatorów.

W momencie dołączania podsystemu do zasilania może pojawić się chwilowy spadek wartość napięcia w wyniku dużego prądu ładującego pojemność obciążenia. Może to prowadzić do problemów, jeśli np. to samo napięcie zasila inne podsystemy (rys. 3). Przełącznik elektroniczny z możliwością kontroli szybkości narastania napięcia wyjściowego rozwiązuje ten problem (rys. 4).

Rys. 3. Prąd rozruchowy i spadek napięcia zasilania

Wartość prądu rozruchowego zależy od całkowitej pojemności na wyjściu V_OUT oraz od szybkości narastania napięcia na wyjściu V_OUT. Ważny jest odpowiedni dobór czasu narastania, aby nie przekroczyć maksymalnie dopuszczalnych dla układu wartości prądów. Niektóre układy scalone są wyposażone w dodatkowe doprowadzenie w celu programowania czasu narastania poprzez dołączenie zewnętrznego kondensatora.

Większość scalonych przetwornic i stabilizatorów liniowych nie zawiera układów do szybkiego rozładowania wyjścia po ich wyłączeniu. Może to prowadzić do niepożądanego zachowania się zasilanego układu w wyniku niekontrolowanego przebiegu czasowego zanikania napięcia. Użycie odpowiedniego przełącznika scalonego może pomóc w rozwiązaniu tego problemu.

Jak to pokazano na rysunku 5, odłączenie zasilania będzie przebiegało odpowiednio szybko i w taki sposób, aby doprowadzić do pożądanego stanu w chwili ponownego włączenia zasilania. Eliminuje to nieokreślone, pływające napięcia na obciążeniu. Dodatkowo mamy pewność, że układ obciążający pozostanie całkowicie odłączony.

Rys. 4. Efekt kontroli szybkości narastania napięcia wyjściowego

W wielu zastosowaniach wymagana jest bezpieczna reakcja systemu na odstępstwa od prawidłowego działania. Można budować złożone układy zabezpieczeń na układach dyskretnych, lecz wiele ze scalonych przełączników ma je już wbudowane. Pierwszym z takich zabezpieczeń jest ogranicznik prądu obciążenia. Gdyby ograniczenia nadmiernego prądu nie było, układ zasilany przez taki przełącznik mógłby doprowadzić do unieruchomienia całego systemu. W trybie ograniczenia prądu przełącznik elektroniczny działa jako źródło prądowe aż do momentu ustąpienia przyczyny zbyt dużego poboru prądu.

Innym zabezpieczeniem jest ochrona przed przepływem prądu wstecznego. W razie jego braku prąd może przepłynąć z wyjścia V_OUT do wejścia V_IN, jeśli tylko napięcia na wyjściu V_OUT będzie większe od V_IN plus napięcie spadku na diodzie podłożowej MOSFET-a. Blokada prądu wstecznego w przypadku zasilania urządzenia z dwóch (lub więcej) źródeł zasilania często może być wymagana, a nawet niezbędna.

Rys. 5. Kontrolowany przebiegu czasowy wyłączania przełącznika elektronicznego (PE)

Jest wiele metod ochrony przed przepływem prądu wstecznego. Jedna z nich to monitorowanie poziomów napięć V_IN i V_OUT. Jeśli różnica napięć przekroczy określoną wartość, to dioda podłożowa jest blokowana, aby uniemożliwić przepływ jakiegokolwiek prądu. W niektórych układach scalonych blokada prądu wstecznego działa tylko wtedy, gdy jest on zasilany.

Blokada niskonapięciowa (undervoltage lock-out UVLO) jest stosowana do wyłączenia układu, jeśli napięcie na wejściu V_IN spadnie poniżej określonego progu, zabezpieczając w ten sposób system przed uszkodzeniem lub nieprawidłowym działaniem w wyniku zasilania zbyt niskim napięciem.

Z kolei zabezpieczenie termiczne dezaktywuje przełącznik elektroniczny, jeśli jego temperatura osiągnie określoną wartość progową. Przełącznik z taką funkcją może stanowić bezpiecznik bezpieczeństwa przed przegrzaniem całego lub części systemu.

Histereza napięciowa wejścia ON zwiększa jego odporność na szumy i zakłócenia sygnału sterującego z GPIO, jak to pokazano na rysunku 6.

Wybór układu i wytyczne konstrukcyjne

Rys. 6. Efekt działania histerezy wejścia sterującego ON

NMOS czy PMOS? Tranzystor MOSFET z kanałem N jest włączony, gdy napięcie jego bramki jest wyższe niż źródła. Zwykle to ostatnie jest takie samo jak końcówka V_IN. Aby wytworzyć odpowiednio duże napięcie bramki, wymagane jest zastosowanie pompy ładunkowej, co wpływa na zwiększenie wartości prądu spoczynkowego takiego układu. W przypadku tranzystora z kanałem P jest on włączony, gdy napięcie jego bramki jest niższe niż źródła. Architektura przełącznika elektronicznego z takim MOSFET-em nie wymaga pompy ładunkowej, w wyniku czego wartość jego prądu spoczynkowego może być mniejsza.

Inną znaczącą różnicą jest fakt, że architektura przełącznika z tranzystorem MOSFET z kanałem P nie zachowuje się zbyt dobrze dla niższych napięć zasilających, w odróżnieniu od architektury z NMOS-em.

Na wejściu przełącznika elektronicznego należy umieścić kondensator, aby zminimalizować spadek napięcia wejściowego V_IN wynikającego z prądu rozruchowego. Rekomendowana jest pojemności o wartości 1 μF, dołączona możliwie blisko między wejściem V_IN a masą. Większa wartość pojemności zmniejsza ten spadek, lecz nie jest wymagana do prawidłowej pracy.

Jeśli przełącznik elektroniczny nie jest wyposażony w ochronę przed przepływem prądu wstecznego, to całkowita pojemność między V_OUT a masą może spowodować, że po odłączeniu zasilania V_IN napięcie wyjściowe V_OUT może być większe niż na wejściu, a więc pojawi się przepływ prądu przez diodę podłożową MOSFET-a. Aby tego uniknąć, jest rekomendowane (choć niewymagane) zachowanie stosunku 10:1 między pojemnością widzianą z wejścia a pojemnością obciążenia.

Scalone przełączniki elektroniczne występują w obudowach o rozmaitych kształtach i wymiarach. Dobór obudowy jest bardzo istotny i zależy od aplikacji oraz możliwości technologicznych. Na przykład układy o odstępie wyprowadzeń 0,4 mm mogą być wymagane w urządzeniach, gdzie miejsce na płytce jest krytyczne, a niewskazane przy optymalizacji kosztu montażu.

Wybrane scalone przełączniki elektroniczne dostępne na rynku

Przełączniki niskonapięciowe

Rys. 7. Schemat funkcjonalny RT9703

Najczęściej stosowane napięcia zasilania we współczesnej elektronice to 5 V i mniej, stąd przełączniki dla takich napięć dominują i znajdują się w ofercie wielu producentów układów scalonych.

Przedstawiciel tej grupy to układ firmy Richtek RT9703, którego schemat funkcjonalny znajduje się na rysunku 7. W stosunku do bazowego schematu z rysunku 1 przybyło wyjście z otwartym drenem FLG, aktywne, gdy napięcie V_OUT < V_IN-1 V, przekroczono limit prądu albo maksymalną dopuszczalną wartość temperatury.

Zastosowany główny N-MOSFET nie ma diody podłożowej, a jego rezystancja w stanie włączenia to 80 mΩ. Limit prądu (do 3,5 A) jest programowany rezystorem dołączonym do wejścia IP. Wartość prądu spoczynkowego to 30 μA, a prądu w stanie wyłączenia 1 μA, a więc układ ten nadaje się do sprzętu bateryjnego.

Rys. 8. Schemat blokowy TPS22918

Układ TPS22918 firmy Texas Instruments (rys. 8) pracuje w szerokim zakresie napięć wejściowych 1-5 V przy prądzie maksymalnym 2 A. Prąd spoczynkowy typowo to 8,2 μA, R_ON=52 mΩ. Czas narastania napięcia V_OUT ustawia się za pomocą pojemności dołączanej od wyprowadzenia CT.

Jest możliwość wykorzystania funkcji szybkiego rozładowania wyjścia przełącznika poprzez zwarcie (bezpośrednio lub przez rezystor) wyjścia QOD i V_OUT.

W ofercie tej samej firmy znajdują się także przełączniki na wyższe napięcia zasilania, których na rynku jest znacznie mniej niż niskonapięciowych. TPS22810 pracuje aż do V_IN 18 V, przy R_ON=79 mΩ i prądzie maksymalnym do 3 A.

Schemat funkcjonalny jest podobny do tego na rysunku 8. Czas narastania napięcia V_OUT ustawia się za pomocą pojemności zewnętrznej oraz także jest możliwość szybkiego rozładowania wyjścia.

Przełączniki i kontrolery portu USB

Rys. 9. Schemat blokowy AP2501

Przełącznik jest ważną częścią kontrolerów portów ładowania USB, które nie będą tu w szczegółach omawiane. Niektóre z układów do USB nie korzystają z sygnatur na wejściach D+/D-, a więc mogą być używane w innych zastosowaniach niskonapięciowych. Układ scalony AP2501 firmy Diodes Inc. (rys. 9) ma szybki ogranicznik prądu wyjściowego ustawiony na 3,7 A, R_ON=70 mΩ, wbudowany układ soft startu, wyjście FLG, wyłącznik termiczny oraz możliwość szybkiego rozładowania wyjścia.

Multipleksery zasilania

Rys. 10. Schemat blokowy LTC4413

Układy takie (Power MUX) mają za zadanie zapewnić płynne przełączenie między różnymi źródłami zasilania. W przypadku zaniku głównego napięcia zasilania multiplekser pozwala systemowi przełączyć się na źródło zapasowe, jak np. akumulator. Multipleksery mogą przełączać zasilania w sposób sterowany (zewnętrzne sygnały GPIO) lub automatycznie (gdy układ sam wykrywa spadek napięcie na jednym z wejść).

Dobrym przykładem jest tu LTC4413 z Linear Technology (aktualnie część Analog Devices). Oba kanały mają tranzystory MOSFET z kanałem typu P o rezystancji rzędu 100 mΩ, jego maksymalny prąd to 2,6 A przy napięciach wejściowych INA/INB od 2,5 do 5,5 V. Jeśli oba wejścia sterujące ENBA/ENBB będą dołączone do masy, to multiplekser staje się w pełni automatyczny, czyli w praktyce są to dwie diody idealne. Mogą być połączone zarówno katodami (OUTA/OUTB), jak i anodami (INA/INB).

Przełączniki HS (High Side Switches)

Rys. 11. Schemat aplikacyjny układu VN7020AJ

Oddzielną grupę stanowią inteligentne przełączniki HS, przeznaczone głównie do dołączania zasilania do obciążeń rezystancyjnych, indukcyjnych lub pojemnościowych (jak lampy, grzejniki, przekaźniki itp.). Równie dobrze mogą znaleźć zastosowanie do dystrybucji zasilania, szczególnie w układach dużej mocy w aplikacjach komunikacyjnych lub przemysłowych.

Rodzina układów z STMicroelectronics VNx00xx składa się z szeregu jedno-, dwu- i czterokanałowych przełączników HS o rezystancji włączenia MOSFET-a od 3,5 do 50 mΩ. Schemat aplikacyjny układu VN7020AJ jest na rysunku 11. Napięcie pracy V_CC mieści się w zakresie 4-28 V, lecz układ wytrzymuje chwilowe przepięcia do 40 V. Przy R_ON= 20 mΩ limit prądu wyjściowego to 63 A.

W stanie wyłączenia (standby, input=0) pobiera tylko 0,5 μA. Multipleksowane wyjście analogowe (multisense) umożliwia odczyt w celach diagnostycznych wartości napięcia proporcjonalnego do prądu obciążenia, napięcia wejściowego lub temperatury oraz dodatkowo detekcję zwarcia wyjścia do masy albo V_CC, lub jego rozwarcia. Opcjonalne elementy R_GND i D_GND służą do zabezpieczenia obciążenie przed odwrotną polaryzacją napięcia wejściowego (jak np. nieprawidłowe podłączenie akumulatora w pojeździe).

Bezpieczniki elektroniczne eFuse

Rys. 12. Schemat aplikacyjny układu MPH5016H

Bezpieczniki eFuse mają za zadanie zabezpieczyć układ zasilający i zasilany na wypadek uszkodzenia lub nienormalnej pracy obciążenia, którym może być również system elektroniczny lub jego część. Zastępują tradycyjne bezpieczniki, gdzie wymagana jest fizyczna interwencja oraz bezpieczniki termiczne, które w wielu zastosowaniach są zbyt wolne.

Bezpieczniki elektroniczne, jak na przykład pokazany na rysunku 12 MP5016H firmy MPS, chronią nie tylko przed zwarciem lub przeciążeniem, ale także przed przepięciami na wejściu V_IN lub wyjściu V_OUT. Zakres napięcia wejściowego to 2,7-22 V, wartość ograniczenia prądu wyjściowego ustawiana jest rezystorem na doprowadzeniu ILIMIT, a szybkość narastania napięcia - na doprowadzeniu DV/DT. Opcjonalny tranzystor M1 służy do zabezpieczenie przed przepływem prądu wstecznego z wyjścia V_OUT na wejście V_IN.

Podsumowując - stosowanie zintegrowanych przełączników elektronicznych to skuteczny sposób rozwiązywania problemów konstrukcyjnych, zmniejszenia poboru mocy, liczby komponentów, powierzchni płytki PCB, a także całkowitego kosztu projektu.

Mirosław Sadowski