IPS, czyli jak bezpiecznie załączyć zasilanie
| TechnikaZałączanie zasilania do odbiornika mocy za pośrednictwem mikrokontrolera lub innego sygnału małej mocy to jedno z najbardziej typowych zagadnień konstrukcyjnych zaliczane do kanonu projektowania układów elektronicznych. Jest to jednocześnie zadanie pozornie łatwe i często lekceważone z uwagi właśnie na pozorną prostotę. Warto zatem zapoznać się z możliwościami, jakie ma w tym obszarze przemysł półprzewodnikowy.
Załączenie zasilania silnika, grzałki, oświetlenia, elektromagnesu, pompy, zaworu itp. za pomocą sygnału logicznego dostępnego np. na wyjściu MCU wymaga dodania przekaźnika: elektromagnetycznego lub częściej półprzewodnikowego. W tym drugim przypadku jest to po prostu tranzystor mocy wraz z układem drivera, który połączony jest szeregowo z zasilaniem. Z uwagi na prostotę zwykle jest to MOSFET z kanałem N, który załącza do odbiornika ujemny biegun zasilania, tj. masę. Gdy odbiorników jest więcej, punktem wspólnym zasilania jest dla nich plus zasilania, a drugi koniec (minus) jest dołączany za pomocą kolejnych przełączników. Taka aplikacja jest banalnie prosta od strony drivera, bo linię GPIO od mikrokontrolera wystarczy podłączyć do bramki tranzystora i sterowanie jest gotowe. Taki przełącznik nazywa się w nomenklaturze branżowej low side.
Sprawa znacznie się komplikuje, gdy punktem wspólnym w układzie jest masa (minus) i wymagane jest załączenie zasilania przez podanie do obciążenia plusa (tzw. układ high side). W takim przypadku użycie tranzystora z kanałem N jest już kłopotliwe, bo do jego załączenia napięcie na bramce musi być wyższe od napięcia zasilania o UGS(TH). Z kolei tranzystory z kanałem P mają większą rezystancję w stanie załączenia, a ich asortyment jest wyraźnie mniejszy. Driver sterujący takim elementem nie jest już tak prosty i początkowo banalny koncepcyjnie przełącznik zasilania zaczyna się komplikować.
Coraz więcej wymagań
Zagadnienie sterowania zasilaniem i poprawne wysterowanie tranzystora włączonego szeregowo z dodatnią szyną zasilającą jest dzisiaj zalążkiem zadań stojących przed projektantami. Okazuje się, że poza tą podstawową funkcją, konieczne jest m.in.:
- zabezpieczenie tranzystora przed przepięciami pojawiającymi się przy włączaniu obciążenia o charakterze indukcyjnym (silniki, elektromagnesy),
- ograniczenie udaru prądowego przy załączaniu obciążenia, takiego jak lampy żarowe,
- odporność na zwarcie,
- odporność na przeciążenie termiczne wywołane zbyt dużym prądem obciążenia.
Każda z takich funkcji wymaga dość istotnego rozbudowania układu przełącznika. Niemniej to nie wszystko. Aby zapewnić jakość i niezawodność działania. Konieczne są dodatkowe obwody ochronne, blokujące pracę przełącznika przy zbyt małym i zbyt dużym napięciu zasilania, zabezpieczenie przed przepięciami pojawiającymi się w linii zasilania, które są w stanie uszkodzić tranzystor mocy. Na koniec dodawane są liczne funkcje użytkowe, jak powolny start (soft start), programowalna wartość ogranicznika prądowego ustalającego maksymalną wartość prądu wyjściowego, czas opóźnienia i martwy załączenia zapobiegający powstawaniu prądu skrośnego w obwodach, gdzie są przełączniki dolne i górne, które nie mogą być aktywne w tym samym momencie.
Na koniec trzeba wspomnieć o obwodach monitorujących. Każdy stan odbiegający warunkami od normalnego powinien być sygnalizowany do hosta, przełącznik powinien wykrywać nie tylko przeciążenia, ale także uszkodzenia w okablowaniu, np. odłączenie obciążenia, przerwę w liniach zasilania dla obwodów wyjściowych itp.
W takim przypadku rozwiązanie zbudowane z elementów dyskretnych nie ma szans ekonomicznych ani technicznych w porównaniu ze specjalizowanym układem scalonym. Takie chipy ogólnie nazywa się IPS-ami (Integrated Power Switch) i zwierają one tranzystor mocy, driver oraz logikę sterującą i monitorującą.
IPS160HF
W ofercie firmy ST Microelectronics pojawił się nowy układ o takiej funkcjonalności – IPS160HF.
Zawiera on tranzystor MOSFET z kanałem P o RDS(ON)= 60 mΩ, prądzie maksymalnym 2,5 A i napięciu znamionowym UDS=65 V. Przełącznik działa w zakresie napięć zasilania 8–60 V, co pokrywa większość zastosowań w układach sterujących zasilanych napięciem 12, 24 i 48 V.
IPS160HF może załączać obciążenia o dowolnym charakterze (rezystancyjne, pojemnościowe i indukcyjne) i jest włączany w dodatnią szynę zasilania. Układ jest wytwarzany w małej płaskiej obudowie PowerSSO12 z wkładką metalową.
Uwagę zwraca krótkie opóźnienie między aktywacją wszystkich funkcji układu a włączeniem zasilania, co zmniejsza wielkość stanów nieustalonych (60 μs) oraz bogate opcje zabezpieczające: przed zwarciem, termiczne, przed odłączeniem linii masy, co mogłoby zakłócić działanie logiki sterującej. Jest blokada działania przy za małym napięciu zasilania eliminująca możliwość niekontrolowanego działania i wejścia MOSFET-a w obszar liniowy. Ponadto, aby zminimalizować straty mocy, gdy wyjście jest zwarte, w celu ograniczenia mocy wyjściowej zastosowano układ odcinający prąd wyjściowy, co minimalizuje straty mocy i przegrzewanie. IPS160HF może ograniczać wartość prądu płynącego przez tranzystor mocy za pomocą wbudowanego obwodu ograniczającego. Monitoruje on prąd wyjściowy, a gdy wartość przekroczy próg aktywacji (Ipk) zaczyna ograniczać jego wartość na poziomie ILIM. Niemniej, gdy ograniczenie prądu jest aktywne przez dłuższy czas, następuje odcięcie wyjścia dla ograniczenia strat. Czas, po jakim to się dzieje, można ustawić za pomocą kondensatora.
Stany przeciążenia, przerwy w obciążeniu i przegrzania są sygnalizowane do jednostki nadrzędnej.
Komutacja obciążenia indukcyjnego zawsze wywołuje pasożytnicze oscylacje wynikające z gromadzenia energii w polu magnetycznym, pojemności pasożytniczych itd. Oscylacje takie są źródłem przepięć, powodują fałszywą aktywację detektorów poziomu napięcia i z tego powodu układ IPS160HF ma wbudowany obwód tzw. demagnetyzacji, który maskuje wewnętrzne sygnały detektorów na krótki czas trwania oscylacji. Układ ten aktywuje się, gdy w momencie odłączenia obciążenia napięcie na wyjściu obniży się poniżej zera. Wówczas wyjście jest zwierane na krótko, dopóki cała energia resztkowego pola magnetycznego w rdzeniu nie zniknie zamieniona na ciepło, a oscylacje nie wygasną. Dzięki zwieraniu wyjścia w takiej sytuacji te drgania pasożytnicze trwają znacznie krócej i nie wywołują negatywnych skutków jak np. przepięcia o wartości na tyle dużej, że możliwe byłoby uszkodzenie tranzystora przełączającego. Układ taki nazywa się active clamp.
Podsumowanie
Atutem układów IPS jest bardzo duża funkcjonalność, wielokrotnie przewyższająca to, co można osiągnąć w układzie wykonanym z elementów dyskretnych, a liczne zabezpieczenia i obwody monitorujące zapewniają bezpieczeństwo i niezawodność.
ST Microelectronics
www.st.com
