Scalone przełączniki zasilania ułatwiają efektywne zarządzanie energią

Nadzór nad energią dostarczaną do obwodów przez szyny zasilające rozpoczyna się od układu zarządzania energią (tzw. PMICa), który włącza i wyłącza zasilanie poszczególnych odbiorników. PMIC jest również odpowiedzialny za sekwencjonowanie napięć zasilających i obsługę wielu szyn (kolejność pojawiania się napięć). Zadanie to w aspekcie układowym jest wykonywane za pomocą elektronicznego przełącznika, a więc układu komutacyjnego opartego na tranzystorze MOSFET, którego stan może być zmieniany w celu umożliwienia przepływu prądu lub zablokowania go w danym obwodzie.

Oprócz podstawowych funkcji, takich jak ograniczanie maksymalnej wartości prądu rozruchowego i ochrony przed przegrzaniem, coraz częściej wymagane jest, aby takie przełączniki zawierały dodatkowe funkcje, takie jak kontrolowane wyłączanie, szybkie rozładowywanie pojemności na wyjściu oraz blokowanie prądu wstecznego. Takie właściwości są trudne do realizacji przy użyciu komponentów dyskretnych.

Zapewnienie wielu funkcji sterująco-kontrolnych przy jednocześnie małych kosztach i zajętości miejsca na płytce w porównaniu do implementacji z użyciem elementów dyskretnych dają układy scalone zintegrowane z elementem przełączającym. Pozwalają uniknąć problemów z szynami zasilającymi, a także pomagają spełnić wiele wymagań projektowych dotyczących urządzeń mobilnych lub zasilanych bateryjnie.

W artykule omówiono właściwości przełączników zasilania, ich podstawowe funkcje, dodatkowe funkcjonalności, które sprawiają, że są one czymś więcej niż tylko stosunkowo prostymi, sterowanymi elektronicznie elementami komutującymi. Zaprezentowane zostaną trzy nowe układy tego typu z serii TCK12xBG firmy Toshiba oraz pokazane zostaną sposoby, jak są one aplikowane w celu spełnienia wymagań najnowszych projektów.

Przełączniki zasilania

Podstawowy układ przełącznika zasilania zawiera tylko cztery piny: wejście, wyjście, zezwolenie i masę (rys. 1). Logiczny sygnał sterujący ON/OFF (aktywny w stanie wysokim lub niskim w zależności od wersji) powoduje załączenie FET-a lub jego blokadę. Umożliwia to przepływ prądu z wejścia podłączonego do V_IN na wyjście V_OUT i zasilanie obciążenia.

 

Rys. 1. Przełącznik zasilania to element przepustowy oparty na tranzystorze FET, który może umożliwić/zablokować przepływ prądu stałego ze źródła do obciążenia za pomocą sygnału sterującego

W praktyce przełącznik zasilania to coś więcej niż tylko FET z logiką sterującą jego załączaniem. Zawiera również driver dla tego tranzystora, przesuwnik poziomu napięcia sterującego i kilka dodatkowych funkcji ochronnych, jak zabezpieczenie nadprądowe i blokadę prądu wstecznego, po to, aby chronić zasilany system i jego komponenty. Może również regulować szybkość narastania napięcia po załączeniu zasilania i zapewnia zabezpieczenie przed przegrzaniem.

W najprostszych rozwiązaniach jest on montowany między zasilaczem a główną (pojedynczą) szyną zasilającą w urządzeniu, aby w razie potrzeby można było włączyć zasilanie za pośrednictwem PMICa lub wprowadzić system w stan spoczynku w celu oszczędzania energii (rys. 2).

 

Rys. 2. W najprostszej aplikacji przełącznik zasilania jest sterowany przez PMIC i kontroluje przepływ prądu do obciążenia

Parametry przełączników zasilania

Przełączniki zasilania mają kilka kluczowych parametrów, z czego najważniejsze to maksymalne napięcie wejściowe i prąd wyjściowy oraz rezystancja w stanie włączenia. Inne parametry, które mogą być również krytyczne w niektórych zastosowaniach, obejmują:

• prąd spoczynkowy (IQ) – niezbędny do zasilania układu przełącznika, pobierany przy zerowym prądzie wyjściowym,
• prąd pobierany w stanie wyłączenia (czuwania) (ISD), pobierany z końcówki V_IN, gdy przełącznik jest wyłączony (zablokowany),
• prąd upływu wejścia sterującego (ION), płynący do końcówki sterującej w czasie wyłączenia (OFF).

Małe wartości prądu spoczynkowego i pobieranego w czasie zablokowania mają znaczenie w aplikacjach zasilanych bateryjnie, takich jak elektronika noszona, smartfony i aplikacje IoT, bo mają wpływ na żywotność baterii i czas pracy.

Zabezpieczenie nadprądowe

Funkcja zabezpieczenia nadprądowego realizowana przez przełącznik służy nie tylko do ochrony przed awariami, takimi jak tymczasowe lub trwałe zwarcie na wyjściu. Przydaje się również, gdy konieczne jest złagodzenie skutków chwilowego spadku napięcia wyjściowego, który pojawia się, gdy pojedyncza szyna zasila kilka odbiorników, a jedno obciążenie włącza się szybciej niż pozostałe (rys. 3). Gwałtowny wzrost poboru prądu powoduje, że napięcie chwilowo spada poniżej wartości nominalnej i dopiero po chwili powraca do stanu pierwotnego. To opóźnienie jest cechą zasilacza i jego charakterystyki przejściowej układu stabilizacji.

 

Rys. 3. Pojedynczy przełącznik zasilania może obsługiwać wiele odbiorników

Ten chwilowy spadek może spowodować, że drugie obciążenie nie uruchomi się lub będzie zachowywać się nieprawidłowo, gdyż w momencie uruchamiania zapad napięcia zakłóci jego działanie. Z tych powodów funkcja ograniczania prądu przełącznika zasilania jest użyteczna, ponieważ łagodzi spadek napięcia wyjściowego wywołany przez zwiększone zapotrzebowanie na prąd przez pierwszy odbiornik.

W wielu przypadkach konieczna jest ponadto pewność, że obciążenia dołączone do wyjścia otrzymują napięcie zasilające w określonej kolejności i z ustalonym czasem pomiędzy aktywacją każdego z nich. W takich przypadkach używa się układu PMIC sterującego wieloma przełącznikami zasilania. PMIC zarządza sekwencjonowaniem i odstępami czasowymi (rys. 4).

 

Rys. 4. Za pomocą wielu przełączników zasilania można kontrolować kolejność i moment włączania poszczególnych odbiorników, aby zagwarantować pewność działania systemu

Blokowanie prądu wstecznego

Blokowanie prądu wstecznego przełącznika zasilania zapobiega możliwości płynięcia prądu w drugą stronę, tj. z wyjścia na wejście, gdy napięcie po stronie wyjściowej staje się wyższe niż po stronie wejściowej. Może się to zdarzyć w dwóch sytuacjach. Po pierwsze, przez pomyłkę na wejściu może nastąpić odwrócenie polaryzacji napięcia, np. akumulator może zostać nieumyślnie podłączony odwrotnie lub baterie mogą zostać źle włożone do koszyka.

Druga sytuacja jest nieco mniej oczywista. Rozważmy przypadek, w którym dwa zasilacze o różnych napięciach są multipleksowane (przełączane) do obciążenia (rys. 5). Napięcie po wspólnej stronie wyjściowej może stać się większe niż napięcie po stronie wejściowej zasilacza o niższym napięciu nominalnym. W tym scenariuszu prąd może płynąć ze strony o wyższym napięciu do strony o niższym napięciu, uszkadzając zasilacz o niższym napięciu.

 

Rys. 5. Problemy z przepływem prądu wstecznego mogą wystąpić nawet wtedy, gdy przełączane zasilacze są podłączone przez własne przełączniki zasilania

Istnieją trzy sposoby radzenia sobie z prądem wstecznym:

• najprostszym sposobem jest dodanie szeregowo z wyjściem diody. Jednak spadek napięcia tym elemencie (0,6 V do 0,8 V dla standardowej krzemowej) obniża napięcie wyjściowe i wywołuje straty mocy.
• drugim sposobem jest użycie tranzystora MOSFET połączonego szeregowo z szyną zasilającą, ale jego rezystancja w stanie włączenia (RON) powoduje również spadek napięcia i straty mocy, które należy uwzględnić.
• trzecią opcją jest użycie przełącznika zasilania z funkcją blokowania prądu wstecznego, który zapewnia blokadę praktycznie bez kompromisów.

Funkcja rozładowania obwodów na wyjściu

Funkcja automatycznego rozładowania wyjścia zwiera wyjście (V_OUT i GND), gdy przełącznik jest wyłączony. Istnieje wiele korzyści z szybkiego rozładowania pojemności wyjściowych:

• wyjście nie pozostaje w stanie pływającym – zawsze ma znany potencjał.
• obwody wyjściowe są zawsze całkowicie wyłączone.

Istnieją jednak sytuacje, w których szybkie rozładowanie obwodów wyjściowych nie jest pożądane:

• jeśli wyjście przełącznika jest podłączone do akumulatora, wówczas rozładowanie wyjścia może spowodować jego rozładowanie,
• gdy dwa przełączniki zasilania są używane jako multiplekser zasilania z dwoma wejściami i jednym wyjściem (gdzie wyjścia są ze sobą połączone), szybkie rozładowanie wyjścia spowoduje straty mocy,

Dlatego w konfiguracji multipleksera źródeł energii konieczne jest wybranie przełącznika zasilania, który nie ma funkcji rozładowania wyjścia. W takim układzie potrzebny jest przełącznik z funkcją określaną "prawdziwym" blokowaniem prądu wstecznego (true reverse current blocking). Zapobiega ona przepływowi prądu wstecznego niezależnie od stanu linii sterującej.

Taki przełącznik porównuje napięcie wejściowe V_IN z wyjściowym V_OUT i zawiera obwód zabezpieczający przed przepływem wstecznym, aktywowany, gdy V_OUT>V_IN (rys. 6).

 

Rys. 6. Funkcja rzeczywistego blokowania prądu wstecznego zapobiega przepływowi prądu z wyjścia na wejście niezależnie od stanu przełącznika

Produkty ukierunkowane na aplikacje

Przełączniki zasilania nie są na rynku nowością, ale coraz częściej układy tego typu są dostosowywane do wymagań konkretnych aplikacji. Taka specjalizacja jest wyraźnie widoczna w przykładowej rodzinie przełączników TCK- 126BG, TCK127BG i TCK128BG firmy Toshiba (rys. 7).

Te trzy układy pracują z napięciem wejściowym od 1,0 do 5,5 V i obciążalnością do 1 A. Pobierają bardzo mały prąd spoczynkowy IQ, który obniżono z typowej wartości 110 nA do zaledwie 0,8 nA, czyli nieco ponad dwa rzędy wielkości. Ponadto prąd czuwania wynosi zaledwie 13 nA. Typowe wartości rezystancji w stanie włączenia to z kolei 46 mΩ przy 5,0 V, 58 mΩ przy 3,3 V, 106 mΩ przy 1,8 V i 210 mΩ przy 1,2 V.

 

Rys. 7. Schemat blokowy przełączników z serii TCK12xBG uwypukla ich funkcjonalną prostotę

 

Rys. 8. Mniejszy rozmiar obudowy przełączników TCK12xBG w porównaniu do poprzednich generacji zapewnia 34-procentową redukcję wymaganej przestrzeni na płytce drukowanej

Inne atrybuty tych przełączników zasilania wykraczają poza parametry elektryczne. Są to układy znacznie mniejsze niż inne produkty tego typu wytwarzane przez Toshibę i innych producentów w tej samej klasie napięciowo-prądowej. Przykładowe rozwiązanie zamknięte zostało w czteropinowej obudowie WCSP4G o wymiarach 0,645×0,645× 0,465 mm z rastrem 0,35 mm. Oznacza to zmniejszenie zajmowanego miejsca o 34% w porównaniu z poprzednimi przełącznikami wytwarzanymi w obudowie 0,79×0,79×0,55 mm z rastrem 0,4 mm (rys. 8).

Niewielkie wymiary zapewniają oszczędność miejsca na płytce, co ma kluczowe znaczenie w przypadku ultrakompaktowych aplikacji, takich jak elektronika noszona. Ponadto obudowa ma spód pokryty powłoką ochronną o grubości 25 μm, która zwiększa odporność na uszkodzenia mechaniczne.

Omawiane trzy przełączniki mają wbudowane układy kontroli szybkości narastania napięcia wyjściowego z ustalonym czasem narastania 363 μs przy 3,3 V. Różnice pomiędzy wersjami dotyczą obecności lub braku funkcji szybkiego rozładowania wyjścia oraz aktywnego stanu pinu ON/ OFF (tab. 1).

Podsumowanie

Przełączniki zasilania mają kluczowe znaczenie dla zapewnienia mniejszego zużycia energii, małych wymiarów i niższych kosztów realizacji małych urządzeń zasilanych z baterii. Seria przełączników zasilania TCK12xBG firmy Toshiba charakteryzuje się małym prądem spoczynkowym i dużą funkcjonalnością w małej obudowie, dzięki czemu jest w stanie spełnić wymagania nawet zaawansowanych aplikacji.

Digi-Key Electronics
https://www.digikey.pl/