Dioda idealna, selektor źródła energii i eFuse przynoszą niezawodność zasilania
| TechnikaW artykule opisano rozwiązanie idealnej diody współpracującej z zaawansowanymi MOSFET-ami w połączeniu typu back-to-back przeznaczonej do ochrony systemu przed zanikiem zasilania. Standardowe diody krzemowe charakteryzują się spadkiem napięcia od 0,6 do 0,7 V. W przypadku diod Schottky’ego jest to 0,3–0,5 V. Ogólnie rzecz biorąc, nie stanowi to problemu z wyjątkiem zastosowań wysokoprądowych, ponieważ ten spadek napięcia jest źródłem znacznych strat mocy. Na szczęście tranzystorem MOSFET można zastąpić standardowe diody krzemowe i zapewnić nieoczekiwane korzyści aplikacyjne w układach diody idealnej, a więc takiej o spadku napięcia bliskim zera.
Idealna dioda wykorzystuje tranzystor o małej rezystancji w stanie włączenia, zwykle typu MOSFET, z układem sterującym zapewniającym realizację jednokierunkowego przepływu prądu. Rozbudowanie tej podstawowej struktury o dodatkowy tranzystor w układzie typu back-to-back daje jeszcze więcej funkcji sterowania przepływem energii, takich jak wybór źródła priorytetowego, ograniczanie prądu rozruchowego, ograniczanie prądu maksymalnego itp. Tradycyjnie realizacja takich funkcji była rozproszona i realizowana przez różne sterowniki, co czyniło układ złożonym i kłopotliwym w realizacji. Teraz mamy na szczęście rozwiązanie jednochipowe wolne od wielu wad.
Idealna dioda
Rysunek 1 przedstawia podstawowy układ diody idealnej, w której zastosowano N-kanałowy tranzystor MOSFET mocy. Jest on tak włączony w obwód, że jego wewnętrzna dioda podłożowa jest skierowana w tym samym kierunku, co realizowana funkcja diody idealnej (na górze). Gdy napięcie VA jest wyższe niż VC, prąd przepływa od lewej do prawej strony przez wewnętrzną diodę podłożową. Niemniej obwód sterujący włącza w tym stanie MOSFET po to, aby zmniejszyć spadek napięcia na tej diodzie do wartości bliskiej zera poprzez jej zbocznikowanie małą rezystancją. Aby zapobiec przepływowi prądu wstecznego (od prawej do lewej), obwód sterujący musi wyłączyć tranzystor MOSFET, gdy VC jest wyższe niż VA.
Idealna dioda zapewnia niski spadek napięcia, określony przez wartość RDS(ON) tranzystora i prąd obciążenia. Na przykład przy prądzie 1 A i RDS(ON)=10 mΩ spadek napięcia na diodzie idealnej wynosi jedynie 10 mV, tj. bardzo mało w porównaniu z typowym 600-miliwoltowym spadkiem na zwykłej diodzie. Straty mocy diody dla wersji idealnej wynoszą 1 A²×10 mΩ = 10 mW, czyli także są znacznie mniejsze w porównaniu do typowej wartości 1 A×600 mV = 600 mW w zwykłej diodzie.
Postęp w technologii tranzystorów MOSFET powoduje, że kolejne generacje elementów mają coraz mniejszą wartość RDS(ON). Dodanie tranzystora MOSFET w połączeniu typu back-to-back do diody idealnej zwiększa wprawdzie nieco spadek napięcia, ale daje wiele funkcji sterowania systemem. Rysunek 2 przedstawia taką koncepcję.
W tym układzie Q1 może przepuszczać i blokować prąd wsteczny płynący z VB do VA, a dodatkowy MOSFET Q2 może sterować prądem w czasie przewodzenia z VA do VB. Takie rozwiązanie zapewnia pełną kontrolę nad systemem poprzez włączanie/wyłączanie jednego lub obu tranzystorów MOSFET oraz pozwala na ograniczanie wartości prądu przepływającego przez nie w dowolnym kierunku.
Przykład użycia diody idealnej i kluczowe parametry
Idealna dioda znajduje zastosowanie w wielu aplikacjach. Przykładem może być zasilacz UPS (rys. 3). Wykorzystuje on napięcie znamionowe 24 V jako główne źródło energii. Akumulator sprawia, że zakres roboczy napięć tego źródła zawiera się od 19,2 do 30 VDC, przy czym w czasie komutacji mogą pojawiać się przepięcia do 60 V. Jako zasilanie awaryjne używany jest akumulator 24 V. Aby zapewnić maksymalny czas podtrzymania zasilania, podczas normalnej pracy (w stanie czuwania) akumulator jest ładowany do pełna tj. do napięcia 24 V. Kiedy główne źródło zasilania zaniknie, akumulator zapewnia rezerwę energetyczną, rozładowując się od 24 V do niższych wartości, aż do chwili, gdy system przestanie działać lub do ponownego przywrócenia zasilania z sieci. Do takiej funkcjonalności potrzebny jest idealny obwód diodowy realizujący funkcję ORingu do przełączania się pomiędzy głównym źródłem zasilania systemu a akumulatorem. Potrzebne są również zabezpieczenia przed przepięciem, podnapięciem, funkcja hot swap i zabezpieczenie zwarciowe na eFuse, aby poprawić odporność systemu na typowe awarie systemu i błędy instalacyjne.
ORing kontra selektor źródła energii
Rysunek 4 ilustruje koncepcję układu ORing (sumatora energii) w zasilaniu. Dla uproszczenia użyto symboli diod zamiast pełnego schematu diody idealnej. Źródło zasilania o wyższym napięciu determinuje przepływ prądu i zasila obciążenie, podczas gdy drugie pozostaje w trybie gotowości. Rozwiązanie to sprawdza się w przypadku, gdy źródła zasilania mają różne napięcia. Dzięki temu mogą przełączać się ciągle, gdy oba napięcia są blisko siebie lub gdy występują wahania, co powoduje krzyżowanie się wartości.
Prosta funkcja ORingu nie nadaje się w tym przypadku do użycia z dwóch powodów. Po pierwsze, napięcie buforowe akumulatora odpowiada napięciu znamionowemu systemu przy 24 V. Obydwa źródła mogą się często przełączać wzajemnie, co jest niepożądane z punktu widzenia trwałości akumulatora. Przy różnych impedancjach źródeł energii i zmiennym prądzie obciążenia ten problem staje się jeszcze bardziej znaczący. Na przykład, gdy VS jest aktywne, prąd obciążenia powoduje spadek napięcia na impedancji tego źródła, w tym nieco poniżej napięcia na zaciskach akumulatora (obecnie bez obciążenia). Następnie akumulator jest włączany i obciążany, co w podobny sposób powoduje spadek napięcia na jego impedancji wewnętrznej. Tymczasem bez obciążenia wzrasta napięcie na zaciskach głównego źródła zasilania, co powoduje, że źródło VS próbuje stać się głównym dostawcą energii. W tej sytuacji wahania napięć pomiędzy dwoma źródłami trwają do momentu, aż oba napięcia odejdą od siebie, czyli aż akumulator się sporo rozładuje.
Po drugie, zakres roboczych napięć zasilania systemu 24 V wynosi od minimum 19,2 do maksymalnie 30 VDC, ponieważ akumulator buforowy jest ładowany i utrzymywany w stanie gotowości na poziomie 24 VDC, może się zdarzyć, że energia będzie z niego pobierana, gdy napięcie sieci będzie dostępne, tyle że poniżej 24 V. Jest to również niepożądane, ponieważ akumulator rozładowuje się do mniej optymalnego napięcia rezerwowego z punktu widzenia trwałości. System może próbować jednocześnie ładować i rozładowywać akumulator, gdy napięcie systemu jest niższe niż 24 V i przekracza minimalny zakres roboczy. Dlatego tutaj przydatny staje się selektor źródła energii. Rysunek 5 przedstawia koncepcję takiego obwodu wykorzystującą idealną diodę z tranzystorem MOSFET ustawionym back-to-back. Dzięki połączeniu drenami sterownik może całkowicie wyłączyć ścieżkę prądową w obu kierunkach, zapewniając podobne działanie jak w przełączniku mechanicznym (rys. 6). Dzięki selektorowi VB jest wyłączane i włączane tylko wtedy, gdy VS spadnie poniżej zakresu napięcia roboczego.
Rysunek 7 demonstruje działanie selektora źródła energii, gdy akumulator znajduje się w trybie gotowości i podczas zasilania z jego użyciem.
Inne ważne wymagania
Chociaż rysunek 6 zawiera symbol przełącznika mechanicznego, który może być zamknięty albo otwarty, w rzeczywistości kryje się za tym układ elektroniczny. Odpowiednio sterowany może on również regulować wartość prądu, pozwalając na ograniczanie prądu rozruchu (dla realizacji hot swap), na zabezpieczenie przed przeciążeniem/zwarciem (eFuse) oraz przed zbyt niskim napięciem i przepięciami (UV/OV).
Hot Swap. Jak pokazano na rysunku 3, omawiany system wymaga realizacji funkcji hot swap (wymiany podczas pracy). Stąd trzeba ograniczyć wartość prądu rozruchowego ładującego kondensator wejściowy C w czasie wkładania w szynę montażową. Jest ona realizowana poprzez wykrywanie i kontrolowanie prądu przepływającego przez Q2 na rysunku 2.
eFuse. Funkcja ta chroni system przed przetężeniem lub zwarciem i może być zrealizowana za pomocą Q2 z rysunku 2, pozwalającego na monitorowanie, ograniczanie i wyłączanie przepływającego przez niego prądu. Dokładność progu aktywacji eFuse jest istotna z punktu widzenia optymalizacji budżetu mocy systemu UV/OV. Blokada podnapięciowa (UVLO) utrzymuje Q2 (rys. 2) w stanie wyłączonym, dopóki napięcie wejściowe nie wzrośnie powyżej minimalnego progu roboczego (w tym przypadku 19,2 V). Zabezpieczenie nadnapięciowe (OV) wyłącza Q2, gdy napięcie wejściowe przekroczy ustawiony poziom maksymalny (w tym przypadku >30 V).
Ważne parametry idealnej diody i ich wpływ na wydajność
Przeanalizujmy krytyczne specyfikacje diody idealnej podczas pracy w roli selektora źródła energii.
Czas reakcji przy polaryzacji wstecznej tR. Odnosząc się do rysunku 2, jest to czas, w którym Q1 wyłącza się, gdy VB będzie większe niż VA. Musi on być mały (100 ns), aby zapobiec przepływowi prądu wstecznego z zacisku VB do VA. Może to nastąpić, gdy główne źródło zasilania VS podczas normalnej pracy wyłączy się lub nastąpi zwarcie. W tej sytuacji krótki czas tR minimalizuje okres przepływu prądu wstecznego z kondensatora C lub z akumulatora do VS.
Powrót do pracy normalnej po przepięciu
W systemach bez akumulatora buforowego (rys. 8) podtrzymanie zasilania zapewnia kondensator C. W tej konfiguracji pojawienie się przepięcia na VS powoduje wyłączenie Q2. Kondensator podtrzymuje działanie systemu, a jego napięcie spada w czasie rozładowania. Gdy VS powraca do normalnego zakresu, sterownik włącza ponownie Q2. Czas tego włączenia tON, musi być krótki, aby zminimalizować spadek napięcia na kondensatorze. Rysunek 9 przedstawia względne porównanie, gdzie połowa tON zmniejsza spadek napięcia o połowę, przy tej samej pojemności.
Realizacja pełnej funkcjonalności w zakresie takim jak omówiono powyżej, tj. wybór źródła energii, hot swap, eFuse, UV/ OV i zapewnienie dobrej specyfikacji oraz odporności systemu bez użycia wyspecjalizowanych półprzewodników, jest uciążliwa. Rozwiązanie dyskretne jest złożone i wymaga użycia wielu komponentów. Warto więc zwrócić uwagę na MAX17614 – nowy chip, który zapewnia wysoką wydajność diody idealnej w funkcji diody. Działa on w zakresie napięć wejściowych od 4,5 V do 60 V przy prądzie obciążenia do 3 A. Realizuje wybór źródła zasilania z regulowanym ograniczeniem prądu, możliwością wymiany obwodu podczas pracy (hot swap) oraz eFuse i zabezpieczenie UV/OV. Rysunki 10 i 11 przedstawiają MAX17614 w aplikacji sumatora i selektora priorytetowego źródła zasilania.
Podsumowanie
MOSFETy w połączeniu back-to-back zapewniają wiele funkcji sterowania zasilaniem w systemach elektronicznych, takich jak wybór źródła energii, wymiana urządzenia podczas pracy (hot swap), zabezpieczenia eFuse, UV/OV itp. W stosunku do rozbudowanych tradycyjnych rozwiązań wykorzystujących elementy dyskretne, rozwiązanie jednoukładowe przynosi wiele korzyści technicznych i ekonomicznych.
Anthony Huynh
Former Technical Staff , Analog Devices
Arrow Electronics Poland
www.arrowelectronics.com
