Podstawy projektowania układów z przełącznikami zasilania

Podstawy projektowania układów z przełącznikami zasilania
Pobierz PDF Download icon
W artykule zawarto informacje i wskazówki, jakie powinien uwzględnić konstruktor używający przełączników zasilania w różnych zastosowaniach. Ponadto, omówiono polecane rozwiązania wspierające konstruktorów w wyborze optymalnego wariantu.
97ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 7/2010 Podstawy projektowania układów z przełącznikami zasilania Dla większości konstruktorów układów elektronicznych, a zwłaszcza dla tych, któ- rzy nie są ekspertami w  dziedzinie zasila- czy, wykorzystanie przełączników zasilania może okazać się złożonym, a nawet kłopo- tliwym zagadnieniem. W  wielu zastoso- waniach, takich jak przenośne urządzenia elektroniczne, elektronika użytkowa lub systemy przemysłowe i  telekomunikacyj- ne, projektanci w  coraz większym stopniu wykorzystują przełączniki zasilania, które mogą być stosowane do różnych zadań, jak np. sterowania, sekwencjonowania, zabez- pieczania, dystrybucji zasilania, a nawet za- rządzania załączaniem zasilania systemów. To oczywiste, że każde z  tych zastosowań wymaga przełączników zasilania o  innych charakterystykach. Pierwszym pytaniem, jakie należy sobie zadać, jest oczywiście: ?Co chcę osiągnąć za pomocą tego przełącznika??. Pytanie jest proste, a odpowiedź na nie pozwoli określić produkt najlepszy dla danej aplikacji. Prze- łączniki zasilania można wykorzystywać w  różny sposób. Najczęściej używa się ich do następujących zadań: ? sterowanie, dystrybucja i  sekwencjono- wanie (np. załączanie/wyłączanie szyny zasilającej w celu podłączenia podsyste- mu lub rozdzielenia mocy między wiele obciążeń); ? zabezpieczenie przeciwzwarciowe oraz wszelkie zabezpieczenia nadprądowe i  nadnapięciowe (np. ograniczenie prą- dowe portu USB, zabezpieczenie czujni- ków, zabezpieczenie przeciwzwarciowe szyny zasilającej); ? zarządzanie prądem rozruchowym załą- czania (np. podczas ładowania konden- satora); ? wybór jednego z  kilku alternatywnych źródeł zasilania (np. multipleksowanie lub łączenie zasilania z różnych źródeł) lub współdzielenie obciążenia. Podstawy projektowania układów z przełącznikami zasilania W  artykule zawarto informacje i  wskazówki, jakie powinien uwzględnić konstruktor używający przełączników zasilania w  różnych zastosowaniach. Ponadto, omówiono polecane rozwiązania wspierające konstruktorów w  wyborze optymalnego wariantu. W  tabeli 1 podano zestawienie właści- wości przełączników zasilania, z  zazna- czeniem, które z nich są ważne i wymagają rozpatrzenia w  poszczególnych zastosowa- niach. Rezystancja w stanie włączenia, maksymalne prądy i zakres napięć wejściowych Najważniejszymi właściwościami, ja- kie zawsze należy rozważyć, są: rezystancja w stanie włączenia (rON ), maksymalny prąd stały oraz zakres napięć wejściowych. Są to podstawowe parametry, które należy ustalić przed wybraniem elementu. W zależności od zastosowania konstruktor może łatwo okre- ślić, jaki prąd będzie przełączany i przy ja- kim napięciu. Na podstawie tych informacji można dokonać pierwszej selekcji. W zależ- ności od tego, czy potrzebujemy przełączni- ka na napięcie 1,2 V, czy 36 V, będą to dwie odrębne klasy produktów. Rezystancja w stanie włączenia jest pod- stawowym parametrem przełącznika. Kon- struktorzy muszą więc dokładnie przyjrzeć się, jakie są maksymalne dopuszczalne war- tości dla konkretnej aplikacji (napięcie, prąd). Można to łatwo obliczyć, stosując wzór 1: Tabela 1. Wymagania w  zależności od zastosowania Sterowanie, dystrybucja i  se- kwencjonowanie Zabezpiecze- nie przeciw- zwarciowe Zarządzanie prądem rozru- chowym Przełączanie alternatywnych źródeł zasilania Rezystancja przewodzenia FET ON ? ? ? ? Kontrolowana szybkość narastania ? ? Zabezpieczenie nadprądowe (OCP) ? O O Zabezpieczenie nadnapięcio- we (OVP) O O Zabezpieczenie zwrotnoprą- dowe O ? Moc rozpraszana ? ? ? ? Rozmiary ? O O O Zakres napięcia wejściowego ? ? ? ? Wysoki maksymalny prąd ciągły ? ? ? ? Zabezpieczenie termiczne O ? O O Logiczny układ sterujący, kompatybilność z  interfejsem GPIO ? O O ?: Ważna właściwość/cecha, którą należy wziąć pod uwagę O: Cecha przydatna, ale nieobowiązkowa; własność ta nie jest ważna Dodatkowe informacje: Więcej informacji o  technologiach i  produktach omawianych w  tym artykule można znaleźć na stronie: www.ti.com/loadswitches-ca gdzie UDROP oznacza spadek napięcia na przełaczniku, rON ? rezystancję przewodze- nia FET ON, a I ? prąd płynący przez prze- łącznik. Jeżeli aplikacja ma przełączać prądy o dużych natężeniach lub szynę niskonapię- ciową (np. rzędu 1,0  V), napięcie na prze- łączniku powinno zostać zminimalizowa- ne. Należy więc dążyć do jak najmniejszej rezystancji w stanie włączenia, na przykład notatnik konstruktora 98 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 7/2010 notatnik konstruktora Oprócz ograniczenia prądowego (lub za- bezpieczenia nadprądowego ? OCP), które jest konieczne w celu ochrony przed zwar- ciami, godnym rozważenia mogą okazać się również inne rozwiązania zabezpieczające, takie jak blokowanie prądu wstecznego. Blokada prądu wstecznego (znana też jako zabezpieczenie przed napięciem wstecz- nym) jest obowiązkowa, gdy konstruktorzy próbują zaprojektować układ wyboru zasila- nia (ORing) lub współdzielenia obciążenia. Na rysunku  1 pokazano przykład prze- łączników skonfigurowanych do zasilania obciążenia z  dwóch potencjalnych źródeł zasilania (tj. wejścia DC i baterii). W przypadku układu bez zabezpieczenia przed napięciem wstecznym ważne jest, aby napięcie wejściowe tranzystora przewodze- nia FET pozostawało wyższe niż jego napię- cie wyjściowe. W przeciwnym razie wejście zostanie spięte diodą pasożytniczą do podło- ża klucza FET, co spowoduje przepływ nie- pożądanego prądu od wyjścia do wejścia. W przykładzie przedstawionym na rysun- ku 1, jeżeli bateria jest baterią litowo-jonową (Li-Ion) o napięciu 4,2 V (maks.), a napięcie na wejściu DC wynosi 5,0  V, wówczas od obciążenia do baterii popłynie potencjalnie duży prąd ? co oczywiście jest niepożądane! Aby układ działał poprawnie, wystarczy użyć układu z  zabezpieczeniem przed na- pięciem wstecznym. Zabezpieczenie przed prądem wstecznym zazwyczaj można za- implementować, używając przeciwsobnych tranzystorów FET lub przełączając bramkę tranzystora PMOS FET, gdy zostanie wykryte napięcie wsteczne. Należy zwrócić uwagę na wartość wyzwalającą komparatora napięcia wstecznego (próg wartości UOUT ? UIN, po- wyżej którego jest aktywowana funkcja od- cięcia prądu wstecznego) oraz czas reakcji od momentu pojawienia się napięcia wsteczne- go do wyłączenia tranzystora MOSFET. Innym zabezpieczeniem, które może się przydać w niektórych zastosowaniach, jest za- bezpieczenie nadnapięciowe (OVP). Funkcja ta chroni przełącznik i system w sytuacji, gdy do przełącznika zostanie przyłożone zbyt wysokie napięcie. Rozwiązanie to może się przydać np. w niektórych zastosowaniach USB lub w wy- branych zastosowaniach bateryjnych. Dla większości dostępnych na rynku obudów podana moc jest za wysoka do roz- proszenia, co skutkuje przegrzaniem, uster- kami i problemami z niezawodnością. Podobnie konstruktor używający prze- łącznika z  ograniczeniem prądowym musi upewnić się, że obudowa jest w stanie wy- trzymać zwarcie. Jeżeli prąd przepływający przez element wzrośnie do wartości gra- nicznej ograniczenia prądowego, moc roz- praszana będzie maksymalna, gdy wyjście zostanie zwarte do masy. Dla układów takich jak TPS22945, z funkcją autorestartu po cza- sie tRESTART i wyłączania w razie przetężenia (blanking) po czasie tBLANK , maksymalną śred- nią moc rozpraszaną można obliczyć, korzy- stając ze wzoru 4: Dla układów bez pętli autorestartu, ta- kich jak TPS22944, zwarcie wyjścia spowo- duje, że element zacznie pracować w trybie stałoprądowym, rozpraszając moc przewi- dzianą dla ?najgorszego przypadku? aż do momentu zadziałania zabezpieczenia ter- micznego. Następnie, tak długo jak będzie występowało zwarcie przy aktywnym pinie ON, będzie następowało cykliczne załącza- nie elementu i  wyłączanie go przez zabez- pieczenie termiczne. Na rynku są dostępne różne rodzaje przełączników z  ograniczeniem prądowym. Dwa najważniejsze parametry, na które na- leży zwrócić szczególną uwagę, to wartość minimalna ograniczenia prądowego (ograni- czenie prądowe stałe lub programowalne za pomocą zewnętrznego rezystora) oraz dokład- ność ograniczenia prądowego i  czas reakcji. W większości zastosowań dokładność ograni- czenia prądowego nie jest największym pro- blemem, ponieważ układ jest stosowany jako wyłącznik (tj. w  razie zwarcia przełącznik jest ustawiany na pozycję ?wyłącz?). Jednak w niektórych zastosowaniach, jak na przykład przy ograniczaniu prądu portu USB, dokład- ność może być istotna, ponieważ przełącznik jest używany jako źródło stałoprądowe. Do zastosowań, w  których należy się spodziewać przełą- czania dużych prądów lub wy- stępowania przetężeńa zaleca się wybór układu wyposażone- go w  zabezpieczenie termiczne. W  momencie stwierdzenia zbyt wysokiej temperatury układu, większość układów aktywuje wyłącznik termiczny, który wy- łącza tranzystor FET w celu za- bezpieczenia układu przed moż- liwym uszkodzeniem w wyniku przegrzania. stosując przełącznik z serii TPS2292x o rezy- stancji rON 14 mV przy napięciu 3,6 V. Jeżeli natomiast przełączany prąd będzie niewiel- ki, rezystancja w stanie włączenia nie będzie najważniejsza. W  tym przypadku można wybrać element o większej rezystancji w sta- nie włączenia, np. układ z  serii TPS2294x o rezystancji około 1 V. Rezystancja w stanie włączenia jest głównym czynnikiem deter- minującym wielkość płytki półprzewodniko- wej przełącznika zasilania, a co za tym idzie koszt układu. Należy więc uważnie przyjrzeć się temu parametrowi, aby wybrać możliwie jak najbardziej opłacalne rozwiązanie. Oprócz maksymalnego prądu ciągłego, który konstruktor zamierza przełączać, in- nym ważnym parametrem jest maksymalny prąd impulsowy, jaki przełącznik jest w sta- nie wytrzymać. W niektórych zastosowaniach wymagane obciążenie ma przez większość czasu postać niewielkich prądów ciągłych. Jednak w chwilach, gdy podukład potrzebu- je dodatkowej mocy, pojawiają się skoki. Do- brym przykładem jest impuls transmisji GSM/ GPRS, który na 576 ms osiąga wartość 1,7 A, przy wypełnieniu 12,5%. Należy upewnić się, że wybrany element jest w stanie wytrzymać prąd impulsowy o tej wartości. Moc rozpraszana i zabezpieczenia Kolejną ważną i wartą rozważenia włas- nością jest moc rozpraszana. Podczas nor- malnej pracy przełącznika przewodzącego, moc rozpraszaną można obliczyć, rozpatru- jąc rezystancję przełącznika w  stanie włą- czenia oraz przełączany prąd. Maksymalną moc rozpraszaną przez element oblicza się zgodnie ze wzorem 2: Jeżeli wybierzemy element o wystarczają- co małej rezystancji w stanie włączenia, moc rozpraszana będzie również mała i jej wpływ na temperaturę pracy elementu będzie nie- wielki. Jeżeli jednak przełącznik ma służyć jako zabezpieczenie nadprądowe lub przeciw- zwarciowe szyny, jak np. w przypadku portów USB lub zabezpieczeń czytników linii papi- larnych, należy się dobrze zastanowić. W tym przypadku wskazany jest przełącznik z ogra- niczeniem prądowym, jak np. TPS22944. Jeżeli zastosowany zostanie przełącznik bez ograniczenia prądowego, moc rozpraszana może doprowadzić do poważnych problemów z niezawodnością układu. Na przykład zwar- cie rezystancją 0,9 V wyprowadzeń przełącz- nika obciążenia bez ograniczenia prądowego przy napięciu wejściowym 3,3 V (i rezystancji w  stanie włączonym ~100  mV, jak np. dla układu TPS22902) prowadzi do wydzielenia mocy obliczonej we wzorze 3: Rysunek 1. 99ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 7/2010 Podstawy projektowania układów z przełącznikami zasilania Kolejnym punktem wymagającym sprawdzenia są pojemności wejściowe i  wyjściowe, użyte w  projektowaniu sta- bilnego systemu. Mimo że do stabilizowa- nia dostępnych na rynku przełączników zasilania kondensator wejściowy zwykle nie jest potrzebny, za dobrą praktykę pro- jektowania układów analogowych uznaje się podłączanie na zasilaniu kondensatora rzędu 0,1...1  mF o  niskiej ekwiwalentnej rezystancji szeregowej (ESR). Taki kon- densator kompensuje składową bierną źródeł, poprawia odpowiedź impulsową i tłumienie tętnień oraz szumów. W zależ- ności od obciążenia przełącznika można też rozpatrzyć zastosowanie dodatkowych kondensatorów pamiętających na jego wyjściu. Jeżeli przełącznik nie ma blokady prądu wstecznego, kondensator wejścio- wy powinien mieć większą wartość niż kondensator wyjściowy. W  przeciwnym razie wejście będzie spięte przez diodę pasożytniczą tranzystora FET, co spowo- duje przepływ sporego prądu od wyjścia do wejścia. Philippe Pichot dyrektor ds. marketingu strategicznego Texas Instruments W  niektórych przypadkach istnieje po- trzeba ładowania wyjątkowo dużych kon- densatorów (rzędu kilkuset mF). Zazwyczaj zaleca się odpowiednio długi czas narastania. Można jednak również wybrać przełącznik z wysokim ograniczeniem prądowym. Po włą- czeniu układ przejdzie w  tryb ograniczania prądu i kondensator będzie ładowany prądem o wartości granicznej, z maksymalną dopusz- czalną dla przełącznika mocą rozpraszaną. Interoperacyjność systemu Dokonując wyboru przełącznika za- silania, należy każdorazowo starannie uwzględnić potrzebę interoperacyjności. Na przykład w  przypadku użycia prze- łącznika zasilania do podłączania i odłą- czania obciążeń w  celu zoptymalizowa- nia poboru mocy w aplikacji przenośnej, bardzo istotna jest kompatybilność wejść sterujących przełącznika z uniwersalnym, niskonapięciowym (1,8  V) interfejsem GPIO. Ponadto przy wyłączaniu prze- łącznika należy się upewnić, że wyjście nieuziemione przełącznika nie wpływa na działanie i parametry systemu. Z tego powodu niektórzy użytkownicy podpinają wyjście wyłączonego przełącznika zasila- nia dodatkowym tranzystorem do masy lub stosują układ zintegrowany zawiera- jący takie rozwiązanie, jak np. TPS22902. Zarządzanie prądem rozruchowym Innym często spotykanym zastosowa- niem przełączników zasilania jest stero- wanie prądem rozruchowym w  momencie uruchamiania systemu. Jeżeli przełącznik włączy się bez nadzoru, spowoduje to po- wstanie dużego prądu rozruchowego, który może doprowadzić do spadku na szynie za- silania na wejściu przełącznika. Ostatecznie może to wpłynąć na działanie całego syste- mu. Podczas ładowania dużych pojemności wyjściowych pojawiają się duże prądy roz- ruchowe wymagające kontroli i/lub ograni- czenia. Prąd rozruchowy można obliczyć ze wzoru 5: Na przykład, gdy CLOAD=1 mF, U=3 V, a  czas narastania wynosi 1  ms, prąd rozru- chowy może wynieść nawet 3 A. Prostym sposobem na uniknięcie prądu rozruchowego jest wydłużenie czasu włą- czania przełącznika. W  efekcie dojdzie do powolnego ładowania kondensatora wyjścio- wego, a  wartość szczytowa prądu zostanie zmniejszona. W przykładzie ze wzoru 5 czas narastania 200 ms prowadziłby do prądu roz- ruchowego wynoszącego 15 mA, co jest do zaakceptowania. R E K L A M A
Artykuł ukazał się w
Lipiec 2010
DO POBRANIA
Pobierz PDF Download icon
Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik wrzesień 2020

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio październik 2020

Świat Radio

Magazyn użytkowników eteru

Automatyka Podzespoły Aplikacje wrzesień 2020

Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna wrzesień 2020

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Praktyczny Kurs Elektroniki 2018

Praktyczny Kurs Elektroniki

24 pasjonujące projekty elektroniczne

Elektronika dla Wszystkich wrzesień 2020

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów