Podstawy projektowania układów z przełącznikami zasilania

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