Bezpieczne zarządzanie szynami zasilania prądem stałym i ich ochrona

W prawie wszystkich projektach układów kluczowe znaczenie ma zarówno zarządzanie szynami zasilania prądem stałym, jak i ochrona przed różnymi typami awarii wewnętrznych i zewnętrznych. Wyzwanie jest skomplikowane, gdy mamy do czynienia z duża liczbą szyn, jak to ma miejsce w dzisiejszych układach, na przykład w małych konstrukcjach niskiej mocy i zasilanych bateryjnie.

Zarządzanie szynami zasilającymi rozpoczyna się od układu scalonego PMIC, który w razie potrzeby zarządza włączenie lub wyłączenie przepływu prądu do szyn. Układ scalony zarządzania zasilaniem (PMIC) jest również odpowiedzialny za synchronizację i sekwencjonowanie wielu szyn. Niemniej faktyczne sterowanie na poziomie fizycznym szyny zasilającej jest zadaniem przełącznika obciążenia, układu opartego na tranzystorze MOSFET, który można ustawić tak, aby podawał lub blokował prąd.

Przełączniki obciążenia są teraz coraz częściej potrzebne nie tylko do spełniania funkcji podstawowych, takich jak sterowanie początkowym prądem rozruchowym i zabezpieczenie przed nadmierną temperaturą, ale również do realizacji innych funkcji, takich jak kontrolowane wyłączanie zasilania, szybkie rozładowanie wyjścia i rzeczywista blokada prądu wstecznego, z których wszystkie są trudne do wdrożenia przy użyciu dyskretnych elementów opartych na tranzystorach polowych (FET).

Aby rozwiązać problem złożoności, a jednocześnie zmniejszyć koszty i ilość miejsca na płytce wymaganą do implementacji elementu dyskretnego, projektant może wybrać układy scalone przełącznika obciążenia, obsługujące wszystkie te funkcje w pojedynczej obudowie z przełącznikiem. Te zintegrowane przełączniki obciążenia rozwiązują i eliminują wiele problemów z szynami zasilającymi, a także pomagają w spełnieniu wielu wymagań konstrukcyjnych związanych z urządzeniami przenośnymi lub zasilanymi bateryjnie.

W niniejszym artykule omówiono rolę przełączników obciążenia, ich podstawowe funkcje oraz funkcje dodatkowe i zaawansowane, dzięki którym są one nadzwyczaj prostymi, sterowanymi elektronicznie włącznikami/wyłącznikami szyn zasilających. W artykule omówiono trzy nowe układy scalone przełącznika obciążenia z serii TCK12xBG firmy Toshiba Electronic Devices & Storage Corporation (Toshiba) w celu zilustrowania wspomnianych zagadnień i sposobów użycia układów w celu spełnienia wymagań najnowszych produktów.

Podstawy przełączników obciążeń

Podstawowy przełącznik obciążenia ma tylko cztery styki: napięcie wejściowe, napięcie wyjściowe, włączanie i masa (ilustracja 1). Gdy na wtyk sterujący ON/OFF (WŁĄCZ/WYŁĄCZ) - który może być aktywny w stanie wysokim lub niskim - zostanie podany logiczny sygnał sterowania, urządzenie oraz tranzystor polowy (FET) zostaną włączone. Pozwala to na przepływ prądu z wtyku wejściowego VIN do wtyku wyjściowego VOUT, dostarczając w ten sposób zasilanie do obwodu odbiornika.

Ilustracja 1: Przełącznik obciążenia to urządzenie przelotowe oparte na tranzystorach polowych (FET), które za pomocą elektronicznego sygnału sterującego umożliwia/blokuje przepływ prądu ze źródła zasilania prądem stałym do odbiornika. (Źródło ilustracji: Bill Schweber)

Przełącznik obciążenia to coś więcej niż tylko tranzystor polowy w obudowie. W minimalnym zakresie zawiera on również logikę sterowania, sterownik FET, przełączniki poziomu i różne funkcje ochrony obwodów, takie jak zabezpieczenie przed nadmiernymi prądami i prądami wstecznymi, które mogą uszkodzić układ i jego komponenty. Mogą one również realizować inne użyteczne funkcje, takie jak sterowanie szybkością narastania podczas uruchamiania szyny zasilającej oraz zabezpieczenie przed nadmierną temperaturą.

W najprostszym wdrożeniu przełącznik obciążenia jest używany pomiędzy zasilaczem a szyną zasilającą pojedynczego odbiornika. Można go włączać za pomocą układu scalonego PMIC w razie potrzeby lub przełączać w stan spoczynkowy, aby zaoszczędzić energię (ilustracja 2).

Ilustracja 2: W najprostszym wdrożeniu przełącznik obciążenia jest sterowany przez układ scalony zarządzania zasilaniem (PMIC) i steruje przepływem prądu do odbiornika. (Źródło ilustracji: Toshiba)