Bezpieczne zarządzanie szynami zasilania prądem stałym i ich ochrona

Parametry przełącznika obciążenia

Przełącznik obciążenia ma kilka kluczowych parametrów, które muszą zostać oszacowane przez projektantów. Trzy najważniejsze to maksymalne dopuszczalne napięcie wejściowe prąd wyjściowy oraz rezystancja w stanie włączenia. Inne parametry, które w zależności od zastosowania mogą mieć również krytyczne znaczenie, to:

• Prąd spoczynkowy (IQ): prąd potrzebny do zasilania przełącznika obciążenia, bez prądu na jego wyjściu.
• Prąd wyłączenia (w trybie gotowości) (ISD): prąd płynący do wejścia VIN , gdy urządzenie jest wyłączone.
• Wejściowy prąd upływu na wtyku ON (WŁĄCZ) (ION.): prąd płynący do wtyku sterującego ON/OFF (WŁĄCZ/WYŁĄCZ) w stanie włączenia.

Niski prąd spoczynkowy i prąd wyłączenia są coraz ważniejsze w układach z zasilaniem bateryjnym, takich jak urządzenia ubieralne, smartfony i moduły Internetu rzeczy (IoT), gdzie mają duży wpływ na żywotność i czas pracy baterii.

Zabezpieczenie nadprądowe

Funkcja zabezpieczenia nadprądowego przełącznika obciążenia nie służy wyłącznie do ochrony przed tak oczywistymi awariami, jak chwilowe lub długotrwałe zwarcia w obwodzie odbiornika. Może być ono również konieczne do niwelowania skutków spadku napięcia wyjściowego, który czasami występuje, gdy szyna zasila kilka odbiorników, a jeden z nich włącza się szybciej (ilustracja 3). Nagły wzrost zapotrzebowania na prąd powoduje chwilowy spadek na wyjściu zasilacza poniżej wartości nominalnej. Opóźnienie to, czyli okres stabilizacji, zależy od parametrów odbiornika w stanach nieustalonych i jego charakterystyki.

Ilustracja 3: Pojedynczy przełącznik obciążenia może zasilać wiele odbiorników, które nie muszą włączać się i uruchamiać jednocześnie. (Źródło ilustracji: Toshiba)

Z kolei spadek ten może spowodować, że drugi odbiornik nie uruchomi się prawidłowo lub będzie pracować niewłaściwie. Z tych powodów funkcja ograniczenia prądu przełącznika obciążenia jest użyteczna, ponieważ ogranicza spadek napięcia wyjściowego spowodowany wzrostem zapotrzebowania na prąd dla pierwszego odbiornika.

W wielu układach konieczne jest zapewnienie podawania napięcia do kilku odbiorników w określonej kolejności i z określoną synchronizacją między aktywacją poszczególnych szyn zasilających. W takich przypadkach stosuje się wiele przełączników obciążenia działających pod kontrolą układu scalonego zarządzania zasilaniem (PMIC), który zarządza sekwencjonowaniem i wzajemną synchronizacją w czasie (ilustracja 4).

Ilustracja 4: Dzięki zastosowaniu wielu przełączników obciążenia można sterować procesem sekwencjonowania i synchronizacji czasowej włączania różnych odbiorników, co jest niezbędne do prawidłowego działania układu. (Źródło ilustracji: Bill Schweber)

Blokowanie prądu wstecznego

Blokowanie prądu wstecznego przełącznika obciążenia jest dokładnie tym, co sugeruje jej nazwa: zapobiega przepływowi prądu do tyłu, gdy napięcie po stronie wyjściowej będzie wyższe niż po stronie wejściowej.

Może do tego dojść w dwóch typowych sytuacjach. Po pierwsze, źródło zasilania, na przykład akumulator samochodowy, może zostać przypadkowo podłączony odwrotnie w wyniku przypadkowego zetknięcia odłączonych przewodów z zaciskami akumulatora, a nawet pomyłkowego podłączenia. To może być nawet zwyczajne włożenie przez użytkownika baterii odwrotnie.

Druga sytuacja jest nieco mniej oczywista. Rozważmy przypadek, w którym dwa źródła napięcia są multipleksowane do odbiornika (ilustracja 5). Napięcie po stronie wyjścia współdzielonego może być wyższe niż napięcie po stronie wejścia niższego napięcia zasilania. W tym scenariuszu prąd może przepływać od strony wyższego napięcia do strony niższego napięcia, powodując uszkodzenie źródła o niższym napięciu.

Ilustracja 5: Problemy z przepływem prądu wstecznego mogą wystąpić nawet wtedy, gdy zasilacze multipleksowane są połączone przez własne przełączniki obciążenia. (Źródło ilustracji: Toshiba)

Blokowanie prądu wstecznego można zrealizować na trzy sposoby:

• Najprostszym sposobem jest dodanie diody szeregowo z wyjściem. Jednakże spadek napięcia na diodach (od 0,6V do 0,8V dla standardowej diody krzemowej) obniża napięcie na szynie zasilającej, a dioda musi mieć moc wystarczającą do rozpraszania generowanego ciepła.
• Drugim sposobem jest podłączenie tranzystora MOSFET szeregowo z szyną, ale jego rezystancja w stanie włączenia (RON) powoduje również spadek napięcia i także generuje ciepło wymagające rozproszenia.
• Trzecią opcją jest użycie przełącznika obciążenia z funkcją blokowania prądu wstecznego bez jakichkolwiek kompromisów.