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.
Funkcja rozładowywania
Zazwyczaj funkcja automatycznego rozładowania łączy styki VOUT i GND po wyłączeniu multipleksera zasilania. Szybkie rozładowanie wyjścia daje wiele korzyści:
- Wyjście „nie pływa" i zawsze ma znany stan.
- Moduły znajdujące się za nim są zawsze całkowicie wyłączone.
Jednak istnieją sytuacje, w których szybkie wyładowanie nie jest pożądane:
- Jeśli wyjście przełącznika obciążenia jest podłączone do akumulatora, szybkie rozładowanie może spowodować rozładowanie akumulatora, gdy przełącznik obciążenia zostanie wyłączony za pomocą wtyku ON (WŁĄCZ).
- Jeśli w dwuwejściowym multiplekserze z jednym wyjściem wykorzystywane są dwa przełączniki obciążenia (gdzie wyjścia są połączone ze sobą), moc będzie stale marnowana przez szybkie rozładowywanie, ponieważ wyłączenie przełącznika obciążenia za pomocą wtyku ON (WŁĄCZ) spowoduje przepływ prądu przez wewnętrzny rezystor do masy.
Dlatego podczas konfigurowania multipleksera zasilania za pomocą układu scalonego przełącznika obciążenia, konieczne jest dobranie przełącznika obciążenia bez funkcji rozładowywania. To właśnie tutaj wymagana jest funkcja przełącznika obciążenia nazywana rzeczywistym blokowaniem prądu wstecznego. Zapobiega ona wstecznemu przepływowi prądu z zacisku wyjściowego do zacisku wejściowego, niezależnie od stanu włączenia/wyłączenia przełącznika obciążenia.
Przełącznik obciążenia z tą funkcją porównuje napięcie wejściowe VIN z napięciem wyjściowym VOUT w układzie scalonym, a obwód zabezpieczenia przed przepływem wstecznym włącza się, gdy VOUT>VIN (ilustracja 6).
Ilustracja 6: Blokada prądu wstecznego zapobiega przepływowi prądu do zacisku wejściowego z zacisku wyjściowego niezależnie od tego, czy przełącznik obciążenia jest włączony czy wyłączony. (Źródło ilustracji: Toshiba)
Z rzeczywistym blokowaniem prądu wstecznego i funkcją automatycznego rozładowania związane są jeszcze inne niuanse. Zostały one omówione bardziej szczegółowo w uwagach dotyczących zastosowań od firmy Toshiba „Funkcja zabezpieczenia nadprądowego i zapobiegania prądowi wstecznemu układu scalonego przełącznika obciążenia.”
Ilustracja 7: Wewnętrzny schemat blokowy urządzeń z grupy TCK12xBG pokazuje ich prostotę funkcjonalną. Ukazano model TCK128BG. (Źródło ilustracji: Toshiba)
Ilustracja 8: Mniejszy rozmiar urządzeń TCK12xBG w porównaniu z ich poprzednikami pozwala na zmniejszenie potrzebnej powierzchni płytki drukowanej o 34%. (Źródło ilustracji: Toshiba): Toshiba, zmodyfikowana przez autora)
Nowe układy scalone są przeznaczone do zastosowań o wysokim potencjale wzrostu
Przełączniki obciążenia nie są rozwiązaniem nowym, ale są coraz lepiej dopasowane do wymagań określonych zastosowań. Widać to wyraźnie na przykładzie grupy przełączników obciążenia nowej generacji TCK12xBG firmy Toshiba, w skład której wchodzą trzy urządzenia: TCK126BG, TCK127BG i TCK128BG (ilustracja 7).
Trzy układy scalone, które są przystosowane do pracy w zakresie napięć od 1,0 do 5,5V z natężeniem prądu do 1A są do siebie bardzo podobne, pomijając drobne różnice, dzięki którym są optymalnie dostosowane do określonych priorytetów i potrzeb. Wiele punktów w ich specyfikacjach przewyższa urządzenia poprzedniej generacji czy dostępne u konkurencji.
Najbardziej widoczna różnica polega na redukcji prądu spoczynkowego (IQ) z 110nA do zaledwie 0,8nA - aż o 99,9% lub nieco ponad dwa rzędy wielkości. Ponadto natężenie prądu w trybie pogotowia wynosi tylko 13nA. Typowa rezystancja w stanie włączenia RON wynosi 46mΩ przy 5,0V, 58mΩ przy 3,3V, 106mΩ przy 1,8V i 210mΩ przy 1,2V.
Inne cechy tych przełączników obciążenia wykraczają poza specyfikacje elektryczne. Przełączniki te są również znacznie mniejsze niż inne dostępne urządzenia firmy Toshiba i innych dostawców w tej samej klasie napięć i prądów. Są one dostępne w obudowie WCSP4G z czterema wyprowadzeniami o wymiarach 0,645 × 0,645 × 0,465mm, o rastrze kulek 0,35mm. Oznacza to zmniejszenie o 34% zajmowanej powierzchni w stosunku do poprzednich przełączników obciążenia - w obudowie o wymiarach 0,79 × 0,79 × 0,55 mm i rastrze 0,4mm (ilustracja 8).
Niewielkie rozmiary zapewniają projektantom znaczne oszczędności miejsca na płytce, co ma kluczowe znaczenie w przypadku bardzo małych rozwiązań, takich jak urządzenia ubieralne. Dodatkowo obudowa posiada powłokę o grubości 25μm, która ogranicza wpływ fizycznych uderzeń i uszkodzeń oraz zapobiega odpryskom.
Trzy przełączniki obciążenia z tej grupy są wyposażone we wbudowane sterowniki kontrolujące szybkość narastania z czasem narastania wynoszącym 363µs przy napięciu 3,3V. Różnice między przełącznikami polegają na obecności lub braku funkcji szybkiego rozładowywania oraz stanu aktywnego wtyku ON/OFF (WŁĄCZ/WYŁĄCZ) (ilustracja 9).
Podsumowanie
Przełączniki obciążenia o wysoce zintegrowanej funkcjonalności mają kluczowe znaczenie, jeśli projektant ma sprostać zapotrzebowaniu na niższe zużycie energii, mniejsze rozmiary i niższe koszty dla małych urządzeń zasilanych bateryjnie, takich jak urządzenia ubieralne i smartfony, a także urządzenia IoT. Grupa przełączników obciążenia TCK12xBG firmy Toshiba charakteryzuje się niskim natężeniem prądu spoczynkowego i mniejszymi rozmiarami, posiada zintegrowane elementy, które spełniają wymagania funkcjonalne i ochronne oraz upraszczają konstrukcję.
Autor: Bill Schweber
Kontakt w Polsce
Arkadiusz Rataj
Sales Manager Central Eastern Europe & Turkey
Digi-Key Electronics Germany
0048 696 307 330
arkadiusz.rataj@digikey.com
poland.support@digikey.pl