Wydajne sterowanie zasilaniem w projektach z ograniczoną przestrzenią

Moc tranzystora MOSFET i przełączanie obciążenia

Mikrourządzenia ubieralne są najczęściej zasilane z baterii. Zmniejszenie poboru mocy w celu zapewnienia długich odstępów między ładowaniami wymaga włączania i wyłączania elementów obwodu w zależności od ich aktywności. Służące do tego przełączniki muszą charakteryzować się niskimi stratami w stanie włączonym, aby zapewnić niską moc rozpraszaną oraz niskim upływem w stanie wyłączonym. Przełączniki obciążeń można wdrożyć do projektu w postaci tranzystorów MOSFET pełniących rolę urządzeń przełączających. Można nimi łatwo sterować poprzez przyłożenie odpowiedniego napięcia do obwodu sterowania bramkami. Konfigurację przełączników obciążenia można zrealizować przy użyciu tranzystorów MOSFET z kanałem P lub N (ilustracja 4).

Ilustracja 4: Przełączniki obciążenia po stronie wysokiej, umieszczone między źródłem zasilania a obciążeniem, mogą być realizowane za pomocą tranzystorów MOSFET z kanałem P lub N, wykorzystujących odpowiednie sygnały sterujące bramką. (Źródło ilustracji: Nexperia)

W przypadku użycia tranzystora MOSFET z kanałem P, przełączenie bramki w stan niski spowoduje ustawienie przełącznika w stan włączenia i umożliwi przepływ prądu do odbiornika. Obwód kanału N wymaga przyłożenia napięcia wyższego niż napięcie wejściowe w celu pełnego włączenia tranzystora MOSFET. Jeśli sygnał wysokiego napięcia nie jest dostępny, do sterowania bramką kanału N można wykorzystać pompę ładunku. Zwiększa to złożoność obwodu, ale z racji tego, że przy danym rozmiarze urządzenia tranzystory MOSFET z kanałem N mają niższą wartość RDS(on) w porównaniu do tranzystorów MOSFET z kanałem P, może to być warte kompromisu. Inną opcją byłoby wykorzystanie tranzystora MOSFET z kanałem N jako przełącznika po stronie niskiej między odbiornikiem a masą, co zmniejszyłoby wymagane napięcie bramki.

Niezależnie od sposobu implementacji przełącznika obciążenia, spadek napięcia na tranzystorze MOSFET jest równy iloczynowi prądu drenu i wartości RDS(on). Straty mocy stanowią iloczyn prądu drenu podniesionego do kwadratu oraz wartości RDS(on). Wobec tego, dzięki rezystancji kanału równej 120mΩ, straty mocy dla tranzystora PMX100UNE działającego przy maksymalnym prądzie drenu wynoszącym 0,7A wynosiłyby zaledwie 58mW. Dlatego właśnie tak ważne w projektowaniu urządzeń przenośnych i ubieralnych jest osiągnięcie najniższej możliwej wartości RDS(on). Niższe straty mocy oznaczają mniejszy wzrost temperatury i dłuższy czas pracy baterii.

Przełączniki obciążenia w formie tranzystorów MOSFET mogą być również używane do blokowania prądów wstecznych, które mogą występować w warunkach awarii, np. w przypadku zwarcia na wejściu ładowania. Robi się to poprzez szeregowe połączenie dwóch tranzystorów MOSFET z odwrotną polaryzacją (ilustracja 5).

Ilustracja 5: Przełącznik obciążenia zabezpieczony przed prądem wstecznym wykorzystujący konfigurację obwodu ze wspólnym drenem i tranzystory MOSFET z kanałem P. (Źródło ilustracji: Nexperia)

Zabezpieczenie przed prądem wstecznym w przełączniku obciążenia można także zaimplementować poprzez zastosowanie układu ze wspólnym źródłem. Taki układ wymaga dostępu do wspólnego punktu źródła w celu rozładowania bramki po załączeniu.

Zastosowanie w produktach

Dobrymi przykładami popularnych urządzeń ubieralnych są okulary rzeczywistości rozszerzonej i wirtualnej (AR/VR). Urządzenia te wymagają wysokosprawnych komponentów o niskiej mocy rozpraszanej oraz o niewielkich rozmiarach fizycznych. Stosuje się w nich wiele tranzystorów MOSFET w roli przełączników oraz do konwersji mocy (ilustracja 6).

Ilustracja 6: Tranzystory MOSFET odgrywają kluczową rolę w projektach okularów AR/VR, służąc jako przełączniki obciążenia, przetwornice podwyższające i przełączniki baterii (zaznaczone na ilustracji pomarańczowymi kwadratami). (Źródło ilustracji: Nexperia)

W tego typu urządzeniach ubieralnych trzeba określić kompromis między jak najdłuższym czasem pomiędzy kolejnymi ładowaniami oraz oczekiwaną przez użytkowników stałą dostępnością funkcji. Przełączniki MOSFET służą właśnie do wyłączania określonych sekcji urządzenia, gdy te nie są w użyciu. Uwaga dotycząca przełączników: są one wdrażane przy użyciu tranzystorów MOSFET, które łączą układ front-end o częstotliwości radiowej z głośnikiem i rozłączają go od niego. Jeśli chodzi sterowanie zasilaniem, tranzystory MOSFET pełnią rolę przełączników baterii oraz umożliwiają podłączenie zewnętrznego źródła zasilania na potrzeby ładowania przewodowego. Są także używane w impulsowych podwyższających przetwornicach mocy do wyświetlaczy.

Podsumowanie

Dla projektantów mikrourządzeń ubieralnych oraz innych urządzeń charakteryzujących się ograniczoną wielkością i mocą, zamknięte w obudowach DFN0603 tranzystory MOSFET firmy Nexperia oferują miniaturowe rozmiary obudowy i najlepsze w swojej klasie wartości RDS(on) niezbędne do wdrażania projektów nowej generacji. Stanowią one idealne komponenty, które mogą pełnić rolę przełączników obciążenia, przełączników baterii oraz mogą być używane w impulsowych podwyższających przetwornicach mocy.

Źródło: Realizowanie wydajnego sterowania zasilaniem w projektach z ograniczoną przestrzenią

Kontakt w Polsce: poland.support@digikey.pl

Autor: Rolf Horn

Rolf Horn, Applications Engineer at DigiKey, has been in the European Technical Support group since 2014 with primary responsibility for answering any Development and Engineering related questions from final customers in EMEA, as well as writing and proof-reading German articles and blogs on DK’s TechForum and maker.io platforms. Prior to DigiKey, he worked at several manufacturers in the semiconductor area with focus on embedded FPGA, Microcontroller and Processor systems for Industrial and Automotive Applications. Rolf holds a degree in electrical and electronics engineering from the university of applied sciences in Munich, Bavaria and started his professional career at a local Electronics Products Distributor as System-Solutions Architect to share his steadily growing knowledge and expertise as Trusted Advisor.

Hobbies: spending time with family + friends, travelling in our VW-California transporter and motorbiking on a 1988 BMW GS 100.