Integrovanými spínači zátěže, Load Switchi, rozumíme elektronická relé, která budou v našem systému sloužit k zapínání a vypínání jednotlivých napájecích hladin. Zapojení s nimi však nabídnou celou řadu dalších výhod, včetně ochranných prvků, které bychom s diskrétními součástkami řešili jen obtížně. Pro ilustraci jejich výhodného nasazení uvedeme třeba rozvod napájení na DPS (Distribution), řízení posloupnosti a změny stavu (Sequencing, Transition), omezení proudových odběrů v režimu Standby (Leakage Current), ošetření nárazového odběru (Inrush Current) nebo třeba takové regulované vypínání (Power Down).
V článku se se spínači blíže seznámíme a neopomeneme ani praktickou stránku, tzn. kdy a jak.
Tranzistorem to začíná a nekončí
V základním náhledu si spínač zátěže vystačí se čtyřmi vývody pro vstupní napětí, výstupní napětí, řídicí vstup (Enable) a pochopitelně též zem. Po aktivaci struktury spíná její FET a umožňuje tak průchod proudu ze vstupu na výstup, kde budou napájeny připojené obvody.
Obr. 1: Spínač zátěže ve svém obecném zapojení
Na obr. 2 vidíme výchozí blokové schéma skládající se z několika základních částí. Ty další pak už jen budou rozšiřovat možnosti integrovaného obvodu. Stěžejní část zde tvoří unipolární tranzistor (Pass FET) ovlivňující maximální vstupní napětí a také přípustný zatěžovací proud celého prvku. Jeho odpor v sepnutém stavu pak využijeme při stanovení výkonové ztráty. Setkáme se zde buď s kanálem typu N nebo P, čemuž odpovídá i vnitřní zapojení spínače.
Obr. 2: Pohled do pouzdra běžného Load Switche
Není na tom nic složitého. Budič hradla (Driver) ovlivňující časování, řídicí logika (Control Logic) pracující s externím signálem – řídí spínání FETu včetně dalších bloků (vybíjení výstupní kapacity, nábojová pumpa, ochrany), nábojová pumpa (Charge Pump) v případě výkonového tranzistoru s kanálem typu N kdy k jeho náležitému sepnutí potřebujeme kladný rozdíl napětí mezi hradlem a sourcem (VOUT), blok rychlého vybití zátěže (Quick Output Discharge) zamezující plavání výstupu a konečně též doplňkové funkce v podobě tepelné pojistky (Thermal Shutdown), proudového omezení (Current Limiting) nebo ochrany proti zpětnému toku proudu (Reverse Current Protection).
Co bude vývojáře v dokumentaci zajímat? Tak předně podporovaný rozsah vstupních napětí VIN (Input voltage range), dále VBIAS (Bias voltage range), které může spínač v závislosti na své architektuře vyžadovat k napájení vnitřních bloků, max. trvalý stejnosměrný proud IMAX (Maximum continuous current), odpor v sepnutém stavu RON (ON-state resistance) mezi vstupem a výstupem – tzn. zahrnuje nejen FET, ale též samotné zapouzdření –, klidový odběr IQ (Quiescent Current) pro napájení interních bloků součástky, měřený jako proud tekoucí do vývodu VIN bez přítomnosti jakékoli zátěže na VOUT, proud ISD (Shutdown Current), který poteče stejnou cestou v případě blokované součástky (Disable), proud ION (ON pin input leakage current), sledovaný na vývodu ON za přítomnosti vysoké log. úrovně nebo také odpor RPD (Pull-down resistance) mezi VOUT a GND v případě vypnutého spínače.
Load Switch: kde všude a proč
Spínače zátěže s výhodou použijeme např. v těchto případech:
1) Distribuce napájecího napětí
- Společný napájecí zdroj, různé zátěže a napájení každé z nich bude nezávisle řízeno spínačem. Ušetřené spínané zdroje a lineární stabilizátory si necháme na jindy.
Obr. 3: Řízený rozvod napájecího napětí na desce
2) Řízení posloupnosti a změny stavu
- S tímto požadavkem se v mikroprocesorové technice po zapnutí napájení potkáváme docela často. Díky spínačům zátěže, jednoduše ovládaným třeba z výstupu GPIO, dokážeme nezávisle řídit každou napájecí trasu rovnou v místě zátěže.
3) Snížení (zbytečného) proudového odběru
- Některé části systému budou využity pouze v určitých režimech, ve všech ostatních případech jim napájení „odřízneme“. Souhlasíme, DC/DC měniče, LDO či další napájecí moduly lze zakázat a nechat přejít do režimu Standby. Proudový odběr však může být zásadní i v nízkopříkonových stavech, takže pro razantnější omezení sáhneme po vhodném spínači.
Obr. 4: Srovnání odběru při nečinnosti systému se spínačem a bez něj
4) Ošetření proudových nárazů
- Zapínáme – li naše obvody bez řízení rychlosti přeběhu, pravděpodobně se na vstupním napětí brzy dočkáme poklesů způsobených proudovým odběrem rychle se nabíjející kapacity zátěže. Další potíž pak nastane tehdy, pokud stejné napájení zároveň slouží různým systémům. Spínačem zátěže však dokážeme dobu náběhu výstupního napětí ovlivnit.
5) Řízené vypínání
- Nevládne – li náš měnič nebo stabilizátor funkcí rychlého vybití výstupní kapacity, bude napětí na zátěži po vypnutí plavat. Chybí zde nějaký definovaný stav. I tuto otázku řešíme load switchem vybíjejícím výstup, takže po opětovném zapnutí vše startuje najisto.
Obr. 5: Řízeně vypínat neznamená nechat nekontrolovaně „plavat“
6) Ochranné prvky
- Některé spínače zátěže vývojářům nabídnou další užitečné vlastnosti, např. ochranu proti zpětnému toku proudu, hysterezi řídicího vstupu (viz také obr. 6), proudové omezení, podpěťový zámek nebo teplotní pojistku. Pokud již za nás někdo vše připravil a odzkoušel, nebude zřejmě nutné řešit doplňkové funkce, ale ani ty nejzákladnější, mnoha diskrétními součástkami okolo.
Obr. 6: K hysterezi řídicích obvodů pro zvýšení odolnosti vůči rušení
Jak na zátěž
Při výběru vhodného spínače zátěže budeme pamatovat na několik základních specifikací. A začínáme samotným výkonovým tranzistorem.
Počítáme se spínači
- Základní výpočty, související s návrhem integrovaných spínačů zátěže, zájemci naleznou v Application Report SLVA652 od společnosti Texas Instruments z dubna 2014, dole pod článkem. Vše začíná na straně 9.
Se spínačem úzce souvisí též odpor v sepnutém stavu RON. Rozhoduje totiž o napěťovém úbytku a také ztrátovém výkonu. Klíčové bude též stejnosměrné vstupní napětí VIN a proud IMAX, trvalé, ale též s přihlédnutím k přechodovým napětím nebo špičkovým proudům. A aby toho nebylo málo, některé spínače budou se svými vnitřními obvody vyžadovat vlastní napájení (Bias), nezávisle na vstupním napětí.
Z hlediska proudů zde ještě rozlišujeme mezi IQ (Quiescent Current) a ISD (Shutdown Current). První jmenovaný struktura při zapnutém spínači spotřebuje a my jej přičítáme k výchozí ztrátě I2R. Bude – li však proud zátěží dostatečně velký, lze takový přírůstek zanedbat. ISD zase vstupuje na scénu při zablokovaném prvku – viz také část věnovanou snížování proudového odběru. S nárazovými proudy bude zase souviset doba náběhu tR, která se liší součástku od součástky a aplikace od aplikace. Odběr je pak tomuto času nepřímo úměrný a znát jeho přípustnou míru se rozhodně vyplatí.
Řízené vypínání, spojované s rychlým vybitím kapacity na zátěži, jsme již zmiňovali a chválili, protože výstup již neplave a pokaždé se nám nachází ve stanoveném stavu. Připojené moduly jsou vždy zcela vypnuty. Nepůjde to však ve všech případech a my zmíníme dva z nich. Prvním je baterie připojená k výstupu a druhým pak konfigurace spínačů zátěže jako multiplexer se dvěma vstupy a jedním společným výstupem.
Obr. 7: Příklad přepínání (multiplex) dvou zdrojů s jednou zátěží. Spínače jsou aktivní v nule a mají ochranu proti zpětnému toku proudu
A na závěr ještě malá poznámka ke kondenzátorům. Ten vstupní bude sloužit ke kompenzaci úbytku napětí v případě přechodových jevů způsobených nabíjením výstupního kondenzátoru. Doporučujeme proto mezi vývody VIN a GND, poblíž samotného vstupu, osadit kapacitu 1 μF, pro předpokládané větší proudy i více. Kondenzátor je sice nesmírně důležitý, nicméně spínač zátěže jako takový bude pracovat i bez něj.
Celková výstupní kapacita mezi VOUT a GND zase může po odpojení zdroje zapříčinit navýšení výstupního napětí nad vstupní úroveň VIN a zpětný průtok proudu skrz diodu výkonového FETu, nebude – li obvod proti něčemu takovému chráněn. Abychom tomu zabránili, zkusíme volit vstupní a výstupní kapacity v poměru 10:1. Bezpodmínečně nutné to však není.
Download a odkazy:
- Domovská stránka Texas Instruments: www.ti.com
