„Keep it simple“ je dobře známá konstrukční poučka, která v podstatě znamená, že čím více komponent obvod obsahuje, tím je větší pravděpodobnost, že se něco pokazí. Cílem každého návrhu je design, který bude spolehlivě pracovat i v extrémních podmínkách a bude obsahovat jen minimum komponent. Proto se hledají integrované obvody, které nahrazují komponenty náchylné na poškození.
Například výkonový spínač MOSFET se používá v automobilovém průmyslu jako náhrada tradičních elektromechanických relé. Desítky těchto spínačů poskytují jednoduché ovládání (zapnuto/vypnuto) napájení motoru, převodovky, osvětlení či brzd. Tyto výkonové spínače mají životnost přesahující jeden milion cyklů a na rozdíl od elektromechanických relé nejsou náchylné na selhání kontaktů v důsledku tření, stárnutí, plynů nebo karbidů v drsném automobilovém prostředí.
Tyto polovodičové spínače jsou náchylné na zkraty a přechodové jevy, ke kterým dochází při spínání vysokoenergetických obvodů. V důsledku toho musí být spínač obklopen různými ochrannými komponenty, které pohlcují energii, aby se spínač stal odolnějším. Tyto přídavné součásti mohou být umístěny mimo spínač MOSFET nebo být integrovány přímo v jeho pouzdře a přeměnit jej na inteligentní spínač napájení (IPD - intelligent power device) (obrázek 1).
Obrázek 1: Jednoduchý MOSFET může fungovat jako spínač napájení (vlevo), ale postrádá součásti pohlcující energii (vpravo), které jej chrání před skutečným světem plný přechodných jevů a zkratů. (Zdroj obrázku: ROHM Semiconductor, upraveno autorem)
Téměř každý napájecí obvod potřebuje ochranu proti nadměrnému proudu a následnému poškození spínače nebo připojené zátěže. Řešení nadproudové ochrany je snadné a dobře známé v podobě tepelně aktivované pojistky, kde její vlastnosti odpovídají použitému napájecímu napětí a proudu. Pokud dojde k překročení nastaveného limitu proudu, pojistka se aktivuje a přejde do režimu otevřeného obvodu, čímž se zcela přeruší tok proudu. V některých případech ale pojistka funguje až příliš rychle a mikrokontroler nemůže monitorovat proud a ovlivňovat velikost procházejícího proudu. Inteligentní spínač při překročení limitu proudu vysílá chybový signál do MCU a ten je schopen proud omezit nebo dokonce úplně zastavit.
Pokročilé IPD spínače v rodině AECQ-100 od ROHM Semiconductor navíc poskytují ochranné funkce i bez zásahu MCU. Tyto obvody s certifikací pro automobilový průmysl (AEC-Q100) se dodávají v jednokanálových a dvoukanálových konfiguracích. Jsou integrovány do 8 pinových pouzder a podporují širokou škálu napětí a proudu. Například BD1HD500FVM-CTR je jednokanálový high-side spínač s odporem RDS(ON) 500 mΩ a limitem proudu 1,45 A v 8 pinovém pouzdru MSOP. Naproti tomu jednokanálový BV1LB025EFJ-CE2 je low-side spínač s RDS(ON) 45 mΩ a proudovým limitem 13 A v pouzdře HSSOP-C16.
Řada spínačů IPD AECQ-100 je schopna dodávat minimální úroveň proudu během tzv. ochranného provozu, takže obvod pokračuje v činnosti (pokud je to možné) a zároveň se generuje chybový signál do MCU. To umožňuje mikrokontroleru monitorovat proud i v případě, že se vyskytnou během provozu nějaké výkyvy proudu, které nejsou fatální (například inruch current při spínání). Tím pokročilé IPD spínače zabraňují zbytečným výpadkům obvodu (obrázek 2).
Obrázek 2: Vypnutí je jedinou možností při použití standardního IPD spínače. Spínač ROHM IPD však podporuje jak ochranu proti nárazovým proudům, tak provoz v jeho ustáleném stavu po vybavení ochrany. (Zdroj obrázku: ROHM Semiconductor)
Standardní pojistky s definovanými provozními rezervami zabraňují neúmyslnému přerušení v důsledku vyššího zapínacího proudu během zapínání systému (obrázek 3 nahoře). Tento „polštář“ nebo také „maskování“ však znesnadňuje nastavení požadovaného limitu. Naproti tomu IPD spínače ROHM chrání před nárazovým proudem a nepotřebují definovat velikost maskování. (Obrázek 3, dole).
Obrázek 3: Standardní tepelná pojistka má oblast nejednoznačnosti, která se maskuje čili eliminuje neúmyslnou aktivaci v důsledku zapínacích proudů – inrush current (nahoře). Zatímco spínač ROHM IPD má sofistikovanější prahové hodnoty a limity (dole). (Zdroj obrázku: ROHM Semiconductor)
Výsledkem je vysoce přesná detekce i malých odchylek proudu při ustáleném provozu. Vzhledem k tomu, že do zátěže je stále dodáván minimální proud namísto vypnutí, systémový mikrokontroler MCU má přístup k měření proudu a může provádět operace preventivní údržby a přitom detekovat abnormality i během provozu. Použitím inteligentních napájecích spínačů doplněných o ochranné komponenty je nezbytným, ale ne dostatečným krokem k implementaci efektivního power-rail managementu, zejména v náročných automobilových podmínkách.
Závěr
Cílem návrhu je dosáhnout jednoduchého designu a získat spolehlivý a bezpečný provoz produktu. IPD spínače z rodiny ROHM AECQ-100 k tomu potřebují jen minimum externích komponent a navíc obsahují funkce, které pojistky a běžné IPD spínače nabídnout nemohou. Podrobné informace naleznete ve videoblogu IPD Automotive Switches s Nickem Ikutou nebo v tutorialu IPD - Inteligetní spínače napájení.
Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com
