Spínač zátěže v podobě integrovaného obvodu nepotřebuje žádné externí diskrétní součástky a díky tomu dochází ke značnému zmenšení designu. Tento článek vysvětluje důvod použití spínačů zátěže a popisuje jejich základních i pokročilé funkce. Podíváme se podrobně na tři nové integrované obvody řady TCK12xBG od Toshiba Electronic Devices & Storage Corporation, kde si ukážeme jejich praktické použití.

Základní vlastnosti spínačů zátěže

Základní spínač zátěže má pouze čtyři piny: vstupní napětí, výstupní napětí, aktivační pin a zem (obrázek 1). Když je na jeho ovládací pin ON/OFF (který může být aktivní při High nebo při Low) přiveden řídicí signál aktivní logické úrovně, příslušný tranzistor se sepne. Tím se umožní tok proudu ze vstupního pinu V_IN k výstupnímu pinu V_OUT.

Obrázek 1: Základní spínač zátěže je postaven na technologii FET. Spínač povolí nebo blokuje tok proudu ze stejnosměrného zdroje do zátěže prostřednictvím elektronického řídicího signálu. (Zdroj obrázku: Bill Schweber)

Spínač zátěže není jen tranzistor. Zahrnuje také řídicí logiku, ovladač FET tranzistoru a různé funkce ochrany obvodu jako je nadproudová ochrana a blokování zpětného proudu. Mohou být implementovány také i jiné užitečné funkce jako je řízení rychlosti přeběhu při zapnutí napájecí cesty nebo ochrana proti přehřátí. Ve své nejjednodušší konfiguraci je spínač zátěže použit mezi napájením a napájecí cestou jedné zátěže, aby ji bylo možné v případě potřeby zapnout prostřednictvím PMIC (power management IC) nebo uvést do klidového stavu za účelem úspory energie (obrázek 2).

Obrázek 2: Ve své nejjednodušší konfiguraci je spínač zátěže řízen PMIC a řídí tok proudu do jedné zátěže. (Zdroj obrázku: Toshiba)

Parametry spínače zátěže

Spínač zátěže má několik klíčových parametrů, které se musí vzít v úvahu. Nejdůležitější parametr je maximální vstupní napětí a maximální výstupní proud, který může proudit do zátěže skrz jeho vnitřní odpor. Další parametry také nesmíme opomenout:

• Klidový proud I_Q: Proud potřebný k napájení spínače při nulovém výstupním proudu
• Pohotovostní proud I_SD: Proud tekoucí do V_IN, když je IC deaktivován
• Vstupní svodový proud na pinu ON (I _ON ): Proud tekoucí do ovládacího pinu ON/OFF, když je ve stavu „enable“

Nízký klidový proud a pohotovostní proud jsou důležitými parametry v bateriově napájených aplikací jako jsou nositelná zařízení, chytré telefony a moduly IoT, kde tyto proudy mají velký vliv na životnost baterie a provozní dobu.

Nadproudová ochrana

Funkcí nadproudové ochrany spínače zátěže není jen ochrana proti dočasnému nebo trvalému zkratu na zátěži. Nadproudová ochrana může zmírnit pokles výstupního napětí, ke kterému dochází v případě, když napájecí cesta napájí několik zátěží a jedna zátěž se zapne rychleji (obrázek 3). Náhlé zvýšení aktuální poptávky způsobí, že výstup na okamžik poklesne pod svou nominální hodnotu. Toto zpoždění nebo také doby zotavení je určeno vlastnostmi zátěže, ale i napájecího zdroje.

Obrázek 3: Jeden spínač zátěže může napájet více zátěží, které se nemusí rozběhnout a zapnout současně. (Zdroj obrázku: Toshiba)

Tento pokles může způsobit, že se druhá zátěž nespustí správně nebo se chová nestandardně. Z těchto důvodů je užitečná funkce spínače omezující proud, protože zmírňuje pokles výstupního napětí vyvolaný zvýšenou poptávkou po proudu první zátěží. Mnoho systémů potřebuje zajistit, aby jejich zátěže byly napájeny ve specifické sekvenci a s definovaným načasováním mezi jednotlivými napájecími cestami. V těchto případech se používá více spínačů, které jsou pod kontrolou PMIC řídící jejich pořadí a přesnou časovou posloupnost (obrázek 4).

Obrázek 4: Použitím více spínačů zátěže lze řídit pořadí a načasování zapnutí různých zátěží, a tím zajistit správnou funkci systému. (Zdroj obrázku: Bill Schweber)

Blokování zpětného proudu

Blokování zpětného proudu je přesně to, co název napovídá. Zabraňuje zpětnému toku proudu, když je napětí na výstupní straně vyšší než na vstupní straně. K tomu může dojít ve dvou situacích.

Za prvé, napájecí zdroj, například baterie, může být nechtěně připojena obráceně. Buď při výměně baterie se nechtěně dotkneme uvolněných kabelů nebo prostě uživatel nechtěně připojí baterii obráceně.

Druhá situace může nastat pokud dva zdroje různých napětí jsou multiplexovány do zátěže (obrázek 5). Napětí na sdílené výstupní straně může být vyšší než napětí na vstupní straně zdroje nižšího napětí. V tomto zapojení může proud téci ze strany vyššího napětí na stranu nižšího napětí a poškodit zdroj nižšího napětí.

Obrázek 5: Problémy se zpětným tokem proudu mohou nastat, když jsou dva zdroje připojeny do jedné zátěže. (Zdroj obrázku: Toshiba)

Existují tři způsoby, jak se vypořádat s blokováním zpětného proudu:

• Nejjednodušší způsob je přidat diodu do série s výstupem. Pokles napětí na diodě (0,6 V až 0,8 V pro standardní křemíkovou diodu) však snižuje napájecí napětí a dioda musí mít dostatečný jmenovitý výkon pro rozptýlení ztrátového výkonu do okolí.
• Druhým způsobem je použití MOSFET tranzistor v sérii, ale ten také díky odporu (R_ON) způsobuje pokles napětí a musí vyzářit ztrátový výkon do okolí.
• Třetí možností je použití spínače zátěže s funkcí blokování zpětného proudu.

Funkce vybíjení

Funkce automatického vybíjení spojuje V_OUT a GND, když je spínač v stavu OFF. Toto rychlé výstupní vybití má mnoho výhod:

• Výstup není ponechán plovoucí a je vždy ve známém stavu.
• Připojené zátěže jsou vždy zcela vypnuty.

Existují však situace, kdy rychlé vybití výstupu není žádoucí:

• Pokud je ke spínači připojena baterie, rychlé vybití výstupu může způsobit vybití baterie
• Pokud jsou dva spínače zátěže použity v multiplexeru se dvěma vstupy a jedním výstupem (kde jsou výstupy svedeny v jeden), proud by protékal vnitřním odporem k zemi, kdykoli by spínač byl ve stavu OFF.

Proto je při konfiguraci výkonového multiplexeru zátěže nutné vybrat spínač, který nemá funkci vybíjení. Zde je potřeba volit funkci nazývanou skutečné blokování zpětného proudu. To zabraňuje zpětnému toku proudu z výstupní svorky na vstupní bez ohledu na stav ON/OFF spínače.

Spínač zátěže s touto funkcí porovnává vstupní napětí V_IN s výstupním napětím V_OUT uvnitř integrovaného obvodu. Obvod zabraňující zpětnému toku se aktivuje v momentě, kdy V_OUT > V_IN (obrázek 6).

Obrázek 6: Skutečné blokování zpětného proudu zabraňuje toku proudu na vstupní svorku z výstupní svorky bez ohledu na to, zda je spínač zátěže zapnutý nebo vypnutý. (Zdroj obrázku: Toshiba)

Další podrobnosti spojené se skutečným blokováním zpětného proudu a funkcí automatického vybíjení naleznete v aplikační poznámce společnosti Toshiba „ Overcurrent Protection and Reverse Current Blocking of the Load Switch IC “.

Integrované obvody nové generace

Spínače zátěže se stále více přizpůsobují požadavkům konkrétních aplikací. To jasně demonstruje řada spínačů zátěže Toshiba TCK12xBG nové generace, která se skládá ze tří integrovaných obdvodů: TCK126BG , TCK127BG a TCK128BG (obrázek 7).

Obrázek 7: Vnitřní blokové schéma spínačů řady TCK12xBG ukazuje jejich funkční jednoduchost. Na obrázku je TCK128BG. (Zdroj obrázku: Toshiba)

Tyto tři integrované obvody jsou dimenzovány pro provoz od 1,0 do 5,5 V a proudu do 1 A. Jejich vlastnosti jsou lepší než jejich předchůdci a dostupná konkurenční zařízení. Nejdramatičtější je snížení klidového proudu I_Q ze 110 nA až na pouhých 0,8 nA. To představuje snížení o 99,9 %. Pohotovostní proud je pouhých 13 nA. Typický odpor při zapnutí R_ON je 46 mΩ při 5,0 V; 58 mΩ při 3,3 V; 106 mΩ při 1,8 V a 210 mΩ při 1,2 V.

Jsou také mnohem menší než jiné dostupné jednotky od společnosti Toshiba a dalších dodavatelů ve stejné napěťové/proudové třídě. Jsou dostupné v pouzdrech WCSP4G o rozměrech 0,645 × 0,645 × 0,465 mm, s roztečí kuliček 0,35 mm. To představuje 34% snížení plochy oproti předchozím spínačům v balení 0,79 × 0,79 × 0,55 mm a s roztečí 0,4 mm (obrázek 8).

Obrázek 8: Menší velikost zařízení TCK12xBG ve srovnání s jejich předchůdci přináší 34% snížení plochy na desce plošných spojů. (Zdroj obrázku: Toshiba, upraveno autorem)

Tato malá velikost poskytuje významnou úsporu místa na desce, a to ocení zejména výrobci nositelných zařízení. Pouzdro má navíc speciální vrstvu na zadní straně o tloušťce 25 μm, která eliminuje poškození a zabraňuje odštípnutí. Tři spínače v této rodině mají vestavěné ovladače pro řízení rychlosti přeběhu s dobou náběhu 363 µs při 3,3 V. Spínače se liší v tom zda je nebo není implementována funkce rychlého vybití výstupu a při jaké úrovni napětí je aktivní pin ON/OFF (obrázek 9).

Obrázek 9: Tři zátěžové spínače v rodině TCK12xBG se liší párováním funkce Quick Output Discharge a tím, zda je ovládací vedení aktivní vysoké nebo aktivní nízké. (Zdroj obrázku: Toshiba)

Závěr

Spínače zátěže v integrované podobě hrají velkou roli při snížení spotřebě energie a zmenšení celkového designu zejména u nositelných zařízení. Řada spínačů TCK12xBG se vyznačuje nízkým klidovým proudem a miniaturními rozměry. Spínače mají mnoho přídavných funkcí, které splňují požadavky na funkčnost a ochranu, a zjednodušují design.

Doplňující informace

• Toshiba „ Výukový modul pro přepínání zátěže “

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com, autorem je Bill Schweber.