ПОШАГОВАЯ МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОММУТАТОРОВ ЦЕПЕЙ ПИТАНИЯ

12.05.2023 |

В различных электрических и электронных системах и устройствах возникает необходимость коммутации цепей питания. Такая коммутация может быть выполнена путем отключения первичного источника питания (батареи) или нагрузки. Для этих целей могут быть использованы электромеханические переключатели. Однако, если цепи питания отключаются или подключаются автоматически, то для этого используются управляемые электронные ключи. В качестве ключей применяются МОП-транзисторы или ИМС на основе МОП-транзисторов, как показано на рис.1.

При проектировании средств коммутации цепей питания необходимо выполнить несколько последовательных шагов:
1. На первом этапе следует выбрать тип коммутирующего элемента, например, это может быть n-канальный или p-канальный МОП-транзистор. Отметим, что n-канальный МОП-транзистор имеет меньшее сопротивление в замкнутом состоянии по сравнению с p-канальным МОП-транзистором и, следовательно, имеет меньшие потери. Однако для управления n-канальным МОП-транзистором, как правило, требуется более высокое напряжение, чем напряжение питания коммутируемой цепи. Следовательно, для управления таким ключом ИМС драйвера должна включать генератор подкачки заряда. Для управления p-канальным МОП-транзистором нет необходимости в дополнительном источнике питания.
2. На втором этапе необходимо выбрать конструктивное решение электронного переключателя. Так, например, можно использовать МОП-транзистор с драйвером в одной ИМС, или применить ИМС драйвера и МОП-ключ в разных корпусах. В пользу интеграции ключевого транзистора и драйвера говорит следующее: такая ИМС хорошо защищена от внешних воздействий, имеет меньшие размеры и более технологична при сборке проектируемого устройства.
К недостаткам полностью интегрированного решения переключателя можно отнести ограниченную номенклатуру таких ИМС на рынке электронных компонентов и более высокую их стоимость по сравнению с общей стоимостью ключа и драйвера в разных корпусах.
3. На третьем этапе следует установить, достаточно ли одного МОП-транзистора для реализации требуемого переключателя цепи питания. Как показано на рис. 1, МОП-транзистор имеет внутренний диод. Из этого следует, что такой ключ может коммутировать ток в цепи питания только в одном направлении. Если в проектируемом устройстве требуется коммутировать токи в цепях питания в двух направлениях, необходимо использовать ключ, выполненный на основе двух последовательно включенных МОП-транзисторов, как показано на рис. 2.

Рис. 2. Коммутация цепи питания с помощью двух последовательно включенных n-канальных МОП-транзисторов, управляемых драйвером LTC7003

4. На четвертом этапе необходимо выбрать ИМС драйвера для транзисторного ключа, если драйвер и МОП-транзистор выполнены в разных корпусах. Этот шаг, на первый взгляд, кажется тривиальным, но он может оказаться достаточно сложным, т.к. на этом этапе необходимо выбрать контроллер с возможностью горячей замены, электрические предохранители, устройства защиты от перенапряжения, диоды с «идеальной» характеристикой и другие компоненты. Оптимальный выбор во многом определяется применением проектируемого изделия.
С помощью моделирования в среде LTspice® компании Analog Devices можно проверить, соответствует ли сделанный пошаговый выбор ключевых элементов, конструкции, ИМС драйвера и других компонентов для коммутации цепей питания требованиям спецификации на проектируемое изделие. Пример анализа работы контроллера LTC4414 с отключением нагрузки в среде LTspice показан на рис. 3. Контроллер LTC4414 предназначен для коммутации цепей питания с помощью внешнего p-канального МОП-транзистора FDR840P.

Рис. 3. Анализ работы контроллера LTC4414 с отключением нагрузки в среде LTspice

ВЫВОДЫ
Сложность коммутации цепей питания зависит от применения проектируемого устройства или системы. ИМС драйверов МОП-ключей компании Analog Devices упрощают решение такой задачи. Процесс предварительного проектирования устройств коммутации цепей питания может быть выполнен в среде LTspice компании Analog Devices.