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再談高端開關

  • 分類:應用
  • 作者:航晶微電子
  • 來源:
  • 發(fā)布時間:2022-02-16
  • 訪問量:

在控制系統(tǒng)中,經常會遇到在特定時刻對某一個/多個有效載荷配電。這就需要在電源匯流條下端加開關完成。常見的開關有兩種模態(tài),如下圖所示:

在控制系統(tǒng)中,經常會遇到在特定時刻對某一個/多個有效載荷配電。這就需要在電源匯流條下端加開關完成。常見的開關有兩種模態(tài),如下圖所示:

這兩種都有用場。高端開關主要用于高/中壓場合;低端開關主要用于5V/3.3V應用場合。

高端開關

下面主要分析高端開關。

原則上,高端開關用繼電器實現(xiàn)最為方便,且繼電器的接觸電阻很小(一般為幾個毫歐,視觸點面積大小而定)。但現(xiàn)代電子系統(tǒng)中一般均盡量避免用繼電器。原因是在繼電器吸合瞬間/斷瞬間(兩觸點間距在um級時)容易“拉弧”(尤其是中/高壓場合),影響系統(tǒng)工作壽命。

故現(xiàn)代電子系統(tǒng)中,一般均采用MOS-FET作為開關元件,也叫“無觸點開關”。相對于繼電器來說它的導通損耗大(因為MOS管的導通電阻不可能做得那么?。珒?yōu)點是沒有機械動作,因而壽命長。再就是可以快速切換(對有些負載這點很關鍵)用MOS管作高端開關又分為兩種情況:

P-MOS:易于實現(xiàn)。但由于“空穴”的遷移率低,故一般只能適合于中壓(10V~100V)、中功率(≤10A)場合。

N-MOS:需要“浮柵”驅動,難實現(xiàn)。但由于“電子”的遷移率高,故適用于高壓(≥200V),大功率(≥50A)的應用場合。

這兩種開關均能任意控制開/關的速度,以適應不同的ZL負載需求。圖中△V為MOS管的導通壓降。

 

由于有導通損耗和開關損耗,應用中要根據(jù)系統(tǒng)控制要求和負載情況,對MOS管的控制策略作出調整,并對MOS管加相應散熱。

高端開關的實現(xiàn)方式

那么,一個完成的高端開關應該有哪幾部分組成呢?下面以P-MOS管為例來說明。(見下框圖)

由以上框圖可以看出,典型的中電壓、中功率高端開關由開關管(M1),電流采樣(Ro),高共模電壓儀表放大器(INA),比較器(COMP),延時、溫度傳感器、與邏輯門、電平轉換以及控制開/關速率的RC網絡等構成。“OVL”為過流指示,“So”為輸出指示,“EN”為開/關控制信號。這樣的組合比較適合航空28V電源系統(tǒng)。因為組成不復雜,體積小,易于實現(xiàn)。

這個系統(tǒng)幾個核心點需要特別說明如下:

l 功耗。主要取決于M1的導通電阻Ron(在不計開關損耗情況下)和電流采樣電阻Ro的大小。一般情況下均選Ron和Ro盡可能小。

l 開關速率控制。通過調節(jié)R1、R2、C1完成,要以負載的特性而定。假若負載呈現(xiàn)純電阻特性,則適合于快速開關控制,以減少M1的動態(tài)功耗。若負載呈現(xiàn)容性/感性負載,則只能采用慢速開關控制策略。因為電容上的電壓不能突變,電感上的電流不能突變。若切換速率太快的話,容易使過流檢測誤動作,也會對電源供電系統(tǒng)造成污染。

l 過流打嗝態(tài)(hiccup),通過調節(jié)比較輸出延時和控制M1的上升/下降時間共同完成。打嗝態(tài)是電源供電系統(tǒng)均應具備的一個功能。符合下圖所示特質。

就是說,在上送機發(fā)出EN信號時,高端開關應該處于正常供電狀態(tài)。但由于負載ZL出現(xiàn)了超負荷(比如短路)則電流采樣電阻R0檢測到這個過電流,進而當?shù)乜刂芃1截止。M1截止后,過電流態(tài)消失,又能正常供電了。但由于過流態(tài)還在,于是系統(tǒng)又嘗試關斷M1。這樣周而復始,就會出現(xiàn)類似于上圖所示波形,俗稱“打嗝態(tài)”。

它的重要性體現(xiàn)在兩個方面,一是通過當?shù)財嗬m(xù)關斷開關管M1以保護管子不被燒毀。二是上位機檢測過流指示信號“OVL”打嗝一定次數(shù)后發(fā)EN命令遠程關斷M1。

l 電平轉換,主要是為了與上位中控計算機的信號電平兼容而設的。有時由于中控計算機與+VS電源系統(tǒng)不共地,還需要加隔離。

l D1的作用是保護M1的柵源不擊穿。D2的作用是M1斷開時為負載續(xù)流。

以上談的是中壓中功率高端開關的實現(xiàn)方式。

高壓大功率高端開關的實現(xiàn)策略

 

下面簡單介紹一款高壓大功率高端開關的實現(xiàn)策略。

高壓大功率高端開關設計的首要考慮就是要減小功耗。因此上面介紹的“Shunt”型電流采樣就不能用了。另外由于P-MOS管的遷移率問題和制造工藝因素,很難做到≥200V以上的耐壓和小的導通電阻Ron,必須要換成N-MOS管來完成;其次是考慮到功率地(PGND)上的串擾會影響/燒毀上位中控計算機,則OVL,EN,SO信號必須要加隔離;再者就是散熱,有時風冷已不可靠,得采用油冷/水冷對M1散熱。(見下框圖)

由上圖可以看出,采用N-MOS管作為開關元件,采用磁惠斯通橋來作為電流采樣,采用HJ393A來驅動N-MOS,加入溫度傳感器測量N-MOS的結溫,要引入控制電源VDD。這樣的組合有利于減小功耗(無上述的Ro),能夠完成N-MOS的浮柵驅動也能完成過溫保護。

作為一個完善的高端開關設計,除要考慮上基本組成外,還要考慮負載(即上圖中的ZL)的特性。純阻性負載是不存在的,一般負載都是一個電阻R、電容C、電感L的組合體。電容的儲能作用會造成開關管M1導通瞬間的電流浪涌,電感的續(xù)流作用會造成M1關斷時要承受負電壓脈沖,這些因素均會對功率管M1的長期可靠工作造成負面影響。

最后,作為在惡劣環(huán)境下應用的高端開關。還應考慮環(huán)境應力(比如溫度應力、沖擊/振動應力、電磁環(huán)境應力等)的適應性。