Еще о высококачественных выключателях

В системах управления часто возникает необходимость распределения питания одной или нескольких полезных нагрузок в определённый момент времени. Для этого необходимо добавить выключатели на выходе шины питания. Обычно используются два типа выключателей, как показано на рисунке ниже:

Выключатель высокого уровня                 Выключатель низкого уровня

Оба типа находят своё применение. Выключатели высокого уровня в основном используются в высоковольтных/средневольтных приложениях ； Выключатели низкого уровня в основном используются в приложениях с напряжением 5 В/3,3 В. Ниже основное внимание уделяется выключателям высокого уровня.

В принципе, для реализации выключателей высокого уровня наиболее удобны реле, и контактное сопротивление реле очень мало (обычно несколько милли ом, в зависимости от площади контактной поверхности). Однако в современных электронных системах использование реле стараются избегать. Причина в том, что в момент замыкания/размыкания реле (когда расстояние между двумя контактами составляет /断瞬间（两触点间距在 мкм порядка) легко происходит «дугообразование» (особенно в средне/высоковольтных приложениях), что влияет на срок службы системы.

Поэтому в современных электронных системах обычно используются MOS-FET в качестве переключающих элементов, также называемых «бесконтактными выключателями». По сравнению с реле, их потери на проводимость больше (поскольку сопротивление проводимости МОП-транзистора невозможно сделать настолько малым), но преимущество заключается в отсутствии механического действия, а значит, и в более длительном сроке службы. Кроме того, они обеспечивают быстрое переключение (что очень важно для некоторых нагрузок). Использование МОП-транзисторов в качестве выключателей высокого уровня подразделяется на два случая:

P-MOS: Легко реализуется. Однако из-за низкой подвижности «дырок» обычно подходит только для средневольтных (10 В ～ 100 В) и среднемощных (≤10 А) приложений.

N-MOS: Требует управления с «плавающим затвором», что сложно реализовать. Однако из-за высокой подвижности «электронов» подходит для высоковольтных (≥200 В) и высокомощных (≥ 5 0 А) приложений.

Оба типа выключателей позволяют произвольно управлять скоростью _{включения/выключения для удовлетворения различных требований нагрузки Z} L . На рисунке

△V — падение напряжения на МОП-транзисторе в открытом состоянии. 。 Быстродействующие выключатели: только потери на проводимость 。

Подходят для высокочастотных приложений Медленные выключатели: помимо статических потерь, также имеются потери при переключении 。 Подходят для приложений с нечастым переключением 。

Из-за потерь на проводимость и переключение, в зависимости от требований системы управления и нагрузки, необходимо корректировать стратегию управления МОП-транзисторами и необходимо обеспечить соответствующее охлаждение МОП-транзисторов.

Итак, из каких частей должен состоять готовый выключатель высокого уровня? Рассмотрим пример с P-MOS транзистором (см. схему ниже).

Как видно из схемы, типичный выключатель высокого уровня среднего напряжения и средней мощности состоит из переключающего транзистора ( M ₁ ), датчика тока ( R ₀ ), инструментального усилителя с высоким общим напряжением ( INA), компаратора (COMP), цепи задержки 、 и логических вентилей 、 преобразователя уровня и цепи управления скоростью включения/выключения, RC-цепи и т.д. «OVL» — индикация перегрузки по току, «S _O » — выходной индикатор, «EN» — сигнал управления включением/выключением. Такая комбинация хорошо подходит для бортовой / системы питания 28 В. Она несложная по составу, компактная и простая в реализации. Несколько ключевых моментов этой системы требуют особого пояснения:

Потребляемая мощность

50. в основном зависит от 。 сопротивления проводимости M ₁ ON R _{(без учёта потерь при переключении) и сопротивления датчика тока} . Обычно выбираются R _O наименьшие возможные значения R _{(без учёта потерь при переключении) и сопротивления датчика тока} и R _O значения.
50. Управление скоростью переключения. Регулируется с помощью R ₁、 R ₂、 C ₁ и зависит от характеристик нагрузки. Если нагрузка имеет чисто резистивный характер, то подходит быстрое переключение для уменьшения M ₁ динамических потерь. Если нагрузка имеет ёмкостный /индуктивный характер, то следует использовать стратегию медленного переключения. Напряжение на конденсаторе не может изменяться скачком, а ток в индуктивности не может изменяться скачком. Слишком высокая скорость переключения может привести к ложному срабатыванию защиты от перегрузки по току, а также к загрязнению системы электропитания.
50. Защита от перегрузки по току с прерывистым отключением ( hiccup), регулируется с помощью задержки выхода компаратора и управления M ₁ подъема /время спада завершается совместно. Режим прерывистой работы является функцией, которой должны обладать все системы электропитания. Соответствует характеристикам, показанным на рисунке ниже.

Иными словами, когда передатчик отправляет сигнал EN, высоковольтный ключ должен находиться в состоянии нормального питания. Но из-за нагрузки Z _{включения/выключения для удовлетворения различных требований нагрузки Z} возникает перегрузка (например, короткое замыкание), то на токоизмерительном резисторе R ₀ обнаруживается этот переток тока, и локальное управление M ₁ прекращается. M ₁ После прекращения, состояние перегрузки тока исчезает, и питание восстанавливается. Но поскольку состояние перегрузки тока все еще существует, система снова пытается отключиться M ₁ Таким образом, циклически повторяясь, возникает подобная показанной на рисунке выше форма волны, которая обычно называется «эффектом прерывистого питания».

Его важность проявляется в двух аспектах: во-первых, путем локального прерывистого отключения ключа M ₁ для защиты ключа от перегорания. Во-вторых,上位机 обнаруживает сигнал индикации перегрузки тока «OVL», после определенного количества прерываний отправляет команду EN для дистанционного отключения M ₁。

50. Преобразование уровня, в основном, предназначено для обеспечения совместимости с сигнальным уровнем центрального управляющего компьютера. Иногда, из-за того, что центральный управляющий компьютер и +V _S система питания не имеют общего заземления, требуется дополнительная изоляция.
50. D ₁ служит для защиты M ₁ затвора от пробоя. D ₂ служит для M ₁ пропуска тока нагрузки при отключении.

Выше говорилось о способах реализации высоковольтных ключей средней мощности.

Ниже приводится краткое описание стратегии реализации высоковольтного ключа большой мощности.

Главным приоритетом при проектировании высоковольтного ключа большой мощности является уменьшение энергопотребления. Поэтому описанный выше « Shunt » тип измерения тока использовать нельзя. Кроме того, из-за проблемы подвижности носителей заряда в P-MOS транзисторах и технологических факторов, трудно достичь ≥ пробивного напряжения выше 200 В и малого сопротивления в открытом состоянии R _{o n} ， необходимо заменить на N-MOS транзистор; во-вторых, учитывая, что помехи на линии питания (PGND) могут повлиять/повредить центральный управляющий компьютер, сигналы OVL, EN, SO должны быть изолированы; в-третьих, это теплоотвод, иногда воздушного охлаждения недостаточно, и необходимо использовать масляное/водяное охлаждение для M ₁ теплоотвода. (см. блок-схему ниже)

Из приведенной выше схемы видно, что используется N-MOS транзистор в качестве переключающего элемента, мост Уитстона в качестве датчика тока, HJ393A для управления N-MOS, датчик температуры для измерения температуры перехода N-MOS, необходимо ввести управляющее напряжение V _DD Такая комбинация способствует снижению энергопотребления (без вышеупомянутого R _O ), позволяет управление затвором N-MOS также обеспечивает защиту от перегрева.

В качестве законченного проекта высоковольтного ключа, помимо основных компонентов , необходимо также учитывать нагрузку (т.е. на рисунке выше ZL ) характеристики 。 Чисто резистивная нагрузка не существует ， Обычно нагрузка представляет собой комбинацию резистора R, конденсатора C, индуктивности включения/выключения для удовлетворения различных требований нагрузки Z Комбинация. Энергоемкость конденсатора приведет к тому, что ток ключа M ₁ в момент включения будет скачкообразным , Индуктивность продолжительного тока приведет к тому, что M ₁ при выключении придется выдерживать отрицательный импульс напряжения ， Все эти факторы негативно влияют на долговременную надежную работу силового ключа. M ₁的长期可靠工作造成负面影响。

В заключение ， В качестве высоковольтного ключа, используемого в суровых условиях. также следует учитывать влияние окружающей среды ( например, температурные нагрузки, ударные / вибрационные нагрузки 、 электромагнитные помехи и т.д.) адаптивность.