Sikker håndtering og beskyttelse af DC-strømskinner ved hjælp af avancerede load-switche

I næsten alle systemdesigns er det afgørende både at styre DC-strømskinner og at beskytte dem mod forskellige interne og eksterne fejltilstande. Udfordringen er kompliceret, når der er flere skinner, som det i stigende grad er tilfældet i nutidens systemer, herunder små, strømbesparende og batteridrevne designs.

Styring af strømskinner begynder med en strømstyrings-IC (PMIC), som styrer tændingen og slukningen af strømmen til skinnen(e) efter behov. PMIC'en er også ansvarlig for styring af timing og sekvensering mellem flere skinner. Den faktiske styring af strømskinnen på fysisk niveau er imidlertid en opgave for load-switchen, et MOSFET-baseret arrangement, der kan styres til at lade strømmen passere eller blokere den.

Ud over de grundlæggende funktioner såsom slew-rate kontrol og beskyttelse mod overtemperatur kræves der nu i stigende grad, at load-switchen skal indeholde andre funktioner og egenskaber såsom kontrolleret nedlukning, hurtig udladning af udgangseffekt og ægte blokering af omvendt strøm, som alle er vanskelige at implementere ved hjælp af diskrete FET-baserede konstruktioner.

For at omgå denne kompleksitet og samtidig reducere omkostningerne og pladsen på printkortet, der kræves til en diskret implementering, kan designere vælge load-switch IC'er, der inkorporerer de nødvendige funktioner i en enkelt pakke med kontakten. Disse integrerede load-switche løser eller undgår mange operationelle strømskinneproblemer og hjælper også med at opfylde mange krav til mobilt eller batteridrevet design.

Denne artikel omhandler load-switchens rolle, deres grundlæggende funktioner, yderligere funktioner og avancerede funktioner, som gør dem til mere end blot relativt enkle, elektronisk styrede tænd/sluk-kontakter til strømskinner. Artiklen vil bruge tre nye load-switch IC'er i TCK12xBG-serien fra Toshiba Electronic Devices & Storage Corporation (Toshiba) til at illustrere disse punkter og vise, hvordan de anvendes til at opfylde behovene i de nyeste produktdesigns.

Det grundlæggende om load-switche

En grundlæggende load-switch har kun fire ben: Indgangsspænding, udgangsspænding, aktivering og jord (figur 1). Når et styresignal på logisk niveau anvendes til dens ON/OFF-kontrolben (som kan være aktiv høj eller aktiv lav), aktiveres enheden, og pass FET'en tændes. Dette giver mulighed for at strømmen kan flyde fra indgangsbenet V_IN til udgangsbenet V_OUT og dermed levere strøm til belastningskredsløbet.

Figur 1: Load-switchen er en FET-baseret gennemgangsanordning, som kan tillade/blokere strømmen fra en DC-forsyning til dens belastning via et elektronisk styresignal. (Bill Schweber)

En load-switch er mere end blot en pakket pass FET. Som minimum omfatter den også styrelogik, FET-driveren, niveauforskiftere og forskellige kredsløbsbeskyttelsesfunktioner som f.eks. overstrømsbeskyttelse og forebyggelse af tilbagestrømning (også kaldet omvendt strøm), som begge kan beskadige systemet og dets komponenter. De kan også implementere andre nyttige funktioner som f.eks. slew-rate kontrol, når strømskinnen tændes, og beskyttelse mod overtemperaturer.

I sin enkleste anvendelse bruges load-switchen mellem en forsyning og strømskinnen til en enkelt belastning for at gøre det muligt at tænde den via PMIC'en, når der er behov for det, eller sætte den i en hvilestatus for at spare strøm (Figur 2).

Figur 2: I sin enkleste anvendelse styres load-switchen af PMIC'en og styrer strømmen til belastningen. (Billedkilde: Toshiba)

Parametre for load-switche

Load-switchen har flere nøgleparametre, som designerne skal vurdere. De tre vigtigste er den maksimale indgangsspænding og udgangsstrøm, som den kan klare, samt dens "on"-modstand. Andre parametre, der også kan være kritiske, afhængigt af anvendelsen, omfatter:

• Hviletidstrøm (I_Q): Den strøm, der er nødvendig for at forsyne load-switchen uden strøm på dens udgang.
• Nedlukningsstrøm (standby) (I_SD): Den strøm, der strømmer ind i V_IN, når enheden er deaktiveret.
• ON-stiftens indgangsstrømslækage (I_ON): Den strøm, der strømmer ind i ON/OFF-kontrolbenet, når den er aktiveret.

Lav hvilestrøm og nedlukningsstrøm er stadig vigtigere i batteridrevne applikationer som f.eks. wearables, smartphones og IoT-moduler, hvor de har stor betydning for batteriets levetid og drifttid.

Overstrømbeskyttelse (OCP)

Overstrømsbeskyttelsesfunktionen i en load-switch er ikke kun til beskyttelse mod klare fejl som f.eks. en midlertidig eller permanent kortslutning ved belastningen. Det kan også være nødvendigt for at afbøde resultatet af et fald i udgangsspændingen, som i nogle tilfælde opstår, når en skinne forsyner flere belastninger, og en belastning tændes hurtigere (figur 3). Den pludselige stigning i strømforbruget får strømforsyningens output til at falde midlertidigt under den nominelle værdi. Denne forsinkelse eller genopretningsperiode bestemmes af forsyningens belastningsovergangsydelse og belastningsspecifikationerne.

Figur 3: En enkelt load-switch kan forsyne flere belastninger, som ikke nødvendigvis kan optrappes og tændes samtidig. (Billedkilde: Toshiba)

Dette fald kan til gengæld medføre, at den anden belastning ikke starter korrekt eller opfører sig uregelmæssigt. Af disse grunde er den strømbegrænsende funktion i en load-switch nyttig, da den dæmper udgangsspændingsfaldet som følge af den første belastnings øgede strømforbrug.

Mange systemer skal sikre, at deres mange forskellige belastninger aktiveres i en bestemt rækkefølge og med en defineret timing mellem hver enkelt strømskinne, der bliver aktiv. I disse tilfælde anvendes flere load-switche under kontrol af PMIC'en, som styrer deres sekvensering og relative timing (figur 4).

Figur 4: Ved at bruge flere load-switche kan sekvenseringen og timingen af tændingen af de forskellige belastninger styres efter behov for at sikre korrekt systemdrift. (Bill Schweber)

Blokering af omvendt strøm

En load-switchens blokering af omvendt strøm er præcis, hvad navnet antyder: Den forhindrer strømmen i at løbe baglæns, når spændingen på udgangssiden bliver højere end på indgangssiden.

Dette kan ske i to almindelige situationer. For det første kan strømforsyningen, f.eks. et bilbatteri, utilsigtet blive tilsluttet omvendt som følge af utilsigtet berøring af batteripolerne med de afmonterede kabler eller endog ved at begå en fejl, når de tilsluttes igen. Det kan endda være noget så grundlæggende som en almindelig bruger, der sætter batterierne omvendt i.

Den anden situation er noget mindre indlysende. Vi kan overveje det tilfælde, hvor to forsyninger med forskellige spændinger er multiplexet til en belastning (figur 5). Spændingen på den fælles udgangsside kan blive højere end spændingen på indgangssiden af den lavere spændingsforsyning. I dette scenario kan strømmen strømme fra den højere spændingsside til den lavere spændingsside, hvilket beskadiger den lavere spændingsside.

Figur 5: Problemer med omvendt strøm kan opstå, selv når multiplexede forsyninger er forbundet via deres egne load-switche. (Billedkilde: Toshiba)

Der er tre måder at håndtere blokering af omvendt strøm på:

• Den enkleste måde er at tilføje en diode i serie med udgangen. Spændingsfaldet over dioden (0,6 til 0,8 volt for en standard siliciumdiode) sænker imidlertid den leverede skinnespænding, og dioden skal have en effekt, der er tilstrækkelig stor til at aflede den tilhørende varme.
• Den anden måde er at bruge en MOSFET i serie med skinnen, men dens on-modstand (R_ON) forårsager også et spændingsfald, og den har en termisk dissipation, som der skal tages højde for.
• Den tredje mulighed er at anvende en load-switch med en funktion til blokering af omvendt strøm, som gennemfører den nødvendige modforanstaltning til forebyggelse af tilbagestrømning uden kompromiser.

Udledningsfunktionen

Normalt forbinder en automatisk afladningsfunktion V_OUT og GND, når multiplexeren slukkes. Der er mange fordele ved at have denne hurtige udledning:

• Udgangen er ikke flydende og er altid i en kendt tilstand.
• Nedstrømsmoduler er altid helt slukket.

Der er dog situationer, hvor hurtig udledning af output ikke er ønskelig:

• Hvis load-switchens udgang er forbundet til et batteri, kan hurtig udladning af udgangen medføre, at batteriet tømmes, når load-switchen er deaktiveret via ON-benet.
• Hvis der anvendes to load-switche i en multiplexer med to indgange og én udgang (hvor udgangene er bundet sammen), vil der konstant blive spildt strøm gennem den hurtige udladning, da strømmen vil løbe gennem den interne modstand til jord, når lastafbryderen deaktiveres via ON-benet.

Derfor er det nødvendigt at vælge en load-switch, der ikke har en udladningsfunktion, når du konfigurerer strømmultiplexeren med load-switch IC'en. Det er her, at der er behov for en load-switch funktion, der kaldes ægte blokering af omvendt strøm. Den forhindrer omvendt strøm fra udgangsklemmen til indgangsklemmen uanset load-switchens ON/OFF-status.

En load-switch med denne funktion sammenligner indgangsspændingen V_IN med udgangsspændingen V_OUT i IC'en, og kredsløbet til forebyggelse af tilbagestrømning aktiveres, når V_OUT>V_IN (Figur 6).

Figur 6: Ægte omvendt strømblokering forhindrer, at strømmen strømmer til indgangsklemmen fra udgangsklemmen, uanset om load-switchen er ON eller OFF. (Billedkilde: Toshiba)

Der er yderligere finesser forbundet med ægte blokering af omvendt strøm og den automatiske udladningsfunktion; de diskuteres mere detaljeret i Toshiba applikationsnote "Overcurrent protection function and reverse current prevention function of the load switch IC."

Nye IC'er er rettet mod applikationer med høj vækst

Load-switche er ikke nye, men de er i stigende grad skræddersyet til kravene i specifikke applikationer. Dette demonstreres tydeligt af Toshibas TCK12xBG-familie af næste generations load-switche, som består af tre enheder: TCK126BG, TCK127BG og TCK128BG (figur 7).

Figur 7: Det interne blokdiagram for enheder i TCK12xBG-familien viser deres funktionelle enkelhed; TCK128BG er vist. (Billedkilde: Toshiba)

De tre IC'er, som er beregnet til drift fra 1,0 til 5,5 volt og strømstyrke på op til 1 A, ligner hinanden meget med nogle beskedne forskelle, så de kan tilpasses optimalt til specifikke applikationsprioriteter og -behov. Mange af deres specifikationer er bedre end deres forgængere og de tilgængelige konkurrerende enheder.

Det mest dramatiske er reduktionen af hvilestrømmen (I_Q) fra 110 nanoampere (nA) ned til blot 0,8 nA, hvilket svarer til en reduktion på 99,9 % eller lidt over to størrelsesordener. Desuden er standbystrømmen kun 13 nA. Den typiske on-modstand R_ON er 46 mΩ ved 5,0 volt, 58 mΩ ved 3,3 volt, 106 mΩ ved 1,8 volt og 210 mΩ ved 1,2 volt.

Andre egenskaber ved disse load-switche går ud over de elektriske specifikationer. De er også langt mindre end andre tilgængelige enheder fra Toshiba og andre leverandører i samme spændings-/strømklasse. De er tilgængelig i en WCSP4G-pakke med fire ledninger, der måler 0,645 × 0,645 × 0,465 mm med en kugleafstand på 0,35 mm. Dette repræsenterer en reduktion på 34 % i forhold til forgængerens load-switch i en 0,79 × 0,79 × 0,55 mm stor pakke med en pitch på 0,4 mm (Figur 8).

Figur 8: Den mindre størrelse af TCK12xBG-enhederne sammenlignet med deres forgængere giver en 34 % reduktion af den nødvendige plads på printpladen. (Billedkilde: Toshiba, ændret af forfatteren)

Denne lille størrelse giver designere betydelige besparelser på printpladsen, hvilket er afgørende for ultrakompakte applikationer som f.eks. bærbare enheder. Desuden har pakken en 25 mikrometer (μm) belægning på bagsiden, som reducerer fysisk påvirkning og beskadigelse og forhindrer splinter.

De tre load-switche i familien har indbyggede drivere til slew-rate kontrol med en stigningstid på 363 mikrosekunder (µs) ved 3,3 volt. Forskellene mellem afbryderne ligger i tilstedeværelsen eller fraværet af den hurtige udgangsafladningsfunktion og den aktive tilstand for ON/OFF-benet (figur 9).

Konklusion

Load-switche med højt integreret funktionalitet er afgørende, hvis designerne skal opfylde efterspørgslen efter lavere strømforbrug, mindre fodaftryk og lavere omkostninger til små batteridrevne enheder, såsom wearables og smartphones samt IoT-enheder. Som det fremgår, har TCK12xBG-familien af load-switche fra Toshiba lav hvilestrøm og mindre størrelse, har integrerede elementer til at opfylde funktions- og beskyttelseskrav og forenkler designet.

Relateret indhold

1. Toshiba "Load Switch Training Module"