حماية الجهد العكسي لشاحن البطارية

"هناك العديد من الطرق المعروفة للتعامل مع مزود الطاقة الجهد االكهربى انعكاس، ارتداد، انقلاب. الطريقة الأكثر وضوحًا هي توصيل الصمام الثنائي بين مصدر الطاقة والحمل ، ولكن نظرًا للجهد الأمامي للديود ، فإن هذا النهج سيولد استهلاكًا إضافيًا للطاقة. على الرغم من أن هذه الطريقة بسيطة للغاية ، إلا أن الصمام الثنائي ليس مفيدًا في التطبيقات المحمولة أو الاحتياطية ، لأن البطارية يجب أن تمتص التيار عند الشحن وتوفر التيار عند عدم الشحن.

"

ستيفن مارتن ، مدير تصميم شاحن البطاريات

المقدمة

هناك العديد من الطرق المعروفة للتعامل مع انعكاس جهد إمداد الطاقة. الطريقة الأكثر وضوحًا هي توصيل الصمام الثنائي بين مصدر الطاقة والحمل ، ولكن نظرًا للجهد الأمامي للديود ، فإن هذا النهج سيولد استهلاكًا إضافيًا للطاقة. على الرغم من أن هذه الطريقة بسيطة للغاية ، إلا أن الصمام الثنائي ليس مفيدًا في التطبيقات المحمولة أو الاحتياطية ، لأن البطارية يجب أن تمتص التيار عند الشحن وتوفر التيار عند عدم الشحن.

طريقة أخرى هي استخدام واحد من MOSFET الدوائر الموضحة في الشكل 1.

الشكل 1: الحماية العكسية لجانب الحمل التقليدي

بالنسبة للدوائر من جانب الحمل، تعد هذه الطريقة أفضل من استخدام الثنائيات، لأن جهد مصدر الطاقة (البطارية) يعزز الجهد MOSFET، مما أدى إلى انخفاض أقل في الجهد وموصلية أعلى بكثير. نسخة NMOS من هذا الدارة الكهربائية أفضل من إصدار PMOS لأن ترانزستورات NMOS المنفصلة تتميز بموصلية أعلى وتكلفة أقل وقابلية استخدام أفضل. في كلتا الدائرتين ، يتم تشغيل MOSFET عندما يكون جهد البطارية موجبًا ، ويتم فصله عند عكس جهد البطارية. يصبح "الاستنزاف" المادي لـ MOSFET مصدر الطاقة لأنه يتمتع بإمكانية أعلى في إصدار PMOS وإمكانية أقل في إصدار NMOS. منذ الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة متناظرة كهربائيًا في منطقة الصمام الثلاثي ، يمكنها توصيل التيار جيدًا في كلا الاتجاهين. عند استخدام هذه الطريقة ، فإن الترانزستور يجب أن يكون الحد الأقصى لتصنيف VGS و VDS أعلى من جهد البطارية.

لسوء الحظ ، هذه الطريقة فعالة فقط لدوائر جانب التحميل ولا يمكنها العمل مع الدوائر التي يمكنها شحن البطارية. سيقوم شاحن البطارية بتوليد الطاقة وإعادة تمكين MOSFET وإعادة الاتصال بالبطارية العكسية. يوضح الشكل 2 مثالاً على استخدام إصدار NMOS. البطارية الموضحة في الشكل معيبة.

الشكل 2: دائرة حماية جانب التحميل بشاحن بطارية

عند توصيل البطارية ، يكون شاحن البطارية في حالة الخمول ، ويتم فصل الحمولة وشاحن البطارية بأمان عن البطارية العكسية. ومع ذلك ، إذا تغير الشاحن إلى حالة تشغيل (على سبيل المثال ، تم توصيل موصل طاقة دخل) ، فإن الشاحن يولد جهدًا بين البوابة ومصدر NMOS ، مما يعزز NMOS ، وبالتالي تحقيق التوصيل الحالي. هذا أكثر وضوحا في الشكل 3.

الشكل 3: مخطط حماية البطارية العكسي التقليدي غير صالح لدائرة شاحن البطارية

على الرغم من عزل الحمولة والشاحن عن الجهد العكسي ، إلا أن المشكلة الرئيسية التي تواجه MOSFET الواقية هي أنها تستهلك قدرًا كبيرًا من الطاقة. في هذه الحالة ، يصبح شاحن البطارية بمثابة مفرغ لشحن البطارية. عندما يوفر شاحن البطارية دعمًا كافيًا للبوابة لـ MOSFET لامتصاص التيار الذي يتم توصيله بواسطة الشاحن ، ستصل الدائرة إلى التوازن. على سبيل المثال ، إذا كان V من MOSFET قوي_TH حوالي 2 فولت ، ويمكن أن يوفر الشاحن تيارًا أقل من 2 فولت ، وسوف يستقر جهد خرج شاحن البطارية عند 2 فولت (استنزاف MOSFET عند 2 فولت + جهد البطارية). تبديد الطاقة في MOSFET هو أنا_الشحنة • (الخامس_TH + الخامس_BAT) ، بحيث تسخن MOSFET وتولد الحرارة حتى تتبدد الحرارة المتولدة بعيدًا عن لوحة الدوائر المطبوعة. وينطبق الشيء نفسه على إصدار PMOS من هذه الدائرة.

سيتم تقديم بديلين لهذه الطريقة أدناه ، لكل منهما مزايا وعيوب.

تصميم N- قناة MOSFET

يستخدم الحل الأول جهاز عزل NMOS ، كما هو موضح في الشكل 4.

خوارزمية هذه الدائرة هي: إذا تجاوز جهد البطارية جهد خرج شاحن البطارية ، فيجب تعطيل عزل MOSFET.

كما هو الحال مع طريقة NMOS الموصوفة أعلاه، في هذه الدائرة، يتم توصيل MN1 بجانب الجهد المنخفض من الأسلاك بين الشاحن/الحمل وأطراف البطارية. ومع ذلك، فإن الترانزستورات MP1 وQ1 توفر الآن دائرة كشف تعمل على إلغاء تنشيط MN1 في حالة توصيل البطارية العكسي. يؤدي عكس البطارية إلى رفع مصدر MP1 فوق شبكتها المتصلة بالطرف الموجب للشاحن. بعد ذلك، يقوم استنزاف MP1 بتوصيل التيار إلى قاعدة Q1 من خلال R1. بعد ذلك، يقوم Q1 بتحويل بوابة MN1 إلى الأرض، مما يمنع تيار الشحن من التدفق في MN1. يكون R1 مسؤولاً عن التحكم في تدفق التيار الأساسي إلى Q1 أثناء الكشف العكسي، بينما يوفر R2 النازف لقاعدة Q1 أثناء التشغيل العادي. يمنح R3 Q1 السلطة لسحب بوابة MN1 إلى الأرض. يحد مقسم الجهد R3/R4 من الجهد على بوابة MN1 بحيث لا يضطر جهد البوابة إلى الانخفاض كثيرًا أثناء التبديل السريع للبطارية العكسية. أسوأ الحالات هي عندما يكون شاحن البطارية قيد التشغيل بالفعل، مما ينتج عنه مستوى جهد ثابت، ويتم توصيل بطارية عكسية. في هذه الحالة، من الضروري إيقاف تشغيل MN1 في أسرع وقت ممكن للحد من الوقت الذي يتم فيه استهلاك طاقة عالية. هذا الإصدار الخاص من الدائرة مع R3 وR4 هو الأكثر ملاءمة لتطبيقات بطاريات الرصاص الحمضية 12 فولت، ولكن في تطبيقات الجهد المنخفض مثل منتجات بطاريات الليثيوم أيون أحادية الخلية والخليتين، يمكن استثناء R4. المكثف (مكثف التشغيل) يوفر C1 مضخة شحن فائقة السرعة لسحب مستوى بوابة MN1 إلى الأسفل أثناء توصيل البطارية العكسي. في أسوأ الحالات (عند توصيل بطارية عكسية، يتم تمكين الشاحن مرة أخرى)، يكون C1 مفيدًا جدًا.

عيب هذه الدائرة هو أن إضافي مكونات مطلوبة. ينشئ مقسم الجهد R3 / R4 حملًا صغيرًا ولكنه مستمر على البطارية.

معظم هذه المكونات ضئيلة. MP1 و Q1 ليسا من أجهزة الطاقة ، وعادة ما تتوفر حزم SOT23-3 أو SC70-3 أو أصغر. يجب أن يتمتع MN1 بموصلية جيدة جدًا ، لأنه جهاز إرسال ، لكن الحجم لا يجب أن يكون كبيرًا. نظرًا لأنه يعمل في منطقة الصمام الثلاثي العميق وقد تم تعزيزه بشكل كبير بواسطة البوابة ، فإن استهلاكه للطاقة منخفض جدًا حتى بالنسبة للأجهزة ذات الموصلية المتوسطة. على سبيل المثال ، غالبًا ما يتم تغليف الترانزستورات التي تقل عن 100 متر مكعب في SOT23-3.

الشكل 4: دائرة بطارية عكسية مجدية

ومع ذلك ، فإن مساوئ استخدام تمريرة صغيرة الترانزستور هو أن الممانعة الإضافية في السلسلة مع شاحن البطارية تعمل على إطالة وقت الشحن أثناء مرحلة شحن الجهد المستمر. على سبيل المثال ، إذا كان للبطارية وأسلاكها مقاومة متسلسلة مكافئة تبلغ 100 متر مكعب ، وتم استخدام ترانزستور عزل 100 متر مكعب ، فسيتم مضاعفة وقت الشحن أثناء مرحلة شحن الجهد الثابت.

دائرة الكشف وإلغاء التنشيط المكونة من MP1 و Q1 ليست سريعة بشكل خاص لإلغاء تنشيط MN1 ، ولا يلزم أن تكون كذلك. على الرغم من أن MN1 يولد استهلاكًا عاليًا للطاقة أثناء التوصيل العكسي للبطارية ، فإن دائرة الإغلاق تحتاج فقط إلى فصل MN1 "في النهاية". يجب أن تفصل MN1 قبل أن تسخن MN1 لدرجة أنها تسبب الضرر. قد يكون وقت فصل عشرات الميكروثانية أكثر ملاءمة. من ناحية أخرى ، من الضروري تعطيل MN1 قبل أن تتاح الفرصة للاتصال العكسي للبطارية لسحب الشاحن وتحميل الجهد إلى قيمة سالبة ، لذلك يلزم وجود C1. في الأساس ، تحتوي الدائرة على مسار واحد لتعطيل التيار المتردد ومسار واحد لإلغاء تنشيط التيار المستمر.

تم اختبار هذه الدائرة باستخدام بطارية الرصاص الحمضية وشاحن بطارية LTC4015. كما هو موضح في الشكل 5 ، يكون شاحن البطارية في حالة إيقاف التشغيل عندما يتم توصيل البطارية أثناء توصيلها في الاتجاه العكسي. لن يتم نقل الجهد العكسي إلى الشاحن والتحميل.

الشكل 5: دائرة حماية NMOS مع الشاحن في حالة إيقاف التشغيل

تجدر الإشارة إلى أن MN1 يحتاج إلى V يساوي جهد البطارية_DS القيمة المقدرة و V يساوي 1/2 جهد البطارية_GS القيمة المقننة. يحتاج MP1 إلى V يساوي جهد البطارية_DS و V._GS القيمة المقننة.

يوضح الشكل 6 موقفًا أكثر خطورة ، أي أن شاحن البطارية يعمل بالفعل عندما يتم تبديل البطارية العكسية. سيؤدي التوصيل العكسي للبطارية إلى سحب الجهد الجانبي للشاحن إلى أن تجعله دائرة الكشف والحماية خارج التشغيل ، مما يسمح للشاحن بالعودة بأمان إلى مستوى جهده الثابت. ستختلف الخصائص الديناميكية من تطبيق إلى آخر ، وستلعب السعة على شاحن البطارية دورًا كبيرًا في النتيجة النهائية. في هذا الاختبار ، يحتوي شاحن البطارية على مكثف سيراميك عالي الجودة ومكثف بوليمر منخفض Q.

الشكل 6: دائرة حماية NMOS مع الشاحن قيد التشغيل

باختصار ، يوصى باستخدام بوليمر الألومنيوم المكثفات والمكثفات الالكتروليتية المصنوعة من الألومنيوم على شاحن البطارية لتحسين الأداء أثناء التوصيل السريع للبطارية الإيجابية العادية. نظرًا لعدم الخطية الشديدة ، فإن المكثفات الخزفية النقية ستنتج تجاوزًا مفرطًا أثناء التوصيل الساخن. والسبب وراء ذلك هو أنه عندما يرتفع الجهد من 0 فولت إلى الجهد المقنن ، تقل السعة بنسبة مذهلة تبلغ 80٪. تحفز هذه اللاخطية تدفق التيار العالي في ظل ظروف الجهد المنخفض ، وعندما يرتفع الجهد ، تقل السعة بسرعة ؛ هذه تركيبة قاتلة تؤدي إلى تجاوز الجهد العالي جدًا. كقاعدة عامة ، يبدو أن الجمع بين مكثف سيراميك ومكثف ألومنيوم منخفض Q أو مستقر للجهد أو حتى مكثف التنتالوم هو أقوى تركيبة.

تصميم P-channel MOSFET

يوضح الشكل 7 الطريقة الثانية ، والتي تستخدم ترانزستور PMOS كجهاز حماية.

الشكل 7: إصدار عنصر نقل الترانزستور PMOS

في هذه الدائرة ، يعد MP1 جهاز الكشف عن البطارية العكسي ، و MP2 هو جهاز عزل عكسي. استخدم جهد MP1 من المصدر إلى البوابة لمقارنة الطرف الموجب للبطارية مع خرج شاحن البطارية. إذا كان جهد طرف شاحن البطارية أعلى من جهد البطارية ، فسيقوم MP1 بإلغاء تنشيط جهاز النقل الرئيسي MP2. لذلك ، إذا كان جهد البطارية مدفوعًا تحت الأرض ، فمن الواضح أن جهاز الكشف MP1 سوف يقود جهاز الإرسال MP2 إلى حالة إيقاف التشغيل (يتداخل مع بوابته إلى مصدره). بغض النظر عما إذا كان شاحن البطارية ممكّنًا ويشكل جهد شحن أو معطل (0 فولت) ، فإنه سيكمل العمليات المذكورة أعلاه.

أكبر ميزة لهذه الدائرة هي أن ترانزستور عزل PMOS MP2 لا يملك السلطة لنقل الجهد السالب إلى دائرة الشاحن والحمل. يوضح الشكل 8 هذا بشكل أكثر وضوحًا.

الشكل 8: رسم تخطيطي لتأثير cascode

أقل جهد يمكن تحقيقه على بوابة MP2 إلى R1 هو 0V. حتى إذا تم سحب استنزاف MP2 بعيدًا عن إمكانات الأرض ، فلن يطبق مصدره ضغطًا هبوطيًا كبيرًا للجهد. بمجرد أن ينخفض ​​جهد المصدر إلى V حيث يكون الترانزستور فوق الأرض_TH، سيطلق الترانزستور تحيزه الخاص ، وستختفي موصليةته تدريجياً. كلما اقترب مصدر الجهد من الجهد الأرضي ، زادت درجة التحيز في الترانزستور. هذه الميزة ، إلى جانب الهيكل البسيط ، تجعل هذه الطريقة أكثر شيوعًا من طريقة NMOS الموضحة أعلاه. بالمقارنة مع طريقة NMOS ، فإن لها عيوب الموصلية المنخفضة وارتفاع تكلفة ترانزستورات PMOS.

على الرغم من أنها أبسط من طريقة NMOS ، إلا أن هذه الدائرة لها عيب كبير. على الرغم من أنه يوفر دائمًا حماية ضد الجهد العكسي ، إلا أنه قد لا يقوم دائمًا بتوصيل الدائرة بالبطارية. عندما تكون البوابة متقاطعة كما هو موضح في الشكل ، تشكل الدائرة عنصر تخزين مغلق ، والذي قد يختار الحالة الخاطئة. على الرغم من صعوبة تحقيقه ، إلا أن هناك موقفًا يولد فيه الشاحن جهدًا (على سبيل المثال ، 12 فولت) ، وعندما يتم توصيل البطارية بجهد منخفض (على سبيل المثال ، 8 فولت) ، يتم فصل الدائرة.

في هذه الحالة ، يكون جهد MP1 من المصدر إلى البوابة هو + 4V ، وبالتالي يقوي MP1 ويعطل MP2. يظهر هذا الموقف في الشكل 9 ويتم سرد جهد ثابت في العقدة.

الشكل 9: رسم تخطيطي لحالات الحجب المحتملة عند استخدام دائرة حماية PMOS

لتحقيق هذه الحالة ، يجب أن يكون الشاحن قيد التشغيل بالفعل عند توصيل البطارية. إذا تم توصيل البطارية قبل تمكين الشاحن ، يتم سحب جهد البوابة MP1 بالكامل بواسطة البطارية ، وبالتالي تعطيل MP1. عند تشغيل الشاحن ، فإنه يولد تيارًا متحكمًا به (بدلاً من تدفق تيار عالي) ، مما يقلل من إمكانية تشغيل MP1 وإيقاف تشغيل MP2.

من ناحية أخرى ، إذا تم تمكين الشاحن قبل توصيل البطارية ، فإن بوابة MP1 تتبع ببساطة خرج شاحن البطارية لأنه يتم سحبها بواسطة النازف المقاوم R2. عندما لا تكون البطارية متصلة ، لا يميل MP1 إلى التشغيل وإيقاف تشغيل MP2.

تحدث مشكلة عند تشغيل الشاحن وتوصيل البطارية. في هذه الحالة ، يوجد فرق مؤقت بين خرج الشاحن وأطراف البطارية ، مما يؤدي إلى إخراج MP1 من التشغيل ، لأن جهد البطارية يجبر مكثف الشاحن على الامتصاص. هذا يخلق منافسة بين قدرة MP2 على سحب الشحن من مكثف الشاحن وقدرة MP2 على إخراج MP1 من التشغيل.

تم اختبار الدائرة أيضًا باستخدام بطارية حمض الرصاص وشاحن بطارية LTC4015. توصيل مصدر طاقة ثقيل 6 فولت كمحاكي للبطارية بشاحن بطارية ممكّن لن يؤدي أبدًا إلى تشغيل حالة "غير متصل". الاختبارات التي تم إجراؤها ليست شاملة ويجب اختبارها بشكل أكثر شمولاً ودقة في التطبيقات الرئيسية. حتى إذا كانت الدائرة مغلقة بالفعل ، فإن تعطيل شاحن البطارية وإعادة تمكينه سيؤدي دائمًا إلى إعادة الاتصال.

يمكن إثبات حالة الخطأ من خلال معالجة الدائرة (إنشاء اتصال مؤقت بين الجزء العلوي من R1 ومخرج شاحن البطارية). ومع ذلك ، يُعتقد عمومًا أن الدائرة تميل أكثر للتوصيل. إذا أصبح فشل الاتصال مشكلة ، يمكنك تصميم دائرة تستخدم أجهزة متعددة لتعطيل شاحن البطارية. يوضح الشكل 12 مثالاً لدائرة أكثر اكتمالاً.

يوضح الشكل 10 تأثير دائرة حماية PMOS مع تعطيل الشاحن.

يرجى ملاحظة أنه بغض النظر عن الوضع ، لن يكون هناك انتقال سلبي للجهد بين شاحن البطارية وفولتية الحمل.

يوضح الشكل 11 أن الدائرة في وضع غير مواتٍ "دخل الشاحن في حالة التشغيل عندما تكون البطارية متصلة بشكل عكسي للتوصيل الساخن".
تأثير دائرة NMOS هو نفسه تقريبًا. قبل فصل الدائرة لإيقاف تشغيل ترانزستور النقل MP2 ، تقوم البطارية العكسية بسحب الشاحن والجهد الحراري قليلاً.

في هذا الإصدار من الدائرة ، يجب أن يكون الترانزستور MP2 قادرًا على تحمل ضعف جهد البطارية V._DS (واحد للشاحن والآخر للاتصال العكسي للبطارية) و V يساوي جهد البطارية_GS. من ناحية أخرى ، يجب أن يكون MP1 قادرًا على تحمل V يساوي جهد البطارية_DSو V وهو ضعف جهد البطارية_GS. هذا المطلب مؤسف ، لأنه بالنسبة للترانزستورات MOSFET ، فإن التصنيف V._DSتجاوز التصنيف الخامس دائمًا_GS. يمكن العثور عليها بجهد 30 فولت_GS التسامح و 40 فولت_DS الترانزستورات المتسامحة مناسبة لتطبيقات بطاريات الرصاص الحمضية. من أجل دعم بطاريات الجهد العالي ، يجب إضافة ثنائيات زينر ومقاومات تحديد التيار لتعديل الدائرة.

يوضح الشكل 12 مثالاً لدائرة يمكنها التعامل مع بطاريتين من حمض الرصاص مكدستين في سلسلة.

الشكل 10: دائرة حماية PMOS مع الشاحن في حالة إيقاف التشغيل

الشكل 11: دائرة حماية PMOS مع الشاحن قيد التشغيل

تؤمن ADI أن المعلومات التي تقدمها دقيقة وموثوقة. ومع ذلك ، فإن ADI ليست مسؤولة عن استخدامها وأي انتهاك لبراءات اختراع طرف ثالث أو حقوق أخرى قد تنجم عن استخدامها. المواصفات عرضة للتغيير دون إشعار. لا يُمنح أي ترخيص لاستخدام أي براءات اختراع أو حقوق براءات اختراع خاصة بـ ADI ضمنيًا أو غير ذلك.

الشكل 12: حماية البطارية العكسية ذات الجهد العالي.

تحمي D1 و D3 و R3 بوابات MP2 و MP3 من التلف الناتج عن الجهد العالي. عندما يتم تبديل البطارية المعكوسة على الساخن ، يمكن أن يمنع D2 شبكة MP3 وخرج شاحن البطارية من التحرك بسرعة تحت الأرض المحتملة. عندما تحتوي الدائرة على بطارية عكسية أو في حالة إغلاق خاطئة لفصل الاتصال ، يمكن اكتشاف MP1 و R1 ، واستخدام ميزة RT المفقودة في LTC4015 لتعطيل شاحن البطارية.

فى الختام

من الممكن تطوير دائرة حماية الجهد العكسي للتطبيقات القائمة على شاحن البطاريات. لقد طور الناس بعض الدوائر وأجروا اختبارات قصيرة ، ونتائج الاختبار مشجعة. لا توجد حيلة ذكية لمشكلة البطارية العكسية ، لكنني آمل أن توفر الطريقة التي تم تقديمها في هذه المقالة قدرًا كافيًا من التنوير ، أي أن هناك حلًا بسيطًا ومنخفض التكلفة.