"Hay varios métodos bien conocidos para lidiar con la fuente de alimentación. voltaje inversión. El método más obvio es conectar un diodo entre la fuente de alimentación y la carga, pero debido al voltaje directo del diodo, este enfoque generará un consumo de energía adicional. Aunque este método es muy simple, el diodo no es útil en aplicaciones portátiles o de respaldo, porque la batería debe absorber corriente cuando se está cargando y suministrar corriente cuando no se está cargando.
"
Steven Martin, director de diseño de cargadores de batería
introducción
Existen varios métodos bien conocidos para lidiar con la inversión de voltaje de la fuente de alimentación. El método más obvio es conectar un diodo entre la fuente de alimentación y la carga, pero debido al voltaje directo del diodo, este enfoque generará un consumo de energía adicional. Aunque este método es muy simple, el diodo no es útil en aplicaciones portátiles o de respaldo, porque la batería debe absorber corriente cuando se está cargando y suministrar corriente cuando no se está cargando.
Otro método es utilizar uno de los mosfet circuitos que se muestran en la Figura 1.
Figura 1: Protección inversa tradicional del lado de la carga
Para circuitos del lado de carga, este método es mejor que usar diodos, porque el voltaje de la fuente de alimentación (batería) aumenta la MOSFET, lo que resulta en una menor caída de voltaje y una conductancia sustancialmente mayor. La versión NMOS de este circuito es mejor que la versión PMOS porque los transistores NMOS discretos tienen mayor conductividad, menor costo y mejor usabilidad. En ambos circuitos, el MOSFET se enciende cuando el voltaje de la batería es positivo y se desconecta cuando se invierte el voltaje de la batería. El "drenaje" físico del MOSFET se convierte en la fuente de energía porque tiene un mayor potencial en la versión PMOS y un potencial menor en la versión NMOS. Ya que mosfets son eléctricamente simétricos en la región del triodo, pueden conducir bien la corriente en ambas direcciones. Al utilizar este método, el Transistor debe tener una clasificación máxima de VGS y VDS superior al voltaje de la batería.
Desafortunadamente, este método solo es efectivo para circuitos del lado de la carga y no puede funcionar con circuitos que pueden cargar la batería. El cargador de batería generará energía, reactivará el MOSFET y restablecerá la conexión a la batería inversa. La Figura 2 muestra un ejemplo de uso de la versión NMOS. La batería que se muestra en la figura está defectuosa.
Figura 2: Circuito de protección del lado de la carga con un cargador de batería
Cuando la batería está conectada, el cargador de batería está en un estado inactivo y la carga y el cargador de batería están desacoplados de manera segura de la batería inversa. Sin embargo, si el cargador cambia a un estado operativo (por ejemplo, se adjunta un conector de alimentación de entrada), el cargador genera un voltaje entre la puerta y la fuente del NMOS, lo que mejora el NMOS, realizando así la conducción de corriente. Esto es más vívido en la Figura 3.
Figura 3: El esquema tradicional de protección de batería inversa no es válido para el circuito del cargador de batería
Aunque la carga y el cargador están aislados del voltaje inverso, un problema importante al que se enfrenta el MOSFET protector es que consume demasiada energía. En este caso, el cargador de batería se convierte en un descargador de batería. Cuando el cargador de batería proporciona suficiente soporte de puerta para que el MOSFET absorba la corriente suministrada por el cargador, el circuito alcanzará el equilibrio. Por ejemplo, si la V de un poderoso MOSFETTH Aproximadamente 2 V, y el cargador puede proporcionar corriente por debajo de 2 V de voltaje, el voltaje de salida del cargador de batería se estabilizará en 2 V (el drenaje del MOSFET es de 2 V + voltaje de batería). La disipación de poder en el MOSFET es ICARGO • (VTH + VBAT), de modo que el MOSFET se calienta y genera calor hasta que el calor generado se disipa de la placa de circuito impreso. Lo mismo es cierto para la versión PMOS de este circuito.
A continuación se presentarán dos alternativas a este método, cada una de las cuales tiene ventajas y desventajas.
Diseño MOSFET de canal N
La primera solución utiliza un dispositivo de aislamiento NMOS, como se muestra en la Figura 4.
El algoritmo de este circuito es: Si el voltaje de la batería excede el voltaje de salida del cargador de batería, el MOSFET de aislamiento debe desactivarse.
Al igual que con el método NMOS descrito anteriormente, en este circuito, MN1 está conectado al lado de bajo voltaje del cableado entre el cargador/carga y los terminales de la batería. Sin embargo, los transistores MP1 y Q1 ahora proporcionan un circuito de detección que desactivará MN1 en caso de una conexión inversa de la batería. Al invertir la batería, se eleva la fuente de MP1 por encima de su rejilla conectada al terminal positivo del cargador. Luego, el drenaje de MP1 entrega corriente a la base de Q1 a través de R1. Luego, Q1 desvía la puerta de MN1 a tierra, evitando que la corriente de carga fluya en MN1. R1 es responsable de controlar la corriente base que fluye hacia Q1 durante la detección inversa, mientras que R2 proporciona purga para la base de Q1 durante el funcionamiento normal. R3 le da a Q1 la autoridad para tirar de la puerta de MN1 a tierra. El divisor de voltaje R3/R4 limita el voltaje en la puerta de MN1 para que el voltaje de la puerta no tenga que caer tanto durante el intercambio en caliente de batería inversa. El peor caso es cuando el cargador de baterías ya está en funcionamiento, produciendo su nivel de voltaje constante, y se le conecta una batería inversa. En este caso, es necesario apagar MN1 lo más rápido posible para limitar el tiempo en el que se consume mucha energía. Esta versión especial del circuito con R3 y R4 es más adecuada para aplicaciones de baterías de plomo-ácido de 12 V, pero en aplicaciones de menor voltaje, como productos de baterías de iones de litio de una o dos celdas, R4 puede estar exento. Condensador C1 proporciona una bomba de carga ultrarrápida para bajar el nivel de la compuerta de MN1 durante la conexión inversa de la batería. Para el peor de los casos (cuando se conecta una batería inversa, el cargador se ha vuelto a habilitar), C1 es muy útil.
La desventaja de este circuito es que adicional componentes son requeridos. El divisor de voltaje R3 / R4 crea una carga pequeña pero continua en la batería.
La mayoría de estos componentes son delgados. MP1 y Q1 no son dispositivos de potencia y, por lo general, se encuentran disponibles paquetes SOT23-3, SC70-3 o más pequeños. MN1 debe tener muy buena conductividad, porque es un dispositivo de transmisión, pero el tamaño no tiene por qué ser grande. Debido a que funciona en la región del triodo profundo y ha sido reforzado en gran medida por la puerta, su consumo de energía es muy bajo incluso para dispositivos con conductividad media. Por ejemplo, los transistores por debajo de 100 mΩ a menudo se empaquetan en SOT23-3.
Figura 4: Un circuito de batería inverso factible
Sin embargo, la desventaja de usar un pase pequeño Transistor es que la impedancia adicional en serie con el cargador de batería extiende el tiempo de carga durante la fase de carga de voltaje constante. Por ejemplo, si la batería y su cableado tienen una resistencia en serie equivalente de 100 mΩ y se utiliza un transistor de aislamiento de 100 mΩ, el tiempo de carga durante la fase de carga de voltaje constante se duplicará.
El circuito de detección y desactivación compuesto por MP1 y Q1 no es particularmente rápido para desactivar MN1, y no es necesario que lo sea. Aunque MN1 genera un alto consumo de energía durante la conexión inversa de la batería, el circuito de apagado solo necesita desconectar MN1 "al final". Debe desconectar el MN1 antes de que el MN1 se caliente tanto que cause daños. Un tiempo de desconexión de decenas de microsegundos puede ser más adecuado. Por otro lado, es fundamental desactivar MN1 antes de que la conexión inversa de la batería tenga la oportunidad de tirar del cargador y cargar el voltaje a un valor negativo, por lo que se requiere C1. Básicamente, el circuito tiene una ruta de desactivación de CA y una de CC.
Este circuito se probó con una batería de plomo-ácido y un cargador de batería LTC4015. Como se muestra en la Figura 5, el cargador de batería está en el estado APAGADO cuando la batería se conecta en caliente en la dirección inversa. El voltaje inverso no se transmitirá al cargador ni a la carga.
Figura 5: Circuito de protección NMOS con el cargador en estado apagado
Vale la pena señalar que MN1 necesita un V igual al voltaje de la bateríaDS Valor nominal y una V igual a 1/2 voltaje de la bateríaGS Valor nominal. MP1 necesita un V igual al voltaje de la bateríaDS Y VGS Valor nominal.
La Figura 6 muestra una situación más grave, es decir, el cargador de batería ya está en funcionamiento normal cuando la batería inversa se cambia en caliente. La conexión inversa de la batería reducirá el voltaje del lado del cargador hasta que el circuito de detección y protección lo deje fuera de funcionamiento, lo que permitirá que el cargador vuelva de manera segura a su nivel de voltaje constante. Las características dinámicas variarán de una aplicación a otra, y la capacitancia del cargador de batería jugará un papel importante en el resultado final. En esta prueba, el cargador de batería tiene un condensador cerámico de Q alto y un condensador de polímero de Q bajo.
Figura 6: Circuito de protección NMOS con el cargador en funcionamiento
En resumen, se recomienda utilizar polímero de aluminio. condensadores y condensadores electrolíticos de aluminio en el cargador de batería para mejorar el rendimiento durante la conexión en caliente positiva normal de la batería. Debido a la extrema falta de linealidad, los capacitores de cerámica pura producirán un sobreimpulso excesivo durante la conexión en caliente. La razón detrás de esto es que cuando el voltaje aumenta de 0V al voltaje nominal, la capacitancia disminuye en un asombroso 80%. Esta no linealidad estimula el flujo de alta corriente en condiciones de bajo voltaje, y cuando el voltaje aumenta, la capacitancia disminuye rápidamente; esta es una combinación letal que provoca una sobretensión de muy alta tensión. Como regla general, la combinación de un capacitor cerámico y un capacitor de aluminio de voltaje estable de bajo Q o incluso un capacitor de tantalio parece ser la combinación más robusta.
Diseño MOSFET de canal P
La Figura 7 muestra el segundo método, que utiliza un transistor PMOS como dispositivo de protección.
Figura 7: Versión del elemento de transmisión del transistor PMOS
En este circuito, MP1 es un dispositivo de detección de batería inversa y MP2 es un dispositivo de aislamiento inverso. Utilice el voltaje de fuente a puerta de MP1 para comparar el terminal positivo de la batería con la salida del cargador de batería. Si el voltaje del terminal del cargador de batería es mayor que el voltaje de la batería, MP1 desactivará el dispositivo de transmisión principal MP2. Por lo tanto, si el voltaje de la batería está bajo tierra, está claro que el dispositivo de detección MP1 conducirá el dispositivo de transmisión MP2 al estado apagado (interfiriendo su puerta a su fuente). Independientemente de si el cargador de batería está habilitado y forma un voltaje de carga o deshabilitado (0V), completará las operaciones anteriores.
La mayor ventaja de este circuito es que el transistor de aislamiento PMOS MP2 no tiene la autoridad para transmitir el voltaje negativo al circuito del cargador y la carga. La figura 8 ilustra esto con mayor claridad.
Figura 8: Diagrama del efecto cascodo
El voltaje más bajo que se puede lograr en la puerta de MP2 a R1 es 0V. Incluso si el drenaje de MP2 se tira muy por debajo del potencial de tierra, su fuente no aplicará una presión significativa hacia abajo de voltaje. Una vez que el voltaje de la fuente cae a V donde el transistor está por encima del sueloTH, El transistor liberará su propia polarización y su conductividad desaparecerá gradualmente. Cuanto más cerca esté el voltaje de la fuente al potencial de tierra, mayor será el grado de liberación de polarización del transistor. Esta característica, junto con la topología simple, hace que este método sea más popular que el método NMOS descrito anteriormente. Comparado con el método NMOS, tiene las desventajas de una menor conductividad y un mayor costo de los transistores PMOS.
Aunque es más simple que el método NMOS, este circuito tiene una gran desventaja. Aunque siempre brinda protección contra voltaje inverso, es posible que no siempre conecte el circuito a la batería. Cuando la puerta está acoplada en cruz como se muestra en la figura, el circuito forma un elemento de almacenamiento bloqueado, que puede elegir el estado incorrecto. Aunque es difícil de lograr, existe una situación en la que el cargador está generando un voltaje (por ejemplo, 12V), y cuando una batería está conectada a un voltaje más bajo (por ejemplo, 8V), el circuito se desconecta.
En este caso, el voltaje de fuente a puerta de MP1 es + 4V, fortaleciendo así MP1 y desactivando MP2. Esta situación se muestra en la Figura 9 y se indica un voltaje estable en el nodo.
Figura 9: Diagrama de posibles estados de bloqueo cuando se usa el circuito de protección PMOS
Para lograr esta condición, el cargador ya debe estar funcionando cuando la batería está conectada. Si la batería se conecta antes de que se habilite el cargador, el voltaje de compuerta de MP1 es completamente elevado por la batería, deshabilitando así MP1. Cuando el cargador está encendido, genera una corriente controlada (en lugar de un pico de corriente alto), lo que reduce la posibilidad de que el MP1 se encienda y el MP2 se apague.
Por otro lado, si el cargador está habilitado antes de que se conecte la batería, la compuerta del MP1 simplemente sigue la salida del cargador de batería porque es jalada por el purgador. Resistencia R2. Cuando la batería no está conectada, MP1 no tiene tendencia a encenderse y hacer que MP2 deje de funcionar.
Cuando el cargador está en funcionamiento y la batería está conectada, se produce un problema. En este caso, hay una diferencia momentánea entre la salida del cargador y los terminales de la batería, lo que hará que MP1 deje fuera de funcionamiento al MP2, porque el voltaje de la batería obliga al condensador del cargador a absorber. Esto crea una competencia entre la capacidad de MP2 de extraer carga del condensador del cargador y la capacidad de MP1 de dejar fuera de funcionamiento al MP2.
El circuito también se probó con una batería de plomo-ácido y un cargador de batería LTC4015. La conexión de una fuente de alimentación de 6 V con carga pesada como un simulador de batería a un cargador de batería habilitado nunca activará el estado "desconectado". Las pruebas realizadas no son exhaustivas y deben probarse de forma más exhaustiva y exhaustiva en aplicaciones clave. Incluso si el circuito está bloqueado, deshabilitar el cargador de batería y volver a habilitarlo siempre resultará en una reconexión.
El estado de falla se puede demostrar manipulando el circuito (estableciendo una conexión temporal entre la parte superior de R1 y la salida del cargador de batería). Sin embargo, generalmente se cree que el circuito está más inclinado a estar conectado. Si la falla de conexión se convierte en un problema, puede diseñar un circuito que use varios dispositivos para desactivar el cargador de batería. La Figura 12 muestra un ejemplo de circuito más completo.
La Figura 10 muestra el efecto del circuito de protección PMOS con el cargador desactivado.
Tenga en cuenta que no importa cuál sea la situación, no habrá transferencia de voltaje negativo entre el cargador de batería y el voltaje de carga.
La Figura 11 muestra que el circuito se encuentra en la situación desfavorable de “el cargador ha entrado en el estado operativo cuando la batería está conectada al revés para conexión en caliente”.
El efecto del circuito NMOS es casi el mismo. Antes de desconectar el circuito para hacer que el transistor de transferencia MP2 quede fuera de funcionamiento, la batería de marcha atrás baja ligeramente el cargador y el voltaje de carga.
En esta versión del circuito, el transistor MP2 debe poder soportar el doble de voltaje de la batería VDS (Uno para el cargador y otro para la conexión inversa de la batería) y V igual al voltaje de la bateríaGS. Por otro lado, MP1 debe poder soportar V igual al voltaje de la bateríaDSY V, que es el doble del voltaje de la batería.GS. Este requisito es lamentable, porque para los transistores MOSFET, la V nominalDSSiempre exceda la nominal VGS. Se puede encontrar con 30 V VGS Tolerancia y 40V VDS Los transistores tolerantes son adecuados para aplicaciones de baterías de plomo-ácido. Para admitir baterías de mayor voltaje, se deben agregar diodos Zener y resistencias limitadoras de corriente para modificar el circuito.
La Figura 12 muestra un ejemplo de un circuito que puede manejar dos baterías de plomo-ácido apiladas en serie.
Figura 10: Circuito de protección PMOS con el cargador en estado apagado
Figura 11: Circuito de protección PMOS con el cargador en funcionamiento
ADI cree que la información que proporciona es precisa y confiable. Sin embargo, ADI no es responsable de su uso ni de cualquier infracción de patentes de terceros u otros derechos que puedan resultar de su uso. Las especificaciones están sujetas a cambios sin previo aviso. No se otorgará ninguna licencia para usar ninguna patente o derecho de patente de ADI implícitamente o de otro modo.
Figura 12: Protección de batería inversa de voltaje más alto.
D1, D3 y R3 protegen las puertas de MP2 y MP3 de daños por alto voltaje. Cuando una batería invertida se cambia en caliente, D2 puede evitar que la salida de la rejilla MP3 y del cargador de batería se mueva rápidamente por debajo del potencial del suelo. Cuando el circuito tiene una batería inversa o está en un estado de bloqueo de desconexión incorrecto, se pueden detectar MP1 y R1, y usar la función RT faltante del LTC4015 para deshabilitar el cargador de batería.
En conclusión
Es posible desarrollar un circuito de protección de voltaje inverso para aplicaciones basadas en cargadores de batería. La gente ha desarrollado algunos circuitos y realizado pruebas breves, y los resultados de las pruebas son alentadores. No existe un truco inteligente para el problema de la batería inversa, pero espero que el método presentado en este artículo pueda proporcionar suficiente información, es decir, que haya una solución simple y de bajo costo.
Steven Martin, gerente de diseño de cargadores de batería
introducción
Existen varios métodos bien conocidos para lidiar con la inversión de voltaje de la fuente de alimentación. El método más obvio es conectar un diodo entre la fuente de alimentación y la carga, pero debido al voltaje directo del diodo, este enfoque generará un consumo de energía adicional. Aunque este método es muy simple, el diodo no es útil en aplicaciones portátiles o de respaldo, porque la batería debe absorber corriente cuando se está cargando y suministrar corriente cuando no se está cargando.
Otro método es utilizar uno de los circuitos MOSFET que se muestran en la Figura 1.
Figura 1: Protección inversa tradicional del lado de la carga
Para los circuitos del lado de la carga, este método es mejor que el uso de diodos, porque el voltaje de la fuente de alimentación (batería) aumenta el MOSFET, lo que resulta en una menor caída de voltaje y una conductancia sustancialmente más alta. La versión NMOS de este circuito es mejor que la versión PMOS porque los transistores NMOS discretos tienen mayor conductividad, menor costo y mejor usabilidad. En ambos circuitos, el MOSFET se enciende cuando el voltaje de la batería es positivo y se desconecta cuando se invierte el voltaje de la batería. El "drenaje" físico del MOSFET se convierte en la fuente de energía porque tiene un mayor potencial en la versión PMOS y un potencial menor en la versión NMOS. Dado que los MOSFET son eléctricamente simétricos en la región del triodo, pueden conducir bien la corriente en ambas direcciones. Al utilizar este método, el transistor debe tener una clasificación máxima de VGS y VDS superior al voltaje de la batería.
Desafortunadamente, este método solo es efectivo para circuitos del lado de la carga y no puede funcionar con circuitos que pueden cargar la batería. El cargador de batería generará energía, reactivará el MOSFET y restablecerá la conexión a la batería inversa. La Figura 2 muestra un ejemplo de uso de la versión NMOS. La batería que se muestra en la figura está defectuosa.
Figura 2: Circuito de protección del lado de la carga con un cargador de batería
Cuando la batería está conectada, el cargador de batería está en un estado inactivo y la carga y el cargador de batería están desacoplados de manera segura de la batería inversa. Sin embargo, si el cargador cambia a un estado operativo (por ejemplo, se adjunta un conector de alimentación de entrada), el cargador genera un voltaje entre la puerta y la fuente del NMOS, lo que mejora el NMOS, realizando así la conducción de corriente. Esto es más vívido en la Figura 3.
Figura 3: El esquema tradicional de protección de batería inversa no es válido para el circuito del cargador de batería
Aunque la carga y el cargador están aislados del voltaje inverso, un problema importante al que se enfrenta el MOSFET protector es que consume demasiada energía. En este caso, el cargador de batería se convierte en un descargador de batería. Cuando el cargador de batería proporciona suficiente soporte de puerta para que el MOSFET absorba la corriente suministrada por el cargador, el circuito alcanzará el equilibrio. Por ejemplo, si la V de un poderoso MOSFETTH Aproximadamente 2 V, y el cargador puede proporcionar corriente por debajo de 2 V de voltaje, el voltaje de salida del cargador de batería se estabilizará en 2 V (el drenaje del MOSFET es de 2 V + voltaje de batería). La disipación de poder en el MOSFET es ICARGO • (VTH + VBAT), de modo que el MOSFET se calienta y genera calor hasta que el calor generado se disipa de la placa de circuito impreso. Lo mismo es cierto para la versión PMOS de este circuito.
A continuación se presentarán dos alternativas a este método, cada una de las cuales tiene ventajas y desventajas.
Diseño MOSFET de canal N
La primera solución utiliza un dispositivo de aislamiento NMOS, como se muestra en la Figura 4.
El algoritmo de este circuito es: Si el voltaje de la batería excede el voltaje de salida del cargador de batería, el MOSFET de aislamiento debe desactivarse.
Al igual que con el método NMOS descrito anteriormente, en este circuito, MN1 está conectado al lado de bajo voltaje del cableado entre el cargador / carga y los terminales de la batería. Sin embargo, los transistores MP1 y Q1 ahora proporcionan un circuito de detección que desactivará MN1 en caso de una conexión inversa de la batería. La inversión de la batería eleva la fuente de MP1 por encima de su red conectada al terminal positivo del cargador. Luego, el drenaje de MP1 entrega corriente a la base de Q1 a través de R1. Luego, Q1 deriva la puerta de MN1 a tierra, evitando que la corriente de carga fluya en MN1. R1 es responsable de controlar la corriente base que fluye a Q1 durante la detección inversa, mientras que R2 proporciona purga para la base de Q1 durante el funcionamiento normal. R3 le da a Q1 la autoridad para tirar de la puerta de MN1 a tierra. El divisor de voltaje R3 / R4 limita el voltaje en la puerta de MN1 para que el voltaje de la puerta no tenga que caer tanto durante el intercambio en caliente de la batería inversa. El peor de los casos es cuando el cargador de batería ya está en funcionamiento, generando su nivel de voltaje constante y se conecta una batería inversa. En este caso, es necesario apagar MN1 lo más rápido posible para limitar el tiempo en que se consume mucha energía. Esta versión especial del circuito con R3 y R4 es más adecuada para aplicaciones de baterías de plomo-ácido de 12 V, pero en aplicaciones de voltaje más bajo, como productos de baterías de iones de litio de una sola celda y de dos celdas, R4 puede estar exento. El condensador C1 proporciona una bomba de carga ultrarrápida para bajar el nivel de la compuerta de MN1 durante la conexión inversa de la batería. Para el peor de los casos (cuando se conecta una batería inversa, el cargador se ha habilitado nuevamente), C1 es muy útil.
La desventaja de este circuito es que se requieren componentes adicionales. El divisor de voltaje R3 / R4 crea una carga pequeña pero continua en la batería.
La mayoría de estos componentes son delgados. MP1 y Q1 no son dispositivos de potencia y, por lo general, se encuentran disponibles paquetes SOT23-3, SC70-3 o más pequeños. MN1 debe tener muy buena conductividad porque es un dispositivo de transmisión, pero no tiene que ser de gran tamaño. Debido a que funciona en la región del triodo profundo y ha sido reforzado en gran medida por la puerta, su consumo de energía es muy bajo incluso para dispositivos con conductividad media. Por ejemplo, los transistores por debajo de 100 mΩ a menudo se empaquetan en SOT23-3.
Figura 4: Un circuito de batería inverso factible
Sin embargo, la desventaja de usar un transistor de paso pequeño es que la impedancia adicional en serie con el cargador de batería extiende el tiempo de carga durante la fase de carga de voltaje constante. Por ejemplo, si la batería y su cableado tienen una resistencia en serie equivalente de 100 mΩ y se utiliza un transistor de aislamiento de 100 mΩ, el tiempo de carga durante la fase de carga de voltaje constante se duplicará.
El circuito de detección y desactivación compuesto por MP1 y Q1 no es particularmente rápido para desactivar MN1, y no es necesario que lo sea. Aunque MN1 genera un alto consumo de energía durante la conexión inversa de la batería, el circuito de apagado solo necesita desconectar MN1 "al final". Debe desconectar el MN1 antes de que el MN1 se caliente tanto que cause daños. Un tiempo de desconexión de decenas de microsegundos puede ser más adecuado. Por otro lado, es fundamental desactivar MN1 antes de que la conexión inversa de la batería tenga la oportunidad de tirar del cargador y cargar el voltaje a un valor negativo, por lo que se requiere C1. Básicamente, el circuito tiene una ruta de desactivación de CA y una de CC.
Este circuito se probó con una batería de plomo-ácido y un cargador de batería LTC4015. Como se muestra en la Figura 5, el cargador de batería está en el estado APAGADO cuando la batería se conecta en caliente en la dirección inversa. El voltaje inverso no se transmitirá al cargador ni a la carga.
Figura 5: Circuito de protección NMOS con el cargador en estado apagado
Vale la pena señalar que MN1 necesita un V igual al voltaje de la bateríaDS Valor nominal y una V igual a 1/2 voltaje de la bateríaGS Valor nominal. MP1 necesita un V igual al voltaje de la bateríaDS Y VGS Valor nominal.
La Figura 6 muestra una situación más grave, es decir, el cargador de batería ya está en funcionamiento normal cuando la batería inversa se cambia en caliente. La conexión inversa de la batería reducirá el voltaje en el lado del cargador hasta que el circuito de detección y protección lo deje fuera de funcionamiento, lo que permitirá que el cargador regrese de manera segura a su nivel de voltaje constante. Las características dinámicas variarán de una aplicación a otra, y la capacitancia del cargador de batería jugará un papel importante en el resultado final. En esta prueba, el cargador de batería tiene un condensador cerámico de Q alto y un condensador de polímero de Q bajo.
Figura 6: Circuito de protección NMOS con el cargador en funcionamiento
En resumen, se recomienda utilizar condensadores de polímero de aluminio y condensadores electrolíticos de aluminio en el cargador de batería para mejorar el rendimiento durante la conexión en caliente positiva normal de la batería. Debido a la extrema falta de linealidad, los capacitores de cerámica pura producirán un sobreimpulso excesivo durante la conexión en caliente. La razón detrás de esto es que cuando el voltaje aumenta de 0V al voltaje nominal, la capacitancia disminuye en un asombroso 80%. Esta no linealidad estimula el flujo de altas corrientes en condiciones de bajo voltaje, y cuando el voltaje aumenta, la capacitancia disminuye rápidamente; esta es una combinación letal que conduce a sobreimpulsos de voltaje muy alto. Como regla general, la combinación de un capacitor cerámico y un capacitor de aluminio de voltaje estable de bajo Q o incluso un capacitor de tantalio parece ser la combinación más robusta.
Diseño MOSFET de canal P
La Figura 7 muestra el segundo método, que utiliza un transistor PMOS como dispositivo de protección.
Figura 7: Versión del elemento de transmisión del transistor PMOS
En este circuito, MP1 es un dispositivo de detección de batería inversa y MP2 es un dispositivo de aislamiento inverso. Utilice el voltaje de fuente a puerta de MP1 para comparar el terminal positivo de la batería con la salida del cargador de batería. Si el voltaje del terminal del cargador de batería es mayor que el voltaje de la batería, MP1 desactivará el dispositivo de transmisión principal MP2. Por lo tanto, si el voltaje de la batería está bajo tierra, está claro que el dispositivo de detección MP1 conducirá el dispositivo de transmisión MP2 al estado apagado (interfiriendo su puerta a su fuente). Independientemente de si el cargador de batería está habilitado y forma un voltaje de carga o deshabilitado (0V), completará las operaciones anteriores.
La mayor ventaja de este circuito es que el transistor de aislamiento PMOS MP2 no tiene la autoridad para transmitir el voltaje negativo al circuito del cargador y la carga. La figura 8 ilustra esto con mayor claridad.
Figura 8: Diagrama del efecto cascodo
El voltaje más bajo que se puede lograr en la puerta de MP2 a R1 es 0V. Incluso si el drenaje de MP2 se tira muy por debajo del potencial de tierra, su fuente no aplicará una presión significativa hacia abajo de voltaje. Una vez que el voltaje de la fuente cae a V donde el transistor está por encima del sueloTH, El transistor liberará su propia polarización y su conductividad desaparecerá gradualmente. Cuanto más cerca esté el voltaje de la fuente al potencial de tierra, mayor será el grado de liberación de polarización del transistor. Esta característica, junto con la topología simple, hace que este método sea más popular que el método NMOS descrito anteriormente. Comparado con el método NMOS, tiene las desventajas de una menor conductividad y un mayor costo de los transistores PMOS.
Aunque es más simple que el método NMOS, este circuito tiene una gran desventaja. Aunque siempre brinda protección contra voltaje inverso, es posible que no siempre conecte el circuito a la batería. Cuando las puertas están acopladas en cruz como se muestra, el circuito forma un elemento de almacenamiento enganchado, que puede elegir el estado incorrecto. Aunque es difícil de lograr, existe una situación en la que el cargador está generando un voltaje (por ejemplo, 12V), y cuando una batería está conectada a un voltaje más bajo (por ejemplo, 8V), el circuito se desconecta.
En este caso, el voltaje de fuente a puerta de MP1 es + 4V, fortaleciendo así MP1 y desactivando MP2. Esta situación se muestra en la Figura 9 y se indica un voltaje estable en el nodo.
Figura 9: Diagrama de posibles estados de bloqueo cuando se usa el circuito de protección PMOS
Para lograr esta condición, el cargador ya debe estar funcionando cuando la batería está conectada. Si la batería se conecta antes de que se habilite el cargador, el voltaje de compuerta de MP1 es completamente elevado por la batería, deshabilitando así MP1. Cuando el cargador está encendido, genera una corriente controlada (en lugar de un pico de corriente alto), lo que reduce la posibilidad de que el MP1 se encienda y el MP2 se apague.
Por otro lado, si el cargador está habilitado antes de que se conecte la batería, la compuerta de MP1 simplemente sigue la salida del cargador de batería porque es jalada por la resistencia de purga R2. Cuando la batería no está conectada, MP1 no tiene tendencia a encenderse y hacer que MP2 deje de funcionar.
Cuando el cargador está en funcionamiento y la batería está conectada, se produce un problema. En este caso, hay una diferencia momentánea entre la salida del cargador y los terminales de la batería, lo que hará que MP1 deje fuera de funcionamiento al MP2, porque el voltaje de la batería obliga al condensador del cargador a absorber. Esto crea una competencia entre la capacidad de MP2 de extraer carga del condensador del cargador y la capacidad de MP1 de dejar fuera de funcionamiento al MP2.
El circuito también se probó con una batería de plomo-ácido y un cargador de batería LTC4015. La conexión de una fuente de alimentación de 6 V con carga pesada como un simulador de batería a un cargador de batería habilitado nunca activará el estado "desconectado". Las pruebas realizadas no son exhaustivas y deben probarse de forma más exhaustiva y exhaustiva en aplicaciones clave. Incluso si el circuito está bloqueado, deshabilitar el cargador de batería y volver a habilitarlo siempre resultará en una reconexión.
El estado de falla se puede demostrar manipulando el circuito (estableciendo una conexión temporal entre la parte superior de R1 y la salida del cargador de batería). Sin embargo, generalmente se cree que el circuito está más inclinado a estar conectado. Si la falla de conexión se convierte en un problema, puede diseñar un circuito que use varios dispositivos para desactivar el cargador de batería. La Figura 12 muestra un ejemplo de circuito más completo.
La Figura 10 muestra el efecto del circuito de protección PMOS con el cargador desactivado.
Tenga en cuenta que no importa cuál sea la situación, no habrá transferencia de voltaje negativo entre el cargador de batería y el voltaje de carga.
La Figura 11 muestra que el circuito se encuentra en la situación desfavorable de "el cargador ha entrado en el estado operativo cuando la batería está conectada al revés para conexión en caliente".
El efecto del circuito NMOS es casi el mismo. Antes de desconectar el circuito para hacer que el transistor de transferencia MP2 quede fuera de funcionamiento, la batería de marcha atrás baja ligeramente el cargador y el voltaje de carga.
En esta versión del circuito, el transistor MP2 debe poder soportar el doble de voltaje de la batería VDS (Uno para el cargador y otro para la conexión inversa de la batería) y V igual al voltaje de la bateríaGS. Por otro lado, MP1 debe poder soportar V igual al voltaje de la bateríaDSY V, que es el doble del voltaje de la batería.GS. Este requisito es lamentable, porque para los transistores MOSFET, la V nominalDSSiempre exceda la nominal VGS. Se puede encontrar con 30 V VGS Tolerancia y 40V VDS Los transistores tolerantes son adecuados para aplicaciones de baterías de plomo-ácido. Para admitir baterías de mayor voltaje, se deben agregar diodos Zener y resistencias limitadoras de corriente para modificar el circuito.
La Figura 12 muestra un ejemplo de un circuito que puede manejar dos baterías de plomo-ácido apiladas en serie.
Figura 10: Circuito de protección PMOS con el cargador en estado apagado
Figura 11: Circuito de protección PMOS con el cargador en funcionamiento
ADI cree que la información que proporciona es precisa y confiable. Sin embargo, ADI no es responsable de su uso ni de cualquier infracción de patentes de terceros u otros derechos que puedan resultar de su uso. Las especificaciones están sujetas a cambios sin previo aviso. No se otorgará ninguna licencia para usar ninguna patente o derecho de patente de ADI implícitamente o de otro modo.
Figura 12: Protección de batería inversa de voltaje más alto.
D1, D3 y R3 protegen las puertas de MP2 y MP3 de daños por alto voltaje. Cuando una batería invertida se cambia en caliente, D2 puede evitar que la salida de la rejilla MP3 y del cargador de batería se mueva rápidamente por debajo del potencial del suelo. Cuando el circuito tiene una batería inversa o está en un estado de bloqueo de desconexión incorrecto, se pueden detectar MP1 y R1, y usar la función RT faltante del LTC4015 para deshabilitar el cargador de batería.
En conclusión
Se puede desarrollar un circuito de protección de voltaje inverso para aplicaciones basadas en cargadores de batería. La gente ha desarrollado algunos circuitos y realizado pruebas breves, y los resultados de las pruebas son alentadores. No existe un truco inteligente para el problema de la batería inversa, pero espero que el método presentado en este artículo pueda proporcionar suficiente información, es decir, que haya una solución simple y de bajo costo.
Los enlaces: NL6448BC33-59D FS450R12KE3