Protection contre l'inversion de tension du chargeur de batterie

"Il existe plusieurs méthodes bien connues pour traiter l'alimentation électrique Tension renversement. La méthode la plus évidente consiste à connecter une diode entre l'alimentation et la charge, mais en raison de la tension directe de la diode, cette approche générera une consommation d'énergie supplémentaire. Bien que cette méthode soit très simple, la diode n'est pas utile dans les applications portables ou de secours, car la batterie doit absorber du courant lors de la charge et fournir du courant lorsqu'elle n'est pas en charge.

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Steven Martin, responsable de la conception des chargeurs de batterie

introduction

Il existe plusieurs méthodes bien connues pour traiter l'inversion de la tension d'alimentation. La méthode la plus évidente consiste à connecter une diode entre l'alimentation et la charge, mais en raison de la tension directe de la diode, cette approche générera une consommation d'énergie supplémentaire. Bien que cette méthode soit très simple, la diode n'est pas utile dans les applications portables ou de secours, car la batterie doit absorber du courant lors de la charge et fournir du courant lorsqu'elle n'est pas en charge.

Une autre méthode consiste à utiliser l'un des mosfet circuits illustrés à la figure 1.

Figure 1 : Protection anti-retour traditionnelle côté charge

Pour les circuits côté charge, cette méthode est meilleure que l'utilisation de diodes, car la tension d'alimentation (batterie) augmente la tension. MOSFET, ce qui entraîne moins de chute de tension et une conductance sensiblement plus élevée. La version NMOS de ceci circuit est meilleure que la version PMOS car les transistors NMOS discrets ont une conductivité plus élevée, un coût inférieur et une meilleure convivialité. Dans les deux circuits, le MOSFET est activé lorsque la tension de la batterie est positive et déconnecté lorsque la tension de la batterie est inversée. Le « drain » physique du MOSFET devient la source d'alimentation car il a un potentiel plus élevé dans la version PMOS et un potentiel plus faible dans la version NMOS. Depuis mosfet sont électriquement symétriques dans la région triode, ils peuvent bien conduire le courant dans les deux sens. Lors de l'utilisation de cette méthode, le Transistor doit avoir une cote VGS et VDS maximale supérieure à la tension de la batterie.

Malheureusement, cette méthode n'est efficace que pour les circuits côté charge et ne peut pas fonctionner avec des circuits pouvant charger la batterie. Le chargeur de batterie générera de l'énergie, réactivera le MOSFET et rétablira la connexion à la batterie inversée. La figure 2 montre un exemple d'utilisation de la version NMOS. La batterie illustrée sur la figure est dans un état défectueux.

Figure 2 : Circuit de protection côté charge avec un chargeur de batterie

Lorsque la batterie est connectée, le chargeur de batterie est à l'état inactif et la charge et le chargeur de batterie sont découplés en toute sécurité de la batterie inversée. Cependant, si le chargeur passe à un état de fonctionnement (par exemple, un connecteur d'alimentation d'entrée est connecté), le chargeur génère une tension entre la grille et la source du NMOS, ce qui améliore le NMOS, réalisant ainsi la conduction du courant. Ceci est plus frappant dans la figure 3.

Figure 3 : Le schéma traditionnel de protection inversée de la batterie n'est pas valide pour le circuit du chargeur de batterie

Bien que la charge et le chargeur soient isolés de la tension inverse, un problème majeur auquel est confronté le MOSFET de protection est qu'il consomme trop d'énergie. Dans ce cas, le chargeur de batterie devient un déchargeur de batterie. Lorsque le chargeur de batterie fournit suffisamment de support de grille pour que le MOSFET absorbe le courant délivré par le chargeur, le circuit atteindra l'équilibre. Par exemple, si le V d'un puissant MOSFET_TH Environ 2V, et le chargeur peut fournir du courant sous une tension de 2V, la tension de sortie du chargeur de batterie se stabilisera à 2V (le drain du MOSFET est à 2V + tension de batterie). La dissipation de puissance dans le MOSFET est I_CHARGE • (V._TH + V_MTD), de sorte que le MOSFET chauffe et génère de la chaleur jusqu'à ce que la chaleur générée se dissipe de la carte de circuit imprimé. Il en est de même pour la version PMOS de ce circuit.

Deux alternatives à cette méthode seront présentées ci-dessous, chacune ayant des avantages et des inconvénients.

Conception MOSFET à canal N

La première solution utilise un dispositif d'isolation NMOS, comme le montre la figure 4.

L'algorithme de ce circuit est le suivant : Si la tension de la batterie dépasse la tension de sortie du chargeur de batterie, le MOSFET d'isolement doit être désactivé.

Comme pour la méthode NMOS décrite ci-dessus, dans ce circuit, MN1 est connecté au côté basse tension du câblage entre le chargeur/charge et les bornes de la batterie. Cependant, les transistors MP1 et Q1 fournissent désormais un circuit de détection qui désactivera MN1 en cas de connexion inversée de la batterie. L'inversion de la batterie élève la source de MP1 au-dessus de sa grille reliée à la borne positive du chargeur. Ensuite, le drain de MP1 délivre du courant à la base de Q1 via R1. Ensuite, Q1 shunte la grille de MN1 vers la masse, empêchant le courant de charge de circuler dans MN1. R1 est responsable du contrôle du courant de base circulant vers Q1 lors de la détection inverse, tandis que R2 assure la purge de la base de Q1 pendant le fonctionnement normal. R3 donne à Q1 le pouvoir de mettre la porte de MN1 à la terre. Le diviseur de tension R3/R4 limite la tension sur la grille de MN1 afin que la tension de grille ne doive pas chuter autant lors du remplacement à chaud de la batterie inversée. Le pire des cas est lorsque le chargeur de batterie est déjà en fonctionnement, produisant son niveau de tension constant, et qu'une batterie inversée est connectée. Dans ce cas, il est nécessaire d'éteindre MN1 le plus rapidement possible pour limiter le temps de consommation d'énergie élevée. Cette version spéciale du circuit avec R3 et R4 est la plus adaptée aux applications de batteries au plomb 12 V, mais dans les applications à basse tension telles que les batteries lithium-ion à une ou deux cellules, R4 peut être exempté. Condensateur C1 fournit une pompe de charge ultra-rapide pour abaisser le niveau de grille de MN1 lors de la fixation inversée de la batterie. Dans le pire des cas (lorsqu'une batterie inversée est connectée, le chargeur a été à nouveau activé), C1 est très utile.

L'inconvénient de ce circuit est qu'un supplément composants électriques sont requises. Le diviseur de tension R3/R4 crée une charge faible mais continue sur la batterie.

La plupart de ces composants sont minces. MP1 et Q1 ne sont pas des appareils d'alimentation, et généralement SOT23-3, SC70-3 ou des packages plus petits sont disponibles. MN1 doit avoir une très bonne conductivité, car c'est un dispositif de transmission, mais la taille ne doit pas nécessairement être grande. Parce qu'il fonctionne dans la région de triode profonde et a été considérablement renforcé par la grille, sa consommation d'énergie est très faible même pour les appareils à conductivité moyenne. Par exemple, les transistors de moins de 100 mΩ sont souvent conditionnés en SOT23-3.

Figure 4 : Un circuit de batterie inversé réalisable

Cependant, l'inconvénient d'utiliser un petit pass Transistor est que l'impédance supplémentaire en série avec le chargeur de batterie prolonge le temps de charge pendant la phase de charge à tension constante. Par exemple, si la batterie et son câblage ont une résistance série équivalente de 100 mΩ et qu'un transistor d'isolement de 100 mΩ est utilisé, le temps de charge pendant la phase de charge à tension constante sera doublé.

Le circuit de détection et de désactivation composé de MP1 et Q1 n'est pas particulièrement rapide pour désactiver MN1, et ils n'ont pas besoin de l'être. Bien que MN1 génère une consommation d'énergie élevée lors de la fixation inversée de la batterie, le circuit d'arrêt n'a besoin de déconnecter MN1 qu'« à la fin ». Il doit déconnecter MN1 avant que MN1 ne chauffe au point de causer des dommages. Un temps de déconnexion de quelques dizaines de microsecondes peut être plus adapté. D'un autre côté, il est essentiel de désactiver MN1 avant que la connexion inversée de la batterie n'ait la possibilité de tirer le chargeur et la tension de charge à une valeur négative, donc C1 est requis. Fondamentalement, le circuit a un chemin de désactivation CA et un chemin de désactivation CC.

Ce circuit a été testé avec une batterie au plomb et un chargeur de batterie LTC4015. Comme le montre la figure 5, le chargeur de batterie est à l'état OFF lorsque la batterie est enfichée à chaud dans le sens inverse. La tension inverse ne sera pas transmise au chargeur et à la charge.

Figure 5 : Circuit de protection NMOS avec le chargeur à l'état éteint

Il est à noter que MN1 a besoin d'un V égal à la tension de la batterie_DS Valeur nominale et un V égal à 1/2 tension batterie_GS Valeur nominale. MP1 a besoin d'un V égal à la tension de la batterie_DS Et V_GS Valeur nominale.

La figure 6 montre une situation plus grave, c'est-à-dire que le chargeur de batterie est déjà en fonctionnement normal lorsque la batterie inversée est remplacée à chaud. La connexion inversée de la batterie abaissera la tension côté chargeur jusqu'à ce que le circuit de détection et de protection la mette hors de service, permettant au chargeur de revenir en toute sécurité à son niveau de tension constant. Les caractéristiques dynamiques varieront d'une application à l'autre et la capacité du chargeur de batterie jouera un rôle important dans le résultat final. Dans ce test, le chargeur de batterie possède à la fois un condensateur céramique à Q élevé et un condensateur polymère à faible Q.

Figure 6 : Circuit de protection NMOS avec le chargeur en fonctionnement

Bref, il est recommandé d'utiliser du polymère d'aluminium Condensateurs et des condensateurs électrolytiques en aluminium sur le chargeur de batterie pour améliorer les performances lors du branchement à chaud positif normal de la batterie. En raison de l'extrême non-linéarité, les condensateurs en céramique pure produiront un dépassement excessif lors du branchement à chaud. La raison en est que lorsque la tension passe de 0 V à la tension nominale, la capacité diminue d'un étonnant 80 %. Cette non-linéarité stimule le flux de courant élevé dans des conditions de basse tension, et lorsque la tension augmente, la capacité diminue rapidement ; il s'agit d'une combinaison mortelle qui provoque un dépassement de tension très élevé. En règle générale, la combinaison d'un condensateur en céramique et d'un condensateur en aluminium à faible Q et stable en tension ou même d'un condensateur au tantale semble être la combinaison la plus robuste.

Conception de MOSFET à canal P

La figure 7 montre la deuxième méthode, qui utilise un transistor PMOS comme dispositif de protection.

Figure 7 : Version élément de transmission à transistor PMOS

Dans ce circuit, MP1 est un dispositif de détection de batterie inversée et MP2 est un dispositif d'isolement inversé. Utilisez la tension source-grille de MP1 pour comparer la borne positive de la batterie avec la sortie du chargeur de batterie. Si la tension aux bornes du chargeur de batterie est supérieure à la tension de la batterie, MP1 désactivera le dispositif de transmission principal MP2. Par conséquent, si la tension de la batterie est entraînée en dessous de la terre, il est clair que le dispositif de détection MP1 entraînera le dispositif de transmission MP2 à l'état bloqué (interférant sa grille avec sa source). Que le chargeur de batterie soit activé et forme une tension de charge ou désactivé (0 V), il terminera les opérations ci-dessus.

Le plus gros avantage de ce circuit est que le transistor d'isolement PMOS MP2 n'a pas le pouvoir de transmettre la tension négative au circuit de charge et à la charge. La figure 8 illustre cela plus clairement.

Figure 8 : Schéma de l'effet cascode

La tension la plus basse pouvant être atteinte sur la grille de MP2 à R1 est de 0V. Même si le drain de MP2 est tiré bien en dessous du potentiel de la terre, sa source n'appliquera pas de pression descendante de tension significative. Une fois que la tension de la source tombe à V où le transistor est au-dessus de la terre_TH, Le transistor libérera sa propre polarisation et sa conductivité disparaîtra progressivement. Plus la tension de source est proche du potentiel de masse, plus le degré de libération de polarisation du transistor est élevé. Cette caractéristique, associée à la topologie simple, rend cette méthode plus populaire que la méthode NMOS décrite ci-dessus. Par rapport à la méthode NMOS, elle présente les inconvénients d'une conductivité plus faible et d'un coût plus élevé des transistors PMOS.

Bien que plus simple que la méthode NMOS, ce circuit présente un gros inconvénient. Bien qu'il offre toujours une protection contre la tension inverse, il peut ne pas toujours connecter le circuit à la batterie. Lorsque la porte est couplée comme illustré sur la figure, le circuit forme un élément de stockage verrouillé, qui peut choisir le mauvais état. Bien que cela soit difficile à réaliser, il existe une situation dans laquelle le chargeur génère une tension (par exemple, 12 V) et lorsqu'une batterie est connectée à une tension inférieure (par exemple, 8 V), le circuit est déconnecté.

Dans ce cas, la tension source-grille de MP1 est de +4V, renforçant ainsi MP1 et désactivant MP2. Cette situation est illustrée à la figure 9 et une tension stable est répertoriée sur le nœud.

Figure 9 : Schéma des états de blocage possibles lors de l'utilisation du circuit de protection PMOS

Afin d'atteindre cette condition, le chargeur doit déjà être en marche lorsque la batterie est connectée. Si la batterie est connectée avant que le chargeur ne soit activé, la tension de grille de MP1 est complètement tirée par la batterie, désactivant ainsi MP1. Lorsque le chargeur est allumé, il génère un courant contrôlé (plutôt qu'une forte surtension), ce qui réduit la possibilité que MP1 soit allumé et MP2 éteint.

D'autre part, si le chargeur est activé avant que la batterie ne soit fixée, la porte du MP1 suit simplement la sortie du chargeur de batterie car elle est tirée vers le haut par le purgeur Resistor R2. Lorsque la batterie n'est pas connectée, le MP1 n'a pas tendance à s'allumer et à mettre le MP2 hors service.

Lorsque le chargeur est opérationnel et que la batterie est connectée, un problème survient. Dans ce cas, il existe une différence momentanée entre la sortie du chargeur et les bornes de la batterie, ce qui entraînera la mise hors service du MP1 car la tension de la batterie force le condensateur du chargeur à absorber. Cela crée une concurrence entre la capacité de MP2 à tirer une charge du condensateur du chargeur et la capacité de MP2 à mettre MP1 hors service.

Le circuit a également été testé avec une batterie au plomb et un chargeur de batterie LTC4015. La connexion d'une alimentation 6 V à forte charge en tant que simulateur de batterie à un chargeur de batterie activé ne déclenchera jamais l'état « déconnecté ». Les tests effectués ne sont pas complets et devraient être testés de manière plus complète et approfondie dans les applications clés. Même si le circuit est bien verrouillé, désactiver le chargeur de batterie et le réactiver entraînera toujours une reconnexion.

L'état de défaut peut être démontré en manipulant le circuit (en établissant une connexion temporaire entre le haut de R1 et la sortie du chargeur de batterie). Cependant, il est généralement admis que le circuit est plus enclin à être connecté. Si l'échec de la connexion devient un problème, vous pouvez concevoir un circuit qui utilise plusieurs appareils pour désactiver le chargeur de batterie. La figure 12 montre un exemple de circuit plus complet.

La figure 10 montre l'effet du circuit de protection PMOS avec le chargeur désactivé.

Veuillez noter que quelle que soit la situation, il n'y aura pas de transfert de tension négative entre le chargeur de batterie et la tension de charge.

La figure 11 montre que le circuit se trouve dans la situation défavorable de « le chargeur est entré dans l'état de fonctionnement lorsque la batterie est inversée pour un branchement à chaud ».
L'effet du circuit NMOS est presque le même. Avant de déconnecter le circuit pour mettre le transistor de transfert MP2 hors service, la batterie inversée abaisse légèrement la tension du chargeur et de la charge.

Dans cette version du circuit, le transistor MP2 doit pouvoir supporter le double de la tension de la batterie V_DS (Un pour le chargeur et un pour la connexion inverse de la batterie) et V égal à la tension de la batterie_GS. D'autre part, MP1 doit pouvoir supporter V égal à la tension de la batterie_DSEt V qui est le double de la tension de la batterie_GS. Cette exigence est regrettable, car pour les transistors MOSFET, le V nominal_DSDépassez toujours la valeur nominale V_GS. Peut être trouvé avec 30V V_GS Tolérance et 40V V_DS Les transistors tolérants conviennent aux applications de batteries plomb-acide. Afin de prendre en charge les batteries à tension plus élevée, des diodes Zener et des résistances de limitation de courant doivent être ajoutées pour modifier le circuit.

La figure 12 montre un exemple de circuit pouvant gérer deux batteries au plomb empilées en série.

Figure 10 : Circuit de protection PMOS avec le chargeur à l'état éteint

Figure 11 : Circuit de protection PMOS avec le chargeur en fonctionnement

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Figure 12 : Protection de batterie inversée à tension plus élevée.

D1, D3 et R3 protègent les grilles de MP2 et MP3 contre les dommages causés par la haute tension. Lorsqu'une batterie inversée est remplacée à chaud, D2 peut empêcher la sortie du réseau MP3 et du chargeur de batterie de se déplacer rapidement en dessous du potentiel de terre. Lorsque le circuit a une batterie inversée ou est dans un mauvais état de verrouillage de déconnexion, MP1 et R1 peuvent être détectés et utiliser la fonction RT manquante du LTC4015 pour désactiver le chargeur de batterie.

en conclusion

Il est possible de développer un circuit de protection contre les inversions de tension pour les applications basées sur un chargeur de batterie. Les gens ont développé des circuits et effectué de brefs tests, et les résultats des tests sont encourageants. Il n'y a pas d'astuce pour résoudre le problème de la batterie inversée, mais j'espère que la méthode présentée dans cet article pourra apporter suffisamment d'éclaircissements, c'est-à-dire qu'il existe une solution simple et peu coûteuse.