"Ada beberapa metode terkenal untuk menangani catu daya tegangan kemunduran. Metode yang paling jelas adalah menghubungkan dioda antara catu daya dan beban, tetapi karena tegangan maju dioda, pendekatan ini akan menghasilkan konsumsi daya tambahan. Meskipun metode ini sangat sederhana, dioda tidak berguna dalam aplikasi portabel atau cadangan, karena baterai harus menyerap arus saat mengisi daya dan memasok arus saat tidak mengisi daya.
"
Steven Martin, Manajer Desain Pengisi Daya Baterai
pendahuluan
Ada beberapa metode terkenal untuk menangani pembalikan tegangan catu daya. Metode yang paling jelas adalah menghubungkan dioda antara catu daya dan beban, tetapi karena tegangan maju dioda, pendekatan ini akan menghasilkan konsumsi daya tambahan. Meskipun metode ini sangat sederhana, dioda tidak berguna dalam aplikasi portabel atau cadangan, karena baterai harus menyerap arus saat mengisi daya dan memasok arus saat tidak mengisi daya.
Cara lain adalah dengan menggunakan salah satu dari MOSFET sirkuit yang ditunjukkan pada Gambar 1.
Gambar 1: Perlindungan terbalik sisi beban tradisional
Untuk rangkaian sisi beban, cara ini lebih baik daripada menggunakan dioda, karena tegangan catu daya (baterai) meningkatkan tegangan. MOSFET, menghasilkan penurunan tegangan yang lebih sedikit dan konduktansi yang jauh lebih tinggi. Versi NMOS ini sirkit lebih baik daripada versi PMOS karena transistor NMOS diskrit memiliki konduktivitas yang lebih tinggi, biaya yang lebih rendah, dan kegunaan yang lebih baik. Di kedua sirkuit, MOSFET dihidupkan ketika tegangan baterai positif, dan terputus ketika tegangan baterai dibalik. “Tiriskan” fisik MOSFET menjadi sumber daya karena memiliki potensi yang lebih tinggi di versi PMOS dan potensi yang lebih rendah di versi NMOS. Sejak MOSFET simetris secara elektrik di wilayah triode, mereka dapat menghantarkan arus dengan baik di kedua arah. Saat menggunakan metode ini, Transistor harus memiliki nilai VGS dan VDS maksimum lebih tinggi dari tegangan baterai.
Sayangnya, metode ini hanya efektif untuk sirkuit sisi beban dan tidak dapat bekerja dengan sirkuit yang dapat mengisi daya baterai. Pengisi daya baterai akan menghasilkan daya, mengaktifkan kembali MOSFET, dan menyambungkan kembali ke baterai terbalik. Gambar 2 menunjukkan contoh penggunaan versi NMOS. Baterai yang ditunjukkan pada gambar dalam keadaan rusak.
Gambar 2: Sirkuit perlindungan sisi beban dengan pengisi daya baterai
Saat baterai terhubung, pengisi daya baterai dalam keadaan siaga, dan beban serta pengisi daya baterai dilepaskan dengan aman dari baterai terbalik. Namun, jika pengisi daya berubah ke status pengoperasian (misalnya, konektor daya input terpasang), pengisi daya menghasilkan tegangan antara gerbang dan sumber NMOS, yang meningkatkan NMOS, sehingga mewujudkan konduksi arus. Ini lebih jelas pada Gambar 3.
Gambar 3: Skema perlindungan baterai terbalik tradisional tidak valid untuk sirkuit pengisi daya baterai
Meskipun beban dan pengisi daya diisolasi dari tegangan balik, masalah utama yang dihadapi MOSFET pelindung adalah bahwa ia menghabiskan terlalu banyak daya. Dalam hal ini, pengisi daya baterai menjadi pengosongan baterai. Ketika pengisi daya baterai memberikan dukungan gerbang yang cukup bagi MOSFET untuk menyerap arus yang dikirim oleh pengisi daya, rangkaian akan mencapai keseimbangan. Misalnya, jika V dari MOSFET yang kuatTH Sekitar 2V, dan pengisi daya dapat memberikan arus di bawah tegangan 2V, tegangan keluaran pengisi daya baterai akan stabil pada 2V (saluran MOSFET berada pada tegangan 2V + baterai). Disipasi daya dalam MOSFET adalah IBIAYA • (VTH + VBAT), sehingga MOSFET memanas dan menghasilkan panas hingga panas yang dihasilkan menghilang dari papan sirkuit tercetak. Hal yang sama berlaku untuk versi PMOS dari sirkuit ini.
Dua alternatif untuk metode ini akan diperkenalkan di bawah ini, yang masing-masing memiliki kelebihan dan kekurangan.
Desain MOSFET saluran-N
Solusi pertama menggunakan perangkat isolasi NMOS, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.
Algoritma rangkaian ini adalah: Jika tegangan baterai melebihi tegangan keluaran pengisi daya baterai, MOSFET isolasi harus dinonaktifkan.
Seperti metode NMOS yang dijelaskan di atas, di sirkuit ini, MN1 dihubungkan ke sisi kabel tegangan rendah antara pengisi daya/beban dan terminal baterai. Namun, transistor MP1 dan Q1 sekarang menyediakan rangkaian deteksi yang akan menonaktifkan MN1 jika terjadi sambungan baterai terbalik. Membalikkan baterai akan memunculkan sumber MP1 di atas jaringannya yang terhubung ke terminal positif pengisi daya. Kemudian, saluran MP1 mengalirkan arus ke basis Q1 melalui R1. Kemudian, Q1 mengalihkan gerbang MN1 ke ground, mencegah arus pengisian mengalir di MN1. R1 bertanggung jawab untuk mengendalikan arus basis yang mengalir ke Q1 selama deteksi terbalik, sementara R2 menyediakan pemeras untuk basis Q1 selama operasi normal. R3 memberi Q1 wewenang untuk menarik gerbang MN1 ke ground. Pembagi tegangan R3/R4 membatasi tegangan pada gerbang MN1 sehingga tegangan gerbang tidak harus turun sebanyak itu selama hot swap baterai terbalik. Kasus terburuk adalah ketika pengisi daya baterai sudah beroperasi, menghasilkan tingkat tegangan konstan, dan baterai terbalik terpasang. Dalam hal ini, MN1 perlu dimatikan secepat mungkin untuk membatasi waktu konsumsi daya tinggi. Versi khusus rangkaian dengan R3 dan R4 ini paling cocok untuk aplikasi baterai timbal-asam 12V, tetapi dalam aplikasi tegangan rendah seperti produk baterai lithium-ion sel tunggal dan dua sel, R4 dapat dikecualikan. Kapasitor C1 menyediakan pompa pengisian daya ultra cepat untuk menurunkan tingkat gerbang MN1 selama pemasangan baterai terbalik. Untuk kasus terburuk (ketika baterai terbalik terpasang, pengisi daya telah diaktifkan kembali), C1 sangat berguna.
Kerugian dari sirkuit ini adalah bahwa tambahan komponen diperlukan. Pembagi tegangan R3/R4 menciptakan beban kecil namun terus menerus pada baterai.
Sebagian besar komponen ini ramping. MP1 dan Q1 bukan perangkat listrik, dan biasanya paket SOT23-3, SC70-3 atau yang lebih kecil tersedia. MN1 harus memiliki konduktivitas yang sangat baik, karena merupakan perangkat transmisi, tetapi ukurannya tidak harus besar. Karena bekerja di wilayah triode dalam dan telah sangat diperkuat oleh gerbang, konsumsi dayanya sangat rendah bahkan untuk perangkat dengan konduktivitas sedang. Misalnya, transistor di bawah 100mΩ sering dikemas dalam SOT23-3.
Gambar 4: Sirkuit baterai terbalik yang layak
Namun, kerugian menggunakan pass kecil Transistor adalah bahwa impedansi tambahan secara seri dengan pengisi daya baterai memperpanjang waktu pengisian selama fase pengisian tegangan konstan. Misalnya, jika baterai dan kabelnya memiliki resistansi seri setara 100mΩ, dan transistor isolasi 100mΩ digunakan, waktu pengisian selama fase pengisian tegangan konstan akan berlipat ganda.
Sirkuit deteksi dan penonaktifan yang terdiri dari MP1 dan Q1 tidak terlalu cepat untuk menonaktifkan MN1, dan mereka tidak perlu begitu. Meskipun MN1 menghasilkan konsumsi daya yang tinggi selama pemasangan baterai terbalik, sirkuit shutdown hanya perlu memutuskan MN1 "di akhir". Itu harus memutuskan MN1 sebelum MN1 memanas sedemikian rupa sehingga menyebabkan kerusakan. Waktu pemutusan puluhan mikrodetik mungkin lebih cocok. Di sisi lain, sangat penting untuk menonaktifkan MN1 sebelum koneksi balik baterai memiliki kesempatan untuk menarik pengisi daya dan tegangan beban ke nilai negatif, sehingga C1 diperlukan. Pada dasarnya, rangkaian tersebut memiliki satu jalur penonaktifan AC dan satu jalur penonaktifan DC.
Rangkaian ini diuji dengan baterai timbal-asam dan pengisi daya baterai LTC4015. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5, pengisi daya baterai dalam keadaan OFF ketika baterai dicolokkan dalam arah terbalik. Tegangan balik tidak akan ditransmisikan ke pengisi daya dan beban.
Gambar 5: Sirkuit perlindungan NMOS dengan pengisi daya dalam keadaan mati
Perlu dicatat bahwa MN1 membutuhkan V yang sama dengan tegangan bateraiDS Nilai nilai dan V sama dengan 1/2 tegangan bateraiGS Nilai nilai. MP1 membutuhkan V sama dengan tegangan bateraiDS Dan VGS Nilai nilai.
Gambar 6 menunjukkan situasi yang lebih serius, yaitu pengisi daya baterai sudah beroperasi secara normal ketika baterai terbalik di-hot-swap. Sambungan terbalik baterai akan menurunkan tegangan sisi pengisi daya hingga sirkuit deteksi dan perlindungan membuatnya tidak beroperasi, memungkinkan pengisi daya untuk kembali ke tingkat tegangan konstan dengan aman. Karakteristik dinamis akan bervariasi dari aplikasi ke aplikasi, dan kapasitansi pada pengisi daya baterai akan memainkan peran besar dalam hasil akhir. Dalam pengujian ini, pengisi daya baterai memiliki kapasitor keramik Q tinggi dan kapasitor polimer Q rendah.
Gambar 6: Sirkuit perlindungan NMOS dengan pengisi daya yang beroperasi
Singkatnya, disarankan untuk menggunakan aluminium polimer Kapasitor dan kapasitor elektrolit aluminium pada pengisi daya baterai untuk meningkatkan kinerja selama pengisian panas baterai positif normal. Karena non-linier yang ekstrim, kapasitor keramik murni akan menghasilkan overshoot yang berlebihan selama hot plugging. Alasan di balik ini adalah bahwa ketika tegangan naik dari 0V ke tegangan pengenal, kapasitansi berkurang hingga 80%. Non-linier ini merangsang aliran arus tinggi di bawah kondisi tegangan rendah, dan ketika tegangan naik, kapasitansi menurun dengan cepat; ini adalah kombinasi mematikan yang menyebabkan overshoot tegangan yang sangat tinggi. Sebagai aturan praktis, kombinasi kapasitor keramik dan kapasitor aluminium Q rendah tegangan stabil atau bahkan kapasitor tantalum tampaknya merupakan kombinasi yang paling kuat.
Desain MOSFET saluran-P
Gambar 7 menunjukkan metode kedua, yang menggunakan transistor PMOS sebagai perangkat proteksi.
Gambar 7: Versi elemen transmisi transistor PMOS
Di sirkuit ini, MP1 adalah perangkat deteksi baterai terbalik, dan MP2 adalah perangkat isolasi terbalik. Gunakan tegangan sumber-ke-gerbang MP1 untuk membandingkan terminal positif baterai dengan keluaran pengisi daya baterai. Jika tegangan terminal pengisi daya baterai lebih tinggi dari tegangan baterai, MP1 akan menonaktifkan perangkat transmisi utama MP2. Oleh karena itu, jika tegangan baterai didorong di bawah tanah, jelas bahwa perangkat pendeteksi MP1 akan menggerakkan perangkat transmisi MP2 ke keadaan mati (mengganggu gerbangnya ke sumbernya). Terlepas dari apakah pengisi daya baterai diaktifkan dan membentuk tegangan pengisian atau dinonaktifkan (0V), itu akan menyelesaikan operasi di atas.
Keuntungan terbesar dari rangkaian ini adalah transistor isolasi PMOS MP2 tidak memiliki wewenang untuk mengirimkan tegangan negatif ke rangkaian pengisi daya dan beban. Gambar 8 menggambarkan hal ini dengan lebih jelas.
Gambar 8: Diagram efek cascode
Tegangan terendah yang dapat dicapai pada gerbang MP2 melalui R1 adalah 0V. Bahkan jika saluran MP2 ditarik jauh di bawah potensial tanah, sumbernya tidak akan memberikan tekanan tegangan ke bawah yang signifikan. Setelah tegangan sumber turun ke V di mana transistor berada di atas tanahTH, Transistor akan melepaskan biasnya sendiri, dan konduktivitasnya secara bertahap akan hilang. Semakin dekat tegangan sumber dengan potensial ground, semakin tinggi derajat pelepasan bias transistor. Fitur ini, ditambah dengan topologi sederhana, membuat metode ini lebih populer daripada metode NMOS yang dijelaskan di atas. Dibandingkan dengan metode NMOS, metode ini memiliki kelemahan konduktivitas yang lebih rendah dan biaya transistor PMOS yang lebih tinggi.
Meskipun lebih sederhana daripada metode NMOS, sirkuit ini memiliki kelemahan besar. Meskipun selalu memberikan perlindungan terhadap tegangan balik, mungkin tidak selalu menghubungkan sirkuit ke baterai. Ketika gerbang digabungkan silang seperti yang ditunjukkan pada gambar, rangkaian membentuk elemen penyimpanan terkunci, yang dapat memilih status yang salah. Meskipun sulit untuk dicapai, ada situasi di mana pengisi daya menghasilkan tegangan (misalnya, 12V), dan ketika baterai dipasang pada tegangan yang lebih rendah (misalnya, 8V), sirkuit terputus.
Dalam hal ini, tegangan sumber-ke-gerbang MP1 adalah +4V, sehingga memperkuat MP1 dan menonaktifkan MP2. Situasi ini ditunjukkan pada Gambar 9 dan tegangan stabil tercantum pada node.
Gambar 9: Diagram kemungkinan status pemblokiran saat menggunakan sirkuit perlindungan PMOS
Untuk mencapai kondisi ini, pengisi daya harus sudah berjalan saat baterai terhubung. Jika baterai terhubung sebelum pengisi daya diaktifkan, tegangan gerbang MP1 ditarik sepenuhnya oleh baterai, sehingga menonaktifkan MP1. Ketika pengisi daya dihidupkan, itu menghasilkan arus yang terkontrol (bukan lonjakan arus tinggi), yang mengurangi kemungkinan MP1 dihidupkan dan MP2 dimatikan.
Di sisi lain, jika pengisi daya diaktifkan sebelum baterai dipasang, gerbang MP1 cukup mengikuti keluaran pengisi daya baterai karena ditarik oleh bleeder. Penghambat R2. Saat baterai tidak terhubung, MP1 tidak memiliki kecenderungan untuk menyala dan membuat MP2 tidak beroperasi.
Saat pengisi daya aktif dan berjalan, dan baterai terpasang, terjadi masalah. Dalam hal ini, ada perbedaan sesaat antara keluaran pengisi daya dan terminal baterai, yang akan menyebabkan MP1 membuat MP2 tidak beroperasi, karena tegangan baterai memaksa kapasitor pengisi daya untuk menyerap. Hal ini menciptakan persaingan antara kemampuan MP2 untuk menarik muatan dari kapasitor pengisi daya dan kemampuan MP1 untuk menghentikan pengoperasian MP2.
Rangkaian ini juga diuji dengan baterai timbal-asam dan pengisi daya baterai LTC4015. Menghubungkan catu daya 6V beban berat sebagai simulator baterai ke pengisi daya baterai yang diaktifkan tidak akan pernah memicu status "terputus". Pengujian yang dilakukan tidak komprehensif dan harus diuji secara lebih komprehensif dan menyeluruh dalam aplikasi utama. Bahkan jika sirkuit benar-benar terkunci, menonaktifkan pengisi daya baterai dan mengaktifkannya kembali akan selalu menghasilkan koneksi ulang.
Status kesalahan dapat ditunjukkan dengan memanipulasi sirkuit (membuat sambungan sementara antara bagian atas R1 dan keluaran pengisi daya baterai). Namun, umumnya diyakini bahwa sirkuit lebih cenderung terhubung. Jika kegagalan koneksi menjadi masalah, Anda dapat merancang sirkuit yang menggunakan beberapa perangkat untuk menonaktifkan pengisi daya baterai. Gambar 12 menunjukkan contoh rangkaian yang lebih lengkap.
Gambar 10 menunjukkan efek sirkuit perlindungan PMOS dengan pengisi daya dinonaktifkan.
Harap dicatat bahwa apa pun situasinya, tidak akan ada transfer tegangan negatif antara pengisi daya baterai dan tegangan beban.
Gambar 11 menunjukkan bahwa sirkuit berada dalam situasi yang tidak menguntungkan "pengisi daya telah memasuki kondisi operasi ketika baterai terhubung terbalik untuk plugging panas".
Efek dari rangkaian NMOS hampir sama. Sebelum memutuskan rangkaian untuk membuat transistor transfer MP2 tidak beroperasi, baterai terbalik sedikit menarik pengisi daya dan tegangan beban.
Pada rangkaian versi ini, transistor MP2 harus mampu menahan tegangan dua kali tegangan baterai VDS (Satu untuk pengisi daya dan satu untuk koneksi balik baterai) dan V sama dengan tegangan bateraiGS. Di sisi lain, MP1 harus mampu menahan V sama dengan tegangan bateraiDSDan V yang merupakan dua kali tegangan bateraiGS. Persyaratan ini sangat disesalkan, karena untuk transistor MOSFET, nilai VDSSelalu melebihi nilai VGS. Dapat ditemukan dengan 30V VGS Toleransi dan 40V VDS Transistor toleran cocok untuk aplikasi baterai timbal-asam. Untuk mendukung baterai bertegangan lebih tinggi, dioda Zener dan resistor pembatas arus harus ditambahkan untuk memodifikasi rangkaian.
Gambar 12 menunjukkan contoh rangkaian yang dapat menangani dua baterai timbal-asam yang ditumpuk secara seri.
Gambar 10: Sirkuit perlindungan PMOS dengan pengisi daya dalam keadaan mati
Gambar 11: Sirkuit perlindungan PMOS dengan pengisi daya sedang beroperasi
ADI percaya bahwa informasi yang diberikannya akurat dan dapat diandalkan. Namun, ADI tidak bertanggung jawab atas penggunaannya dan setiap pelanggaran paten pihak ketiga atau hak lain yang mungkin timbul dari penggunaannya. Spesifikasi dapat berubah tanpa pemberitahuan. Tidak ada lisensi untuk menggunakan paten atau hak paten apa pun dari ADI yang diberikan secara tersirat atau sebaliknya.
Gambar 12: Perlindungan baterai terbalik tegangan tinggi.
D1, D3 dan R3 melindungi gerbang MP2 dan MP3 dari kerusakan tegangan tinggi. Saat baterai terbalik di-hot swap, D2 dapat mencegah grid MP3 dan output pengisi daya baterai bergerak cepat di bawah potensial tanah. Ketika sirkuit memiliki baterai terbalik atau dalam status penguncian pemutusan yang salah, MP1 dan R1 dapat dideteksi, dan gunakan fitur RT yang hilang dari LTC4015 untuk menonaktifkan pengisi daya baterai.
Kesimpulannya
Dimungkinkan untuk mengembangkan sirkuit perlindungan tegangan balik untuk aplikasi berbasis pengisi daya baterai. Orang-orang telah mengembangkan beberapa sirkuit dan melakukan tes singkat, dan hasil tesnya menggembirakan. Tidak ada trik cerdas untuk masalah baterai terbalik, tetapi saya berharap metode yang diperkenalkan dalam artikel ini dapat memberikan pencerahan yang cukup, yaitu, ada solusi sederhana dan murah.
Steven Martin, manajer desain pengisi daya baterai
pendahuluan
Ada beberapa metode terkenal untuk menangani pembalikan tegangan catu daya. Metode yang paling jelas adalah menghubungkan dioda antara catu daya dan beban, tetapi karena tegangan maju dioda, pendekatan ini akan menghasilkan konsumsi daya tambahan. Meskipun metode ini sangat sederhana, dioda tidak berguna dalam aplikasi portabel atau cadangan, karena baterai harus menyerap arus saat mengisi daya dan memasok arus saat tidak mengisi daya.
Metode lain adalah dengan menggunakan salah satu rangkaian MOSFET yang ditunjukkan pada Gambar 1.
Gambar 1: Perlindungan terbalik sisi beban tradisional
Untuk sirkuit sisi beban, metode ini lebih baik daripada menggunakan dioda, karena tegangan catu daya (baterai) meningkatkan MOSFET, menghasilkan penurunan tegangan yang lebih sedikit dan konduktansi yang jauh lebih tinggi. Versi NMOS dari rangkaian ini lebih baik daripada versi PMOS karena transistor NMOS diskrit memiliki konduktivitas yang lebih tinggi, biaya yang lebih rendah, dan kegunaan yang lebih baik. Di kedua sirkuit, MOSFET dihidupkan ketika tegangan baterai positif, dan terputus ketika tegangan baterai dibalik. “Tiriskan” fisik MOSFET menjadi sumber daya karena memiliki potensi yang lebih tinggi di versi PMOS dan potensi yang lebih rendah di versi NMOS. Karena MOSFET secara elektrik simetris di wilayah triode, mereka dapat menghantarkan arus dengan baik di kedua arah. Saat menggunakan metode ini, transistor harus memiliki nilai VGS dan VDS maksimum lebih tinggi dari tegangan baterai.
Sayangnya, metode ini hanya efektif untuk sirkuit sisi beban dan tidak dapat bekerja dengan sirkuit yang dapat mengisi daya baterai. Pengisi daya baterai akan menghasilkan daya, mengaktifkan kembali MOSFET, dan menyambungkan kembali ke baterai terbalik. Gambar 2 menunjukkan contoh penggunaan versi NMOS. Baterai yang ditunjukkan pada gambar dalam keadaan rusak.
Gambar 2: Sirkuit perlindungan sisi beban dengan pengisi daya baterai
Saat baterai terhubung, pengisi daya baterai dalam keadaan siaga, dan beban serta pengisi daya baterai dilepaskan dengan aman dari baterai terbalik. Namun, jika pengisi daya berubah ke status pengoperasian (misalnya, konektor daya input terpasang), pengisi daya menghasilkan tegangan antara gerbang dan sumber NMOS, yang meningkatkan NMOS, sehingga mewujudkan konduksi arus. Ini lebih jelas pada Gambar 3.
Gambar 3: Skema perlindungan baterai terbalik tradisional tidak valid untuk sirkuit pengisi daya baterai
Meskipun beban dan pengisi daya diisolasi dari tegangan balik, masalah utama yang dihadapi MOSFET pelindung adalah bahwa ia menghabiskan terlalu banyak daya. Dalam hal ini, pengisi daya baterai menjadi pengosongan baterai. Ketika pengisi daya baterai memberikan dukungan gerbang yang cukup bagi MOSFET untuk menyerap arus yang dikirim oleh pengisi daya, rangkaian akan mencapai keseimbangan. Misalnya, jika V dari MOSFET yang kuatTH Sekitar 2V, dan pengisi daya dapat memberikan arus di bawah tegangan 2V, tegangan keluaran pengisi daya baterai akan stabil pada 2V (saluran MOSFET berada pada tegangan 2V + baterai). Disipasi daya dalam MOSFET adalah IBIAYA • (VTH + VBAT), sehingga MOSFET memanas dan menghasilkan panas hingga panas yang dihasilkan menghilang dari papan sirkuit tercetak. Hal yang sama berlaku untuk versi PMOS dari sirkuit ini.
Dua alternatif untuk metode ini akan diperkenalkan di bawah ini, yang masing-masing memiliki kelebihan dan kekurangan.
Desain MOSFET saluran-N
Solusi pertama menggunakan perangkat isolasi NMOS, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.
Algoritma rangkaian ini adalah: Jika tegangan baterai melebihi tegangan keluaran pengisi daya baterai, MOSFET isolasi harus dinonaktifkan.
Seperti metode NMOS yang dijelaskan di atas, dalam rangkaian ini, MN1 dihubungkan ke sisi tegangan rendah dari kabel antara pengisi daya/beban dan terminal baterai. Namun, transistor MP1 dan Q1 sekarang menyediakan rangkaian deteksi yang akan menonaktifkan MN1 jika terjadi koneksi baterai terbalik. Membalikkan baterai menaikkan sumber MP1 di atas kisi-kisinya yang terhubung ke terminal positif pengisi daya. Kemudian, saluran MP1 memberikan arus ke basis Q1 melalui R1. Kemudian, Q1 memindahkan gerbang MN1 ke ground, mencegah arus pengisian mengalir di MN1. R1 bertanggung jawab untuk mengendalikan arus basis yang mengalir ke Q1 selama deteksi terbalik, sementara R2 menyediakan pemeras untuk basis Q1 selama operasi normal. R3 memberi Q1 wewenang untuk menarik gerbang MN1 ke ground. Pembagi tegangan R3/R4 membatasi tegangan pada gerbang MN1 sehingga tegangan gerbang tidak harus turun sebanyak itu selama hot swap baterai terbalik. Kasus terburuk adalah ketika pengisi daya baterai sudah beroperasi, menghasilkan tingkat tegangan konstan, dan baterai terbalik terpasang. Dalam hal ini, perlu mematikan MN1 secepat mungkin untuk membatasi waktu ketika daya tinggi dikonsumsi. Versi khusus dari sirkuit dengan R3 dan R4 ini paling cocok untuk aplikasi baterai timbal-asam 12V, tetapi dalam aplikasi tegangan rendah seperti produk baterai lithium-ion sel tunggal dan dua sel, R4 dapat dikecualikan. Kapasitor C1 menyediakan pompa pengisian daya ultra-cepat untuk menurunkan level gerbang MN1 selama pemasangan baterai terbalik. Untuk kasus terburuk (ketika baterai terbalik dipasang, pengisi daya telah diaktifkan kembali), C1 sangat berguna.
Kerugian dari rangkaian ini adalah bahwa diperlukan komponen tambahan. Pembagi tegangan R3/R4 menciptakan beban kecil namun terus menerus pada baterai.
Sebagian besar komponen ini ramping. MP1 dan Q1 bukan perangkat listrik, dan biasanya paket SOT23-3, SC70-3 atau yang lebih kecil tersedia. MN1 harus memiliki konduktivitas yang sangat baik karena merupakan perangkat transmisi, tetapi tidak harus berukuran besar. Karena bekerja di wilayah triode dalam dan telah sangat diperkuat oleh gerbang, konsumsi dayanya sangat rendah bahkan untuk perangkat dengan konduktivitas sedang. Misalnya, transistor di bawah 100mΩ sering dikemas dalam SOT23-3.
Gambar 4: Sirkuit baterai terbalik yang layak
Namun, kerugian menggunakan transistor lintasan kecil adalah bahwa impedansi tambahan secara seri dengan pengisi daya baterai memperpanjang waktu pengisian selama fase pengisian tegangan konstan. Misalnya, jika baterai dan kabelnya memiliki resistansi seri setara 100mΩ, dan transistor isolasi 100mΩ digunakan, waktu pengisian selama fase pengisian tegangan konstan akan berlipat ganda.
Sirkuit deteksi dan penonaktifan yang terdiri dari MP1 dan Q1 tidak terlalu cepat untuk menonaktifkan MN1, dan mereka tidak perlu begitu. Meskipun MN1 menghasilkan konsumsi daya yang tinggi selama pemasangan baterai terbalik, sirkuit shutdown hanya perlu memutuskan MN1 "di akhir". Itu harus memutuskan MN1 sebelum MN1 memanas sedemikian rupa sehingga menyebabkan kerusakan. Waktu pemutusan puluhan mikrodetik mungkin lebih cocok. Di sisi lain, sangat penting untuk menonaktifkan MN1 sebelum koneksi balik baterai memiliki kesempatan untuk menarik pengisi daya dan tegangan beban ke nilai negatif, sehingga C1 diperlukan. Pada dasarnya, rangkaian tersebut memiliki satu jalur penonaktifan AC dan satu jalur penonaktifan DC.
Rangkaian ini diuji dengan baterai timbal-asam dan pengisi daya baterai LTC4015. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5, pengisi daya baterai dalam keadaan OFF ketika baterai dicolokkan dalam arah terbalik. Tegangan balik tidak akan ditransmisikan ke pengisi daya dan beban.
Gambar 5: Sirkuit perlindungan NMOS dengan pengisi daya dalam keadaan mati
Perlu dicatat bahwa MN1 membutuhkan V yang sama dengan tegangan bateraiDS Nilai nilai dan V sama dengan 1/2 tegangan bateraiGS Nilai nilai. MP1 membutuhkan V sama dengan tegangan bateraiDS Dan VGS Nilai nilai.
Gambar 6 menunjukkan situasi yang lebih serius, yaitu pengisi daya baterai sudah dalam operasi normal ketika baterai terbalik di-hot-swap. Sambungan terbalik baterai akan menurunkan tegangan pada sisi pengisi daya hingga sirkuit deteksi dan perlindungan membuatnya tidak beroperasi, sehingga pengisi daya dapat kembali ke tingkat tegangan konstan dengan aman. Karakteristik dinamis akan bervariasi dari aplikasi ke aplikasi, dan kapasitansi pada pengisi daya baterai akan memainkan peran besar dalam hasil akhir. Dalam pengujian ini, pengisi daya baterai memiliki kapasitor keramik Q tinggi dan kapasitor polimer Q rendah.
Gambar 6: Sirkuit perlindungan NMOS dengan pengisi daya yang beroperasi
Singkatnya, disarankan untuk menggunakan kapasitor polimer aluminium dan kapasitor elektrolit aluminium pada pengisi daya baterai untuk meningkatkan kinerja selama hot-plug baterai positif normal. Karena non-linier yang ekstrim, kapasitor keramik murni akan menghasilkan overshoot yang berlebihan selama hot plugging. Alasan di balik ini adalah bahwa ketika tegangan naik dari 0V ke tegangan pengenal, kapasitansi berkurang hingga 80%. Non-linier ini merangsang aliran arus tinggi di bawah kondisi tegangan rendah, dan ketika tegangan naik, kapasitansi menurun dengan cepat; ini adalah kombinasi mematikan yang menyebabkan overshoot tegangan yang sangat tinggi. Sebagai aturan praktis, kombinasi kapasitor keramik dan kapasitor aluminium Q rendah tegangan stabil atau bahkan kapasitor tantalum tampaknya merupakan kombinasi yang paling kuat.
Desain MOSFET saluran-P
Gambar 7 menunjukkan metode kedua, yang menggunakan transistor PMOS sebagai perangkat proteksi.
Gambar 7: Versi elemen transmisi transistor PMOS
Di sirkuit ini, MP1 adalah perangkat deteksi baterai terbalik, dan MP2 adalah perangkat isolasi terbalik. Gunakan tegangan sumber-ke-gerbang MP1 untuk membandingkan terminal positif baterai dengan keluaran pengisi daya baterai. Jika tegangan terminal pengisi daya baterai lebih tinggi dari tegangan baterai, MP1 akan menonaktifkan perangkat transmisi utama MP2. Oleh karena itu, jika tegangan baterai didorong di bawah tanah, jelas bahwa perangkat pendeteksi MP1 akan menggerakkan perangkat transmisi MP2 ke keadaan mati (mengganggu gerbangnya ke sumbernya). Terlepas dari apakah pengisi daya baterai diaktifkan dan membentuk tegangan pengisian atau dinonaktifkan (0V), itu akan menyelesaikan operasi di atas.
Keuntungan terbesar dari rangkaian ini adalah transistor isolasi PMOS MP2 tidak memiliki wewenang untuk mengirimkan tegangan negatif ke rangkaian pengisi daya dan beban. Gambar 8 menggambarkan hal ini dengan lebih jelas.
Gambar 8: Diagram efek cascode
Tegangan terendah yang dapat dicapai pada gerbang MP2 melalui R1 adalah 0V. Bahkan jika saluran MP2 ditarik jauh di bawah potensial tanah, sumbernya tidak akan memberikan tekanan tegangan ke bawah yang signifikan. Setelah tegangan sumber turun ke V di mana transistor berada di atas tanahTH, Transistor akan melepaskan biasnya sendiri dan konduktivitasnya secara bertahap akan hilang. Semakin dekat tegangan sumber dengan potensial ground, semakin tinggi derajat pelepasan bias transistor. Fitur ini, ditambah dengan topologi sederhana, membuat metode ini lebih populer daripada metode NMOS yang dijelaskan di atas. Dibandingkan dengan metode NMOS, metode ini memiliki kelemahan konduktivitas yang lebih rendah dan biaya transistor PMOS yang lebih tinggi.
Meskipun lebih sederhana daripada metode NMOS, sirkuit ini memiliki kelemahan besar. Meskipun selalu memberikan perlindungan terhadap tegangan balik, mungkin tidak selalu menghubungkan sirkuit ke baterai. Ketika gerbang digabungkan silang seperti yang ditunjukkan, sirkuit membentuk elemen penyimpanan terkunci, yang dapat memilih status yang salah. Meskipun sulit untuk dicapai, ada situasi di mana pengisi daya menghasilkan tegangan (misalnya, 12V), dan ketika baterai dipasang pada tegangan yang lebih rendah (misalnya, 8V), sirkuit terputus.
Dalam hal ini, tegangan sumber-ke-gerbang MP1 adalah +4V, sehingga memperkuat MP1 dan menonaktifkan MP2. Situasi ini ditunjukkan pada Gambar 9 dan tegangan stabil tercantum pada node.
Gambar 9: Diagram kemungkinan status pemblokiran saat menggunakan sirkuit perlindungan PMOS
Untuk mencapai kondisi ini, pengisi daya harus sudah berjalan saat baterai terhubung. Jika baterai terhubung sebelum pengisi daya diaktifkan, tegangan gerbang MP1 ditarik sepenuhnya oleh baterai, sehingga menonaktifkan MP1. Ketika pengisi daya dihidupkan, itu menghasilkan arus yang terkontrol (bukan lonjakan arus tinggi), yang mengurangi kemungkinan MP1 dihidupkan dan MP2 dimatikan.
Di sisi lain, jika pengisi daya diaktifkan sebelum baterai dipasang, gerbang MP1 hanya mengikuti keluaran pengisi daya baterai karena ditarik oleh resistor pemeras R2. Saat baterai tidak terhubung, MP1 tidak memiliki kecenderungan untuk menyala dan membuat MP2 tidak beroperasi.
Saat pengisi daya aktif dan berjalan, dan baterai terpasang, terjadi masalah. Dalam hal ini, ada perbedaan sesaat antara keluaran pengisi daya dan terminal baterai, yang akan menyebabkan MP1 membuat MP2 tidak beroperasi, karena tegangan baterai memaksa kapasitor pengisi daya untuk menyerap. Hal ini menciptakan persaingan antara kemampuan MP2 untuk menarik muatan dari kapasitor pengisi daya dan kemampuan MP1 untuk menghentikan pengoperasian MP2.
Rangkaian ini juga diuji dengan baterai timbal-asam dan pengisi daya baterai LTC4015. Menghubungkan catu daya 6V beban berat sebagai simulator baterai ke pengisi daya baterai yang diaktifkan tidak akan pernah memicu status "terputus". Pengujian yang dilakukan tidak komprehensif dan harus diuji secara lebih komprehensif dan menyeluruh dalam aplikasi utama. Bahkan jika sirkuit benar-benar terkunci, menonaktifkan pengisi daya baterai dan mengaktifkannya kembali akan selalu menghasilkan koneksi ulang.
Status kesalahan dapat ditunjukkan dengan memanipulasi sirkuit (membuat sambungan sementara antara bagian atas R1 dan keluaran pengisi daya baterai). Namun, umumnya diyakini bahwa sirkuit lebih cenderung terhubung. Jika kegagalan koneksi menjadi masalah, Anda dapat merancang sirkuit yang menggunakan beberapa perangkat untuk menonaktifkan pengisi daya baterai. Gambar 12 menunjukkan contoh rangkaian yang lebih lengkap.
Gambar 10 menunjukkan efek sirkuit perlindungan PMOS dengan pengisi daya dinonaktifkan.
Harap dicatat bahwa apa pun situasinya, tidak akan ada transfer tegangan negatif antara pengisi daya baterai dan tegangan beban.
Gambar 11 menunjukkan bahwa sirkuit berada dalam situasi yang tidak menguntungkan dari "pengisi daya telah memasuki kondisi operasi ketika baterai terhubung terbalik untuk plugging panas."
Efek dari rangkaian NMOS hampir sama. Sebelum memutuskan rangkaian untuk membuat transistor transfer MP2 tidak beroperasi, baterai terbalik sedikit menarik pengisi daya dan tegangan beban.
Pada rangkaian versi ini, transistor MP2 harus mampu menahan tegangan dua kali tegangan baterai VDS (Satu untuk pengisi daya dan satu untuk koneksi balik baterai) dan V sama dengan tegangan bateraiGS. Di sisi lain, MP1 harus mampu menahan V sama dengan tegangan bateraiDSDan V yang merupakan dua kali tegangan bateraiGS. Persyaratan ini sangat disesalkan, karena untuk transistor MOSFET, nilai VDSSelalu melebihi nilai VGS. Dapat ditemukan dengan 30V VGS Toleransi dan 40V VDS Transistor toleran cocok untuk aplikasi baterai timbal-asam. Untuk mendukung baterai bertegangan lebih tinggi, dioda Zener dan resistor pembatas arus harus ditambahkan untuk memodifikasi rangkaian.
Gambar 12 menunjukkan contoh rangkaian yang dapat menangani dua baterai timbal-asam yang ditumpuk secara seri.
Gambar 10: Sirkuit perlindungan PMOS dengan pengisi daya dalam keadaan mati
Gambar 11: Sirkuit perlindungan PMOS dengan pengisi daya sedang beroperasi
ADI percaya bahwa informasi yang diberikannya akurat dan dapat diandalkan. Namun, ADI tidak bertanggung jawab atas penggunaannya dan setiap pelanggaran paten pihak ketiga atau hak lain yang mungkin timbul dari penggunaannya. Spesifikasi dapat berubah tanpa pemberitahuan. Tidak ada lisensi untuk menggunakan paten atau hak paten apa pun dari ADI yang diberikan secara tersirat atau sebaliknya.
Gambar 12: Perlindungan baterai terbalik tegangan tinggi.
D1, D3 dan R3 melindungi gerbang MP2 dan MP3 dari kerusakan tegangan tinggi. Saat baterai terbalik di-hot swap, D2 dapat mencegah grid MP3 dan output pengisi daya baterai bergerak cepat di bawah potensial tanah. Ketika sirkuit memiliki baterai terbalik atau dalam status penguncian pemutusan yang salah, MP1 dan R1 dapat dideteksi, dan gunakan fitur RT yang hilang dari LTC4015 untuk menonaktifkan pengisi daya baterai.
Kesimpulannya
Sirkuit perlindungan tegangan balik untuk aplikasi berbasis pengisi daya baterai dapat dikembangkan. Orang-orang telah mengembangkan beberapa sirkuit dan melakukan tes singkat, dan hasil tesnya menggembirakan. Tidak ada trik cerdas untuk masalah baterai terbalik, tetapi saya berharap metode yang diperkenalkan dalam artikel ini dapat memberikan pencerahan yang cukup, yaitu, ada solusi sederhana dan murah.
Tautan: NL6448BC33-59D FS450R12KE3