Protezione contro l'inversione di tensione del caricabatteria

"Esistono diversi metodi noti per gestire l'alimentazione voltaggio inversione. Il metodo più ovvio consiste nel collegare un diodo tra l'alimentatore e il carico, ma a causa della tensione diretta del diodo, questo approccio genererà un consumo energetico aggiuntivo. Sebbene questo metodo sia molto semplice, il diodo non è utile nelle applicazioni portatili o di backup, perché la batteria deve assorbire corrente durante la carica e fornire corrente quando non è in carica.

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Steven Martin, Responsabile progettazione caricabatterie

introduzione

Esistono diversi metodi ben noti per gestire l'inversione della tensione di alimentazione. Il metodo più ovvio consiste nel collegare un diodo tra l'alimentatore e il carico, ma a causa della tensione diretta del diodo, questo approccio genererà un consumo energetico aggiuntivo. Sebbene questo metodo sia molto semplice, il diodo non è utile nelle applicazioni portatili o di backup, perché la batteria deve assorbire corrente durante la carica e fornire corrente quando non è in carica.

Un altro metodo consiste nell'usare uno dei mosfet circuiti mostrati in figura 1.

Figura 1: Protezione inversa lato carico tradizionale

Per i circuiti lato carico, questo metodo è migliore rispetto all'utilizzo dei diodi, poiché la tensione di alimentazione (batteria) aumenta la MOSFET, con conseguente minore caduta di tensione e conduttanza sostanzialmente più elevata. La versione NMOS di questo circuito è migliore della versione PMOS perché i transistor NMOS discreti hanno una maggiore conduttività, un costo inferiore e una migliore usabilità. In entrambi i circuiti, il MOSFET è acceso quando la tensione della batteria è positiva e scollegato quando la tensione della batteria è invertita. Il “drain” fisico del MOSFET diventa la fonte di alimentazione perché ha un potenziale maggiore nella versione PMOS e un potenziale minore nella versione NMOS. Da quando mosfet sono elettricamente simmetriche nella regione del triodo, possono condurre bene la corrente in entrambe le direzioni. Quando si utilizza questo metodo, il Transistor deve avere un valore VGS e VDS massimo superiore alla tensione della batteria.

Sfortunatamente, questo metodo è efficace solo per i circuiti lato carico e non può funzionare con circuiti in grado di caricare la batteria. Il caricabatterie genererà energia, riattiverà il MOSFET e ristabilirà la connessione alla batteria inversa. La Figura 2 mostra un esempio di utilizzo della versione NMOS. La batteria mostrata nella figura è in uno stato difettoso.

Figura 2: Circuito di protezione lato carico con caricabatteria

Quando la batteria è collegata, il caricabatteria è in uno stato inattivo e il carico e il caricabatteria sono disaccoppiati in modo sicuro dalla batteria inversa. Tuttavia, se il caricabatterie passa a uno stato operativo (ad esempio, è collegato un connettore di alimentazione in ingresso), il caricabatterie genera una tensione tra il gate e la sorgente dell'NMOS, che migliora l'NMOS, realizzando così la conduzione di corrente. Questo è più vivido nella Figura 3.

Figura 3: Il tradizionale schema di protezione della batteria inversa non è valido per il circuito del caricabatterie

Sebbene il carico e il caricabatterie siano isolati dalla tensione inversa, un grosso problema che deve affrontare il MOSFET protettivo è che consuma troppa energia. In questo caso, il caricabatteria diventa uno scaricatore di batterie. Quando il caricabatterie fornisce un supporto di gate sufficiente affinché il MOSFET assorba la corrente erogata dal caricabatterie, il circuito raggiungerà l'equilibrio. Ad esempio, se la V di un potente MOSFET_TH Circa 2 V, e il caricabatterie può fornire corrente al di sotto di 2 V, la tensione di uscita del caricabatterie si stabilizzerà a 2 V (il consumo del MOSFET è a 2 V + tensione della batteria). La dissipazione di potenza nel MOSFET è I_CARICA • (v_TH + V_BAT), in modo che il MOSFET si riscaldi e generi calore fino a quando il calore generato non si dissipa dal circuito stampato. Lo stesso vale per la versione PMOS di questo circuito.

Di seguito verranno presentate due alternative a questo metodo, ognuna delle quali presenta vantaggi e svantaggi.

Design MOSFET a canale N

La prima soluzione utilizza un dispositivo di isolamento NMOS, come mostrato in Figura 4.

L'algoritmo di questo circuito è: Se la tensione di batteria supera la tensione di uscita del caricabatteria, il MOSFET di isolamento deve essere disabilitato.

Come nel metodo NMOS sopra descritto, in questo circuito MN1 è collegato al lato a bassa tensione del cablaggio tra il caricabatterie/carico e i terminali della batteria. Tuttavia, i transistor MP1 e Q1 ora forniscono un circuito di rilevamento che disattiverà MN1 in caso di collegamento inverso della batteria. L'inversione della batteria solleva la sorgente di MP1 sopra la sua griglia collegata al terminale positivo del caricabatterie. Quindi, il drain di MP1 fornisce corrente alla base di Q1 attraverso R1. Quindi, Q1 devia il gate di MN1 a terra, impedendo alla corrente di carica di fluire in MN1. R1 è responsabile del controllo della corrente di base che scorre verso Q1 durante il rilevamento inverso, mentre R2 fornisce lo spurgo per la base di Q1 durante il normale funzionamento. R3 dà a Q1 l'autorità di tirare a terra il cancello di MN1. Il divisore di tensione R3/R4 limita la tensione sul gate di MN1 in modo che la tensione del gate non debba scendere di molto durante la sostituzione a caldo della batteria inversa. Il caso peggiore si verifica quando il caricabatteria è già in funzione, producendo il suo livello di tensione costante, ed è collegata una batteria inversa. In questo caso, è necessario spegnere MN1 il più rapidamente possibile per limitare il tempo in cui viene consumata una potenza elevata. Questa versione speciale del circuito con R3 e R4 è particolarmente adatta per applicazioni con batterie al piombo-acido da 12 V, ma in applicazioni a tensione inferiore come le batterie agli ioni di litio a cella singola e a due celle, R4 può essere esentato. Condensatore C1 fornisce una pompa di carica ultraveloce per abbassare il livello di gate di MN1 durante il collegamento inverso della batteria. Nel caso peggiore (quando è collegata una batteria invertita, il caricabatterie è stato nuovamente abilitato), C1 è molto utile.

Lo svantaggio di questo circuito è che aggiuntivo componenti sono necessarie. Il partitore di tensione R3/R4 crea un piccolo ma continuo carico sulla batteria.

La maggior parte di questi componenti sono sottili. MP1 e Q1 non sono dispositivi di alimentazione e di solito sono disponibili SOT23-3, SC70-3 o pacchetti più piccoli. MN1 dovrebbe avere una conduttività molto buona, perché è un dispositivo di trasmissione, ma le dimensioni non devono essere grandi. Poiché funziona nella regione del triodo profondo ed è stato notevolmente rafforzato dal gate, il suo consumo energetico è molto basso anche per dispositivi con conduttività media. Ad esempio, i transistor sotto i 100 mΩ sono spesso confezionati in SOT23-3.

Figura 4: un circuito di batteria inverso fattibile

Tuttavia, lo svantaggio di usare un piccolo passaggio Transistor è che l'impedenza aggiuntiva in serie al caricabatteria allunga il tempo di carica durante la fase di carica a tensione costante. Ad esempio, se la batteria e il suo cablaggio hanno una resistenza in serie equivalente di 100 mΩ e viene utilizzato un transistor di isolamento da 100 mΩ, il tempo di carica durante la fase di carica a tensione costante sarà raddoppiato.

Il circuito di rilevamento e disattivazione composto da MP1 e Q1 non è particolarmente veloce per disattivare MN1, e non è necessario che lo siano. Sebbene MN1 generi un elevato consumo energetico durante il collegamento inverso della batteria, il circuito di spegnimento deve solo scollegare MN1 "alla fine". Deve disconnettere MN1 prima che MN1 si riscaldi così tanto da causare danni. Un tempo di disconnessione di decine di microsecondi può essere più adatto. D'altra parte, è fondamentale disabilitare MN1 prima che il collegamento inverso della batteria abbia l'opportunità di portare il caricabatterie e la tensione di carico a un valore negativo, quindi è necessario C1. Fondamentalmente, il circuito ha un percorso di disattivazione AC e uno DC.

Questo circuito è stato testato con una batteria al piombo e un caricabatteria LTC4015. Come mostrato nella Figura 5, il caricabatteria è nello stato OFF quando la batteria è inserita a caldo nella direzione inversa. La tensione inversa non verrà trasmessa al caricatore e al carico.

Figura 5: circuito di protezione NMOS con il caricabatterie spento

Vale la pena notare che MN1 necessita di un V uguale alla tensione della batteria_DS Valore nominale e un V pari a 1/2 tensione batteria_GS Valore nominale. MP1 necessita di un V pari al voltaggio della batteria_DS E V_GS Valore nominale.

La Figura 6 mostra una situazione più grave, ovvero il caricabatteria è già in funzionamento normale quando la batteria inversa viene sostituita a caldo. Il collegamento inverso della batteria ridurrà la tensione sul lato del caricatore fino a quando il circuito di rilevamento e protezione non lo renderà fuori servizio, consentendo al caricatore di tornare in sicurezza al suo livello di tensione costante. Le caratteristiche dinamiche varieranno da un'applicazione all'altra e la capacità del caricabatterie giocherà un ruolo importante nel risultato finale. In questo test, il caricabatterie ha sia un condensatore ceramico ad alto Q che un condensatore polimerico a basso Q.

Figura 6: Circuito di protezione NMOS con il caricabatterie in funzione

In breve, si consiglia di utilizzare il polimero di alluminio Condensatori e condensatori elettrolitici in alluminio sul caricabatteria per migliorare le prestazioni durante il normale collegamento a caldo positivo della batteria. A causa dell'estrema non linearità, i condensatori in ceramica pura produrranno un'eccessiva sovraelongazione durante il collegamento a caldo. La ragione di ciò è che quando la tensione sale da 0 V alla tensione nominale, la capacità diminuisce di un sorprendente 80%. Questa non linearità stimola il flusso di alta corrente in condizioni di bassa tensione, e quando la tensione aumenta, la capacità diminuisce rapidamente; questa è una combinazione letale che provoca una sovraelongazione di tensione molto elevata. Come regola generale, la combinazione di un condensatore ceramico e un condensatore in alluminio a basso Q, stabile in tensione o anche un condensatore al tantalio sembra essere la combinazione più robusta.

Design MOSFET a canale P

La figura 7 mostra il secondo metodo, che utilizza un transistor PMOS come dispositivo di protezione.

Figura 7: versione dell'elemento di trasmissione del transistor PMOS

In questo circuito, MP1 è un dispositivo di rilevamento della batteria inversa e MP2 è un dispositivo di isolamento inverso. Utilizzare la tensione source-to-gate di MP1 per confrontare il terminale positivo della batteria con l'uscita del caricabatteria. Se la tensione del terminale del caricabatteria è superiore alla tensione della batteria, MP1 disattiverà il dispositivo di trasmissione principale MP2. Pertanto, se la tensione di batteria viene pilotata sotto terra, è chiaro che il dispositivo di rilevamento MP1 porterà il dispositivo di trasmissione MP2 allo stato spento (interferendo il suo gate verso la sua sorgente). Indipendentemente dal fatto che il caricabatteria sia abilitato e formi una tensione di carica o disabilitato (0V), completerà le operazioni di cui sopra.

Il più grande vantaggio di questo circuito è che il transistor di isolamento PMOS MP2 non ha l'autorità per trasmettere la tensione negativa al circuito del caricatore e al carico. La figura 8 lo illustra più chiaramente.

Figura 8: Diagramma dell'effetto cascode

La tensione più bassa che può essere raggiunta sul gate di MP2 tramite R1 è 0V. Anche se il drenaggio di MP2 viene tirato molto al di sotto del potenziale di terra, la sua sorgente non applicherà una significativa pressione verso il basso di tensione. Una volta che la tensione della sorgente scende a V dove il transistor è fuori terra_TH, Il transistor rilascerà la propria polarizzazione e la sua conduttività scomparirà gradualmente. Più la tensione della sorgente è vicina al potenziale di massa, maggiore è il grado di rilascio della polarizzazione del transistor. Questa caratteristica, unita alla semplice topologia, rende questo metodo più popolare del metodo NMOS sopra descritto. Rispetto al metodo NMOS, presenta gli svantaggi di una conduttività inferiore e di un costo più elevato dei transistor PMOS.

Sebbene più semplice del metodo NMOS, questo circuito presenta un grosso svantaggio. Sebbene fornisca sempre protezione contro la tensione inversa, potrebbe non collegare sempre il circuito alla batteria. Quando il gate è accoppiato in modo incrociato come mostrato in figura, il circuito forma un elemento di memorizzazione bloccato, che può scegliere lo stato sbagliato. Sebbene sia difficile da ottenere, esiste una situazione in cui il caricabatterie genera una tensione (ad esempio 12 V) e quando una batteria è collegata a una tensione inferiore (ad esempio 8 V), il circuito viene disconnesso.

In questo caso, la tensione source-to-gate di MP1 è +4V, rafforzando così MP1 e disattivando MP2. Questa situazione è mostrata nella Figura 9 e sul nodo è elencata una tensione stabile.

Figura 9: Diagramma dei possibili stati di blocco quando si utilizza il circuito di protezione PMOS

Per ottenere questa condizione, il caricabatterie deve essere già in funzione quando la batteria è collegata. Se la batteria viene collegata prima che il caricabatterie sia abilitato, la tensione di gate di MP1 viene completamente sollevata dalla batteria, disabilitando MP1. Quando il caricabatteria è acceso, genera una corrente controllata (piuttosto che un alto picco di corrente), che riduce la possibilità che MP1 si accenda e MP2 si spenga.

Se invece il caricabatteria viene abilitato prima del collegamento della batteria, il gate di MP1 segue semplicemente l'uscita del caricabatteria perché viene tirato su dallo sfiato Resistore R2. Quando la batteria non è collegata, MP1 non ha la tendenza ad accendersi e rendere MP2 fuori servizio.

Quando il caricabatterie è attivo e funzionante e la batteria è collegata, si verifica un problema. In questo caso, c'è una differenza momentanea tra l'uscita del caricabatterie e i terminali della batteria, che farà sì che MP1 disattivi l'MP2, perché la tensione della batteria costringe il condensatore del caricabatterie ad assorbire. Questo crea una competizione tra la capacità di MP2 di prelevare carica dal condensatore del caricatore e la capacità di MP1 di mettere MP2 fuori servizio.

Il circuito è stato anche testato con una batteria al piombo e un caricabatteria LTC4015. Il collegamento di un alimentatore da 6 V ad alto carico come simulatore di batteria a un caricabatterie abilitato non attiverà mai lo stato "scollegato". I test effettuati non sono completi e dovrebbero essere testati in modo più completo e approfondito nelle applicazioni chiave. Anche se il circuito è effettivamente bloccato, la disattivazione del caricabatteria e la sua riattivazione risulterà sempre in una riconnessione.

Lo stato di guasto può essere dimostrato manipolando il circuito (stabilisce un collegamento temporaneo tra la parte superiore di R1 e l'uscita del caricabatteria). Tuttavia, si ritiene generalmente che il circuito sia più incline ad essere collegato. Se l'errore di connessione diventa un problema, è possibile progettare un circuito che utilizzi più dispositivi per disabilitare il caricabatterie. La Figura 12 mostra un esempio di circuito più completo.

La Figura 10 mostra l'effetto del circuito di protezione PMOS con il caricabatterie disabilitato.

Si prega di notare che non importa quale sia la situazione, non ci sarà alcun trasferimento di tensione negativa tra il caricabatterie e la tensione di carico.

La figura 11 mostra che il circuito si trova nella situazione sfavorevole di "il caricabatterie è entrato nello stato operativo quando la batteria è collegata in modo inverso per il collegamento a caldo".
L'effetto del circuito NMOS è quasi lo stesso. Prima di scollegare il circuito per disattivare il transistor di trasferimento MP2, la batteria inversa abbassa leggermente il caricabatterie e la tensione di carico.

In questa versione del circuito, il transistor MP2 deve essere in grado di sopportare il doppio della tensione della batteria V_DS (Uno per il caricabatterie e uno per il collegamento inverso della batteria) e V uguale alla tensione della batteria_GS. MP1 invece deve essere in grado di sopportare V pari al voltaggio della batteria_DSE V che è il doppio della tensione della batteria_GS. Questo requisito è deplorevole, perché per i transistor MOSFET, il V . nominale_DSSupera sempre il V . nominale_GS. Può essere trovato con 30V V_GS Tolleranza e 40V V_DS I transistor tolleranti sono adatti per applicazioni con batterie al piombo. Per supportare batterie a tensione più elevata, è necessario aggiungere diodi Zener e resistori di limitazione di corrente per modificare il circuito.

La Figura 12 mostra un esempio di circuito in grado di gestire due batterie al piombo impilate in serie.

Figura 10: Circuito di protezione PMOS con il caricabatterie spento

Figura 11: Circuito di protezione PMOS con il caricabatterie in funzione

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Figura 12: Protezione della batteria inversa ad alta tensione.

D1, D3 e R3 proteggono le porte di MP2 e MP3 dai danni dell'alta tensione. Quando una batteria invertita viene sostituita a caldo, D2 può impedire alla griglia MP3 e all'uscita del caricabatterie di spostarsi rapidamente sotto il potenziale di terra. Quando il circuito ha una batteria inversa o si trova in uno stato di blocco della disconnessione errato, è possibile rilevare MP1 e R1 e utilizzare la funzione RT mancante dell'LTC4015 per disabilitare il caricabatteria.

in conclusione

È possibile sviluppare un circuito di protezione da tensione inversa per applicazioni basate su caricabatterie. Le persone hanno sviluppato alcuni circuiti e condotto brevi test, ei risultati dei test sono incoraggianti. Non esiste un trucco intelligente per il problema della batteria inversa, ma spero che il metodo introdotto in questo articolo possa fornire un'illuminazione sufficiente, ovvero che esista una soluzione semplice ea basso costo.