הגנת מתח הפוך של מטען סוללות

"ישנן מספר שיטות מוכרות להתמודדות עם אספקת חשמל מתח הִתְהַפְּכוּת. השיטה הברורה ביותר היא חיבור דיודה בין ספק הכוח לעומס, אך בשל המתח קדימה של הדיודה, גישה זו תיצור צריכת חשמל נוספת. למרות ששיטה זו פשוטה מאוד, הדיודה אינה שימושית ביישומי נייד או גיבוי, מכיוון שהסוללה חייבת לספוג זרם בעת הטעינה ולספק זרם כאשר אינה נטענת.

"

סטיבן מרטין, מנהל עיצוב מטענים לסוללות

מבוא

ישנן מספר שיטות ידועות להתמודדות עם היפוך מתח אספקת החשמל. השיטה הברורה ביותר היא חיבור דיודה בין ספק הכוח לעומס, אך בשל המתח קדימה של הדיודה, גישה זו תיצור צריכת חשמל נוספת. למרות ששיטה זו פשוטה מאוד, הדיודה אינה שימושית ביישומי נייד או גיבוי, מכיוון שהסוללה חייבת לספוג זרם בעת הטעינה ולספק זרם כאשר אינה נטענת.

שיטה נוספת היא להשתמש באחד מה MOSFET מעגלים המוצגים באיור 1.

איור 1: הגנה מסורתית לאחור בצד העומס

עבור מעגלים בצד עומס, שיטה זו עדיפה על שימוש בדיודות, מכיוון שמתח אספקת החשמל (סוללה) מגביר את MOSFET, וכתוצאה מכך נפילת מתח קטנה יותר ומוליכות גבוהה משמעותית. גרסת ה-NMOS של זה מעגל הוא טוב יותר מגרסת PMOS מכיוון שלטרנזיסטורי NMOS בדידים יש מוליכות גבוהה יותר, עלות נמוכה יותר ושימושיות טובה יותר. בשני המעגלים, ה-MOSFET מופעל כאשר מתח הסוללה חיובי, ומתנתק כאשר מתח הסוללה מתהפך. ה"ניקוז" הפיזי של ה-MOSFET הופך למקור הכוח מכיוון שיש לו פוטנציאל גבוה יותר בגרסת PMOS ופוטנציאל נמוך יותר בגרסת NMOS. מאז מוספים הם סימטריים חשמלית באזור הטריודה, הם יכולים להוליך זרם היטב בשני הכיוונים. בעת שימוש בשיטה זו, ה טרנזיסטור חייב להיות בעל דירוג VGS ו-VDS מרבי גבוה ממתח הסוללה.

למרבה הצער, שיטה זו יעילה רק עבור מעגלים בצד עומס ואינה יכולה לעבוד עם מעגלים שיכולים לטעון את הסוללה. מטען הסוללה יפיק כוח, יפעיל מחדש את ה-MOSFET וישקם מחדש את החיבור לסוללה ההפוכה. איור 2 מציג דוגמה לשימוש בגרסת NMOS. הסוללה המוצגת באיור במצב פגום.

איור 2: מעגל הגנה בצד העומס עם מטען סוללות

כאשר הסוללה מחוברת, מטען הסוללה במצב סרק, והמטען ומטען הסוללה מנותקים בבטחה מהסוללה ההפוכה. עם זאת, אם המטען משתנה למצב הפעלה (לדוגמה, מחובר מחבר מתח כניסה), המטען יוצר מתח בין השער למקור ה-NMOS, מה שמשפר את ה-NMOS, ובכך מממש את הולכת הזרם. זה יותר חי באיור 3.

איור 3: ערכת הגנת הסוללה ההפוכה המסורתית אינה חוקית עבור מעגל מטען הסוללה

למרות שהעומס והמטען מבודדים מהמתח ההפוך, בעיה מרכזית העומדת בפני ה-MOSFET המגן היא שהוא צורך יותר מדי חשמל. במקרה זה, מטען הסוללות הופך למפרק סוללות. כאשר מטען הסוללה מספק תמיכה מספקת בשער עבור ה-MOSFET כדי לספוג את הזרם שמספק המטען, המעגל יגיע לאיזון. לדוגמה, אם ה-V של MOSFET חזק_TH בערך 2V, והמטען יכול לספק זרם מתחת למתח של 2V, מתח המוצא של מטען הסוללה יתייצב על 2V (הניקוז של ה-MOSFET הוא ב-2V + מתח הסוללה). פיזור הכוח ב-MOSFET הוא I_לחייב • (V_TH Map אשר_לבת), כך שה-MOSFET מתחמם ויוצר חום עד שהחום שנוצר מתפוגג הרחק מהמעגל המודפס. הדבר נכון גם לגרסת PMOS של מעגל זה.

להלן יוצגו שתי חלופות לשיטה זו, שלכל אחת מהן יתרונות וחסרונות.

עיצוב N-channel MOSFET

הפתרון הראשון משתמש בהתקן בידוד NMOS, כפי שמוצג באיור 4.

האלגוריתם של מעגל זה הוא: אם מתח הסוללה עולה על מתח המוצא של מטען הסוללה, יש לבטל את ה-MOSFET הבידוד.

כמו בשיטת ה-NMOS שתוארה לעיל, במעגל זה, MN1 מחובר לצד המתח הנמוך של החיווט בין המטען/עומס למסופי הסוללה. עם זאת, טרנזיסטורים MP1 ו-Q1 מספקים כעת מעגל זיהוי שינטרל את MN1 במקרה של חיבור סוללה הפוך. היפוך הסוללה מעלה את מקור ה-MP1 מעל הרשת המחוברת למסוף החיובי של המטען. לאחר מכן, הניקוז של MP1 מספק זרם לבסיס של Q1 עד R1. לאחר מכן, Q1 מעביר את השער של MN1 לאדמה, ומונע לזרם הטעינה לזרום ב-MN1. R1 אחראי על בקרת זרם הבסיס הזורם ל-Q1 במהלך זיהוי הפוך, בעוד R2 מספק דימום לבסיס של Q1 במהלך פעולה רגילה. R3 נותן ל-Q1 את הסמכות למשוך את השער של MN1 לקרקע. מחלק המתח R3/R4 מגביל את המתח על השער של MN1 כך שמתח השער לא יצטרך לרדת כל כך במהלך החלפת סוללה חמה. המקרה הגרוע ביותר הוא כאשר מטען הסוללות כבר פועל, מייצר את רמת המתח הקבועה שלו, ומצורפת סוללה הפוכה. במקרה זה, יש צורך לכבות את MN1 במהירות האפשרית כדי להגביל את הזמן שבו נצרך כוח גבוה. הגרסה המיוחדת הזו של המעגל עם R3 ו-R4 מתאימה ביותר ליישומי סוללת עופרת חומצה 12V, אך ביישומי מתח נמוך יותר כגון מוצרי סוללת ליתיום-יון חד-תאיים ודו-תאיים, ניתן לפטור את R4. קבל C1 מספק משאבת טעינה מהירה במיוחד כדי להוריד את רמת השער של MN1 במהלך חיבור סוללה לאחור. במקרה הגרוע ביותר (כאשר מחוברת סוללה הפוכה, המטען הופעל שוב), C1 שימושי מאוד.

החיסרון של מעגל זה הוא הנוסף רכיבים נדרשים. מחלק המתח R3/R4 יוצר עומס קטן אך מתמשך על הסוללה.

רוב הרכיבים הללו דקים. MP1 ו-Q1 אינם מכשירי חשמל, ובדרך כלל זמינות חבילות SOT23-3, SC70-3 או קטנות יותר. ל-MN1 צריכה להיות מוליכות טובה מאוד, כי זה התקן שידור, אבל הגודל לא חייב להיות גדול. מכיוון שהוא עובד באזור הטריודה העמוק וזכה לחיזוק רב מהשער, צריכת החשמל שלו נמוכה מאוד גם עבור מכשירים בעלי מוליכות בינונית. לדוגמה, טרנזיסטורים מתחת ל-100mΩ ארוזים לרוב ב-SOT23-3.

איור 4: מעגל סוללה הפוך אפשרי

עם זאת, החיסרון של שימוש במעבר קטן טרנזיסטור היא שהעכבה הנוספת בסדרה עם מטען הסוללה מאריכה את זמן הטעינה בשלב הטעינה במתח קבוע. לדוגמה, אם לסוללה ולחיווט שלה יש התנגדות סדרתית מקבילה של 100mΩ, ומשתמשים בטרנזיסטור בידוד של 100mΩ, זמן הטעינה בשלב הטעינה במתח קבוע יוכפל.

מעגל הזיהוי וההשבתה המורכב מ-MP1 ו-Q1 אינו מהיר במיוחד לנטרול MN1, והם אינם צריכים להיות כך. למרות ש-MN1 מייצר צריכת חשמל גבוהה במהלך חיבור סוללה לאחור, מעגל הכיבוי צריך רק לנתק את MN1 "בסוף". הוא חייב לנתק את MN1 לפני ש-MN1 מתחמם עד כדי כך שהוא גורם לנזק. זמן ניתוק של עשרות מיקרו-שניות עשוי להתאים יותר. מצד שני, זה קריטי לנטרל את MN1 לפני שלחיבור הפוך של הסוללה תהיה הזדמנות למשוך את המטען ולהעמיס את המתח לערך שלילי, כך ש-C1 נדרש. בעיקרון, למעגל יש נתיב ביטול AC ו-DC אחד.

מעגל זה נבדק עם סוללת עופרת חומצה ומטען סוללות LTC4015. כפי שמוצג באיור 5, מטען הסוללות נמצא במצב כבוי כאשר הסוללה מחוברת לשקע חם בכיוון ההפוך. המתח ההפוך לא יועבר למטען ולעומס.

איור 5: מעגל הגנת NMOS עם המטען במצב כבוי

ראוי לציין ש-MN1 צריך V השווה למתח הסוללה_DS ערך מדורג ו-V שווה ל-1/2 מתח הסוללה_GS ערך מדורג. MP1 צריך V השווה למתח הסוללה_DS ו-V_GS ערך מדורג.

איור 6 מציג מצב חמור יותר, כלומר, מטען הסוללות כבר בפעולה רגילה כאשר הסוללה ההפוכה מתחלפת. חיבור הפוך של הסוללה יוריד את מתח הצד של המטען עד שמעגל הזיהוי וההגנה מוציא אותו מכלל פעולה, ומאפשר למטען לחזור בבטחה לרמת המתח הקבועה שלו. המאפיינים הדינמיים ישתנו מאפליקציה לאפליקציה, והקיבול במטען הסוללה ישחק תפקיד גדול בתוצאה הסופית. בבדיקה זו, למטען הסוללה יש גם קבל קרמי גבוה Q וגם קבל פולימרי בעל Q נמוך.

איור 6: מעגל הגנת NMOS עם המטען בפעולה

בקיצור, מומלץ להשתמש בפולימר אלומיניום קבלים וקבלים אלקטרוליטיים מאלומיניום על מטען הסוללה כדי לשפר את הביצועים במהלך חיבור סוללה חיובי רגיל. בשל האי-לינאריות הקיצונית, קבלים קרמיים טהורים יפיקו חריגה מוגזמת במהלך חיבור חם. הסיבה מאחורי זה היא שכאשר המתח עולה מ-0V למתח המדורג, הקיבול יורד בשיעור מדהים של 80%. אי-לינאריות זו מגרה את זרימת הזרם הגבוה בתנאי מתח נמוך, וכאשר המתח עולה, הקיבול יורד במהירות; זהו שילוב קטלני שגורם לחריגה במתח גבוה מאוד. ככלל אצבע, נראה שהשילוב של קבל קרמי וקבל אלומיניום יציב במתח נמוך Q נמוך או אפילו קבל טנטלום הוא השילוב החזק ביותר.

עיצוב MOSFET בערוץ P

איור 7 מציג את השיטה השנייה, המשתמשת בטרנזיסטור PMOS כהתקן הגנה.

איור 7: גרסת רכיב תמסורת טרנזיסטור PMOS

במעגל זה, MP1 הוא התקן זיהוי סוללה הפוך, ו-MP2 הוא התקן בידוד הפוך. השתמש במתח מקור לשער של MP1 כדי להשוות את המסוף החיובי של הסוללה עם פלט מטען הסוללה. אם מתח מסוף מטען הסוללה גבוה ממתח הסוללה, MP1 ישבית את התקן השידור הראשי MP2. לכן, אם מתח הסוללה מונע מתחת לאדמה, ברור שמכשיר הזיהוי MP1 יניע את התקן השידור MP2 למצב כבוי (מפריע לשער שלו למקורו). לא משנה אם מטען הסוללה מופעל ויוצר מתח טעינה או מושבת (0V), הוא ישלים את הפעולות שלעיל.

היתרון הגדול ביותר של מעגל זה הוא שלטרנזיסטור הבידוד PMOS MP2 אין סמכות להעביר את המתח השלילי למעגל המטען ולעומס. איור 8 ממחיש זאת בצורה ברורה יותר.

איור 8: תרשים של אפקט קקוד

המתח הנמוך ביותר שניתן להשיג על השער של MP2 דרך R1 הוא 0V. גם אם הניקוז של MP2 נמשך הרבה מתחת לפוטנציאל הקרקע, המקור שלו לא יפעיל לחץ משמעותי כלפי מטה במתח. ברגע שמתח המקור יורד ל-V שבו הטרנזיסטור נמצא מעל הקרקע_TH, הטרנזיסטור ישחרר את ההטיה שלו, והמוליכות שלו תיעלם בהדרגה. ככל שמתח המקור קרוב יותר לפוטנציאל הארקה, כך מידת שחרור ההטיה של הטרנזיסטור גבוהה יותר. תכונה זו, יחד עם הטופולוגיה הפשוטה, הופכת שיטה זו לפופולרית יותר משיטת NMOS שתוארה לעיל. בהשוואה לשיטת NMOS, יש לה את החסרונות של מוליכות נמוכה יותר ועלות גבוהה יותר של טרנזיסטורי PMOS.

למרות שהוא פשוט יותר משיטת NMOS, למעגל הזה יש חסרון גדול. למרות שהוא תמיד מספק הגנה מפני מתח הפוך, ייתכן שהוא לא תמיד מחבר את המעגל לסוללה. כאשר השער מוצלב כפי שמוצג באיור, המעגל יוצר אלמנט אחסון ננעל, אשר עשוי לבחור במצב הלא נכון. למרות שקשה להשגה, יש מצב שהמטען מייצר מתח (לדוגמה 12V), וכאשר מחוברת סוללה במתח נמוך יותר (לדוגמה 8V) המעגל מנותק.

במקרה זה, מתח המקור לשער של MP1 הוא +4V, ובכך מחזק את MP1 ומנטרל את MP2. מצב זה מוצג באיור 9 ומתח יציב רשום על הצומת.

איור 9: תרשים של מצבי חסימה אפשריים בעת שימוש במעגל הגנת PMOS

על מנת להשיג מצב זה, המטען חייב לפעול כבר כאשר הסוללה מחוברת. אם הסוללה מחוברת לפני הפעלת המטען, מתח השער של MP1 נמשך לחלוטין על ידי הסוללה, ובכך משבית את MP1. כאשר המטען מופעל, הוא מייצר זרם מבוקר (ולא גל זרם גבוה), מה שמפחית את האפשרות של הפעלת MP1 וכיבוי MP2.

מצד שני, אם המטען מופעל לפני שהסוללה מחוברת, השער של MP1 פשוט עוקב אחר פלט מטען הסוללה מכיוון שהוא נמשך למעלה על ידי המדמם נַגָד R2. כאשר הסוללה אינה מחוברת, ל-MP1 אין נטייה להידלק ולצאת מפעולה של MP2.

כאשר המטען פועל, והסוללה מחוברת, מתרחשת בעיה. במקרה זה, יש הבדל רגעי בין יציאת המטען לבין מסופי הסוללה, מה שיגרום ל-MP1 להוציא את MP2 מפעולה, מכיוון שמתח הסוללה מאלץ את קבל המטען לספוג. כך נוצרת תחרות בין היכולת של MP2 לשאוב מטען מקבל המטען לבין היכולת של MP1 להוציא את MP2 מפעולה.

המעגל נבדק גם עם סוללת עופרת חומצה ומטען סוללות LTC4015. חיבור ספק כוח 6V עמוס כבד כסימולטור סוללות למטען סוללה מופעל לעולם לא יפעיל את מצב ה"מנותק". הבדיקות שנעשו אינן מקיפות ויש לבדוק אותן בצורה מקיפה ויסודית יותר ביישומי מפתח. גם אם המעגל אכן נעול, השבתת מטען הסוללה והפעלתו מחדש תמיד תביא לחיבור מחדש.

ניתן להדגים את מצב התקלה על ידי מניפולציה של המעגל (יצירת חיבור זמני בין החלק העליון של R1 לפלט מטען הסוללה). עם זאת, הוא האמין בדרך כלל כי המעגל נוטה יותר להיות מחובר. אם כשל בחיבור אכן הופך לבעיה, אתה יכול לתכנן מעגל שמשתמש במספר התקנים כדי להשבית את מטען הסוללות. איור 12 מציג דוגמה של מעגל שלמה יותר.

איור 10 מציג את ההשפעה של מעגל ההגנה של PMOS עם המטען מושבת.

שימו לב שלא משנה מה המצב, לא תהיה העברת מתח שלילי בין מטען הסוללה למתח העומס.

איור 11 מראה שהמעגל נמצא במצב לא נוח של "המטען נכנס למצב הפעלה כאשר הסוללה מחוברת הפוך לחיבור חם".
ההשפעה של מעגל NMOS כמעט זהה. לפני ניתוק המעגל כדי להוציא את טרנזיסטור ההעברה MP2 מפעולה, הסוללה ההפוכה מושכת מעט את המטען ואת מתח הטעינה.

בגרסה זו של המעגל, הטרנזיסטור MP2 חייב להיות מסוגל לעמוד במתח כפול מהסוללה V_DS (אחד למטען ואחד לחיבור הפוך של המצבר) ו-V שווה למתח המצבר_GS. מצד שני, MP1 חייב להיות מסוגל לעמוד ב-V השווה למתח הסוללה_DSו-V שהוא פי שניים ממתח הסוללה_GS. דרישה זו מצערת, כי עבור טרנזיסטורי MOSFET, ה-V המדורג_DSתמיד חורג מהדירוג V_GS. ניתן למצוא עם 30V V_GS סובלנות ו-40V V_DS טרנזיסטורים סובלניים מתאימים ליישומי סוללות עופרת-חומצה. על מנת לתמוך בסוללות מתח גבוה יותר, יש להוסיף דיודות זנר ונגדים מגבילי זרם כדי לשנות את המעגל.

איור 12 מציג דוגמה של מעגל שיכול להתמודד עם שתי סוללות עופרת-חומצה מוערמות בסדרה.

איור 10: מעגל הגנת PMOS עם המטען במצב כבוי

איור 11: מעגל הגנת PMOS עם המטען בפעולה

ADI מאמינה שהמידע שהיא מספקת מדויק ואמין. עם זאת, ADI אינה אחראית לשימוש בו ולכל הפרה של פטנטים של צד שלישי או זכויות אחרות שעלולות לנבוע מהשימוש בו. המפרט נתון לשינוי ללא הודעה מוקדמת. שום רישיון להשתמש בפטנטים או בזכויות פטנטים של ADI לא יינתן במשתמע או בכל דרך אחרת.

איור 12: הגנת סוללה הפוכה במתח גבוה יותר.

D1, D3 ו-R3 מגנים על השערים של MP2 ו-MP3 מפני נזקי מתח גבוה. כאשר סוללה הפוכה מתחלפת, D2 יכול למנוע מרשת ה-MP3 ומפלט מטען הסוללה לנוע במהירות מתחת לפוטנציאל הקרקע. כאשר למעגל יש סוללה הפוכה או במצב נעילת ניתוק שגוי, ניתן לזהות MP1 ו-R1, ולהשתמש בתכונת RT החסרה של LTC4015 כדי להשבית את מטען הסוללה.

לסיכום

ניתן לפתח מעגל הגנה מפני מתח הפוך עבור יישומים מבוססי מטען סוללות. אנשים פיתחו כמה מעגלים וערכו בדיקות קצרות, ותוצאות הבדיקה מעודדות. אין טריק חכם לבעיית הסוללה ההפוכה, אבל אני מקווה שהשיטה שהוצגה במאמר זה יכולה לספק הארה מספקת, כלומר, יש פתרון פשוט ובעלות נמוכה.