"전원 공급 장치를 처리하는 몇 가지 잘 알려진 방법이 있습니다. 전압 반전. 가장 확실한 방법은 전원 공급 장치와 부하 사이에 다이오드를 연결하는 것이지만 다이오드의 순방향 전압으로 인해 추가 전력 소비가 발생합니다. 이 방법은 매우 간단하지만 배터리가 충전할 때 전류를 흡수하고 충전하지 않을 때 전류를 공급해야 하기 때문에 다이오드는 휴대용 또는 백업 애플리케이션에 유용하지 않습니다.
"
Steven Martin, 배터리 충전기 설계 관리자
소개
전원 공급 장치 전압 역전을 처리하는 몇 가지 잘 알려진 방법이 있습니다. 가장 확실한 방법은 전원 공급 장치와 부하 사이에 다이오드를 연결하는 것이지만 다이오드의 순방향 전압으로 인해 추가 전력 소비가 발생합니다. 이 방법은 매우 간단하지만 배터리가 충전할 때 전류를 흡수하고 충전하지 않을 때 전류를 공급해야 하기 때문에 다이오드는 휴대용 또는 백업 애플리케이션에 유용하지 않습니다.
또 다른 방법은 다음 중 하나를 사용하는 것입니다. 이끼 그림 1에 표시된 회로.
그림 1: 기존의 부하측 역방향 보호
부하측 회로의 경우 다이오드를 사용하는 것보다 이 방법이 더 좋습니다. 왜냐하면 전원(배터리) 전압이 전압을 높이기 때문입니다. MOSFET, 결과적으로 전압 강하가 줄어들고 컨덕턴스가 상당히 높아집니다. NMOS 버전 회로 개별 NMOS 트랜지스터가 더 높은 전도성, 더 낮은 비용 및 더 나은 사용성을 갖기 때문에 PMOS 버전보다 낫습니다. 두 회로 모두에서 MOSFET은 배터리 전압이 양수일 때 켜지고 배터리 전압이 역전될 때 분리됩니다. MOSFET의 물리적 "드레인"은 PMOS 버전에서 전위가 더 높고 NMOS 버전에서 전위가 더 낮기 때문에 전원이 됩니다. 부터 MOSFET XNUMX극관 영역에서 전기적으로 대칭이며 양방향으로 전류를 잘 전도할 수 있습니다. 이 방법을 사용할 때, 트랜지스터 배터리 전압보다 높은 최대 VGS 및 VDS 정격을 가져야 합니다.
불행히도 이 방법은 부하측 회로에만 유효하며 배터리를 충전할 수 있는 회로에는 사용할 수 없습니다. 배터리 충전기는 전력을 생성하고 MOSFET을 다시 활성화하고 역 배터리에 대한 연결을 재설정합니다. 그림 2는 NMOS 버전을 사용하는 예를 보여줍니다. 그림에 표시된 배터리는 결함이 있는 상태입니다.
그림 2: 배터리 충전기가 있는 부하측 보호 회로
배터리가 연결되면 배터리 충전기는 유휴 상태이며 부하와 배터리 충전기는 역 배터리에서 안전하게 분리됩니다. 그러나 충전기가 동작 상태(예: 입력 전원 커넥터 부착)로 변경되면 충전기는 NMOS의 게이트와 소스 사이에 전압을 생성하여 NMOS를 향상시켜 전류 전도를 구현합니다. 이것은 그림 3에서 더 생생합니다.
그림 3: 기존의 역 배터리 보호 체계는 배터리 충전기 회로에 유효하지 않습니다.
부하와 충전기가 역전압으로부터 절연되어 있지만 보호 MOSFET이 직면하는 주요 문제는 너무 많은 전력을 소비한다는 것입니다. 이 경우 배터리 충전기는 배터리 방전기가 됩니다. 배터리 충전기가 MOSFET에 대해 충분한 게이트 지원을 제공하여 충전기에서 전달되는 전류를 흡수하면 회로가 평형에 도달합니다. 예를 들어, 강력한 MOSFET의 V가TH 약 2V이고 충전기는 2V 전압 미만의 전류를 제공할 수 있으며 배터리 충전기 출력 전압은 2V에서 안정화됩니다(MOSFET의 드레인은 2V + 배터리 전압임). MOSFET의 전력 손실은 I요금 • (VTH + VBAT), MOSFET이 가열되고 생성된 열이 인쇄 회로 기판에서 사라질 때까지 열을 생성합니다. 이 회로의 PMOS 버전에서도 마찬가지입니다.
이 방법에 대한 두 가지 대안이 아래에 소개되며 각각에는 장점과 단점이 있습니다.
N채널 MOSFET 설계
첫 번째 솔루션은 그림 4와 같이 NMOS 절연 장치를 사용합니다.
이 회로의 알고리즘은 다음과 같습니다. 배터리 전압이 배터리 충전기 출력 전압을 초과하면 절연 MOSFET을 비활성화해야 합니다.
위에서 설명한 NMOS 방식과 마찬가지로 이 회로에서는 MN1이 충전기/부하와 배터리 단자 사이 배선의 저전압 측에 연결됩니다. 그러나 이제 트랜지스터 MP1 및 Q1은 배터리 역방향 연결 시 MN1을 비활성화하는 감지 회로를 제공합니다. 배터리를 뒤집으면 MP1 소스가 충전기의 양극 단자에 연결된 그리드 위로 올라갑니다. 그런 다음 MP1의 드레인은 R1을 통해 Q1의 베이스에 전류를 전달합니다. 그런 다음 Q1은 MN1의 게이트를 접지로 분류하여 MN1에 충전 전류가 흐르는 것을 방지합니다. R1은 역방향 감지 중에 Q1에 흐르는 베이스 전류를 제어하는 역할을 하고, R2는 정상 작동 중에 Q1 베이스에 블리더를 제공합니다. R3은 Q1에게 MN1의 게이트를 접지로 끌어당길 수 있는 권한을 부여합니다. R3/R4 전압 분배기는 MN1의 게이트 전압을 제한하여 역 배터리 핫스왑 중에 게이트 전압이 그다지 떨어지지 않도록 합니다. 최악의 경우는 배터리 충전기가 이미 작동 중이어서 일정한 전압 레벨을 생성하고 역방향 배터리가 부착된 경우입니다. 이 경우 높은 전력이 소모되는 시간을 제한하기 위해 최대한 빨리 MN1을 꺼야 한다. R3 및 R4가 포함된 이 특수 버전의 회로는 12V 납산 배터리 애플리케이션에 가장 적합하지만 단일 셀 및 4셀 리튬 이온 배터리 제품과 같은 저전압 애플리케이션에서는 RXNUMX가 면제될 수 있습니다. 콘덴서 C1은 역방향 배터리 연결 중에 MN1의 게이트 레벨을 낮추는 초고속 충전 펌프를 제공합니다. 최악의 경우(역방향 배터리를 장착하면 충전기가 다시 활성화되는 경우)에는 C1이 매우 유용합니다.
이 회로의 단점은 추가 구성 요소들 필요합니다. R3/R4 전압 분배기는 배터리에 작지만 지속적인 부하를 생성합니다.
이러한 구성 요소의 대부분은 슬림합니다. MP1 및 Q1은 전원 장치가 아니며 일반적으로 SOT23-3, SC70-3 또는 더 작은 패키지를 사용할 수 있습니다. MN1은 전송 장치이기 때문에 전도성이 매우 좋아야 하지만 크기가 클 필요는 없습니다. 깊은 100극관 영역에서 작동하고 게이트에 의해 크게 강화되었기 때문에 중간 전도도를 가진 장치에서도 소비 전력이 매우 낮습니다. 예를 들어, 23mΩ 미만의 트랜지스터는 종종 SOT3-XNUMX에 패키징됩니다.
그림 4: 실현 가능한 역 배터리 회로
하지만 스몰패스를 사용하는 단점은 트랜지스터 배터리 충전기와 직렬로 연결된 추가 임피던스는 정전압 충전 단계에서 충전 시간을 연장한다는 것입니다. 예를 들어 배터리와 배터리 배선의 등가 직렬 저항이 100mΩ이고 100mΩ 절연 트랜지스터를 사용하면 정전압 충전 단계에서 충전 시간이 두 배로 늘어납니다.
MP1 및 Q1으로 구성된 감지 및 비활성화 회로는 MN1을 비활성화하는 데 특히 빠르지 않으며 그렇게 할 필요도 없습니다. MN1은 역 배터리 부착 중에 높은 전력 소비를 생성하지만 셧다운 회로는 "끝에" MN1을 분리하기만 하면 됩니다. MN1이 손상을 일으킬 정도로 가열되기 전에 MN1을 분리해야 합니다. 수십 마이크로초의 연결 해제 시간이 더 적합할 수 있습니다. 반면에 배터리의 역 연결이 충전기와 부하 전압을 음의 값으로 끌어오기 전에 MN1을 비활성화하는 것이 중요하므로 C1이 필요합니다. 기본적으로 회로에는 하나의 AC와 하나의 DC 비활성화 경로가 있습니다.
이 회로는 납산 배터리와 LTC4015 배터리 충전기로 테스트되었습니다. 그림 5와 같이 배터리를 역방향으로 핫플러그하면 배터리 충전기가 OFF 상태가 된다. 역 전압은 충전기와 부하로 전달되지 않습니다.
그림 5: 충전기가 꺼진 상태인 NMOS 보호 회로
MN1은 배터리 전압과 동일한 V가 필요합니다.DS 정격 값 및 1/2 배터리 전압과 동일한 VGS 정격 값. MP1은 배터리 전압과 동일한 V가 필요합니다.DS 그리고 VGS 정격 값.
그림 6은 더 심각한 상황, 즉 역방향 배터리가 핫스왑되었을 때 배터리 충전기가 이미 정상 작동 상태임을 보여줍니다. 배터리를 역으로 연결하면 감지 및 보호 회로가 작동하지 않을 때까지 충전기 측 전압을 낮추어 충전기가 안전하게 일정한 전압 수준으로 돌아갈 수 있습니다. 동적 특성은 애플리케이션마다 다르며 배터리 충전기의 커패시턴스는 최종 결과에서 큰 역할을 합니다. 이 테스트에서 배터리 충전기는 높은 Q 세라믹 커패시터와 낮은 Q 폴리머 커패시터를 모두 가지고 있습니다.
그림 6: 충전기가 작동 중인 NMOS 보호 회로
즉, 알루미늄 폴리머를 사용하는 것이 좋습니다 커패시터 배터리 충전기의 알루미늄 전해 커패시터는 정상적인 양극 배터리 핫 플러깅 동안 성능을 향상시킵니다. 극단적인 비선형성으로 인해 순수 세라믹 커패시터는 핫 플러깅 중에 과도한 오버슈트를 생성합니다. 그 이유는 전압이 0V에서 정격 전압으로 상승할 때 정전 용량이 80%나 감소하기 때문입니다. 이 비선형성은 저전압 조건에서 고전류의 흐름을 자극하고 전압이 상승하면 커패시턴스가 급격히 감소합니다. 이것은 매우 높은 전압 오버슈트를 유발하는 치명적인 조합입니다. 일반적으로 세라믹 커패시터와 낮은 Q, 전압 안정 알루미늄 커패시터 또는 탄탈륨 커패시터의 조합이 가장 강력한 조합인 것 같습니다.
P-채널 MOSFET 설계
그림 7은 PMOS 트랜지스터를 보호 장치로 사용하는 두 번째 방법을 보여줍니다.
그림 7: PMOS 트랜지스터 전송 소자 버전
이 회로에서 MP1은 역 배터리 감지 장치이고 MP2는 역 절연 장치입니다. MP1의 소스-게이트 전압을 사용하여 배터리의 양극 단자와 배터리 충전기 출력을 비교합니다. 배터리 충전기 단자 전압이 배터리 전압보다 높으면 MP1은 주 전송 장치 MP2를 비활성화합니다. 따라서 배터리 전압이 접지 아래로 구동되는 경우 감지 장치 MP1이 전송 장치 MP2를 오프 상태로 구동할 것이 분명합니다(게이트를 소스로 간섭). 배터리 충전기가 활성화되어 충전 전압을 형성하거나 비활성화(0V) 여부에 관계없이 위의 동작을 완료합니다.
이 회로의 가장 큰 장점은 PMOS 절연 트랜지스터 MP2가 충전 회로와 부하에 음의 전압을 전달할 권한이 없다는 것입니다. 그림 8은 이를 보다 명확하게 보여줍니다.
그림 8: 캐스코드 효과 다이어그램
MP2에서 R1까지의 게이트에서 얻을 수 있는 가장 낮은 전압은 0V입니다. MP2의 드레인이 접지 전위보다 훨씬 아래로 당겨져도 소스는 상당한 전압 하향 압력을 가하지 않습니다. 트랜지스터가 접지 위에 있는 V로 소스 전압이 떨어지면TH, 트랜지스터는 자체 바이어스를 해제하고 전도성이 점차 사라집니다. 소스 전압이 접지 전위에 가까울수록 트랜지스터의 바이어스 해제 정도가 높아집니다. 단순한 토폴로지와 결합된 이 기능은 이 방법을 위에서 설명한 NMOS 방법보다 더 많이 사용하게 만듭니다. NMOS 방식에 비해 전도율이 낮고 PMOS 트랜지스터의 비용이 높다는 단점이 있습니다.
이 회로는 NMOS 방식보다 간단하지만 큰 단점이 있습니다. 항상 역전압에 대한 보호 기능을 제공하지만 항상 회로를 배터리에 연결하는 것은 아닙니다. 그림과 같이 게이트가 교차 결합되면 회로가 래치된 저장 요소를 형성하여 잘못된 상태를 선택할 수 있습니다. 달성하기 어렵지만 충전기가 전압(예: 12V)을 발생시키고, 배터리를 더 낮은 전압(예: 8V)으로 부착하면 회로가 단선되는 상황이 있다.
이 경우 MP1의 소스 간 전압은 +4V이므로 MP1을 강화하고 MP2를 비활성화합니다. 이 상황은 그림 9에 나와 있으며 노드에 안정적인 전압이 나열되어 있습니다.
그림 9: PMOS 보호 회로를 사용할 때 가능한 차단 상태 다이어그램
이 조건을 달성하려면 배터리가 연결되어 있을 때 충전기가 이미 실행 중이어야 합니다. 충전기가 활성화되기 전에 배터리가 연결되면 MP1의 게이트 전압이 배터리에 의해 완전히 풀업되어 MP1이 비활성화됩니다. 충전기가 켜지면 제어된 전류(높은 전류 서지가 아닌)가 생성되어 MP1이 켜지고 MP2가 꺼질 가능성이 줄어듭니다.
반면에 배터리가 부착되기 전에 충전기가 활성화되면 MP1의 게이트는 블리더에 의해 당겨지기 때문에 단순히 배터리 충전기 출력을 따릅니다. 저항기 R2. 배터리가 연결되어 있지 않으면 MP1이 켜지지 않고 MP2가 작동하지 않습니다.
충전기가 켜져 있고 실행 중이고 배터리가 장착되어 있으면 문제가 발생합니다. 이 경우 충전기 출력과 배터리 단자 사이에 일시적인 차이가 있으며, 배터리 전압이 충전기 커패시터를 강제로 흡수하기 때문에 MP1이 MP2를 작동하지 못하게 합니다. 이로 인해 충전기 커패시터에서 전하를 끌어내는 MP2의 능력과 MP1를 작동 중지시키는 MP2의 능력 사이에 경쟁이 발생합니다.
이 회로는 납산 배터리와 LTC4015 배터리 충전기로도 테스트되었습니다. 고부하 6V 전원 공급 장치를 배터리 시뮬레이터로 활성화된 배터리 충전기에 연결하면 "연결 끊김" 상태가 트리거되지 않습니다. 수행된 테스트는 포괄적이지 않으며 주요 애플리케이션에서 보다 포괄적이고 철저하게 테스트해야 합니다. 회로가 실제로 잠겨 있더라도 배터리 충전기를 비활성화하고 다시 활성화하면 항상 다시 연결됩니다.
결함 상태는 회로를 조작하여 시연할 수 있습니다(R1 상단과 배터리 충전기 출력 사이에 임시 연결 설정). 그러나 일반적으로 회로가 더 연결되는 경향이 있다고 믿어집니다. 연결 실패가 문제가 되는 경우 여러 장치를 사용하여 배터리 충전기를 비활성화하는 회로를 설계할 수 있습니다. 그림 12는 보다 완전한 회로 예를 보여줍니다.
그림 10은 충전기가 비활성화된 PMOS 보호 회로의 효과를 보여줍니다.
상황이 어떻든 배터리 충전기와 부하 전압 사이에는 음의 전압 전달이 없습니다.
그림 11은 회로가 "핫플러깅을 위해 배터리를 역으로 연결했을 때 충전기가 작동 상태로 진입한" 불리한 상황에 있음을 보여줍니다.
NMOS 회로의 효과는 거의 동일합니다. 전송 트랜지스터 MP2가 작동하지 않도록 회로를 분리하기 전에 역 배터리가 충전기와 부하 전압을 약간 끌어냅니다.
이 버전의 회로에서 트랜지스터 MP2는 배터리 V의 두 배 전압을 견딜 수 있어야 합니다.DS (하나는 충전기용이고 하나는 배터리의 역접속용) 및 V는 배터리 전압과 동일GS. 반면에 MP1은 배터리 전압과 동일한 V를 견딜 수 있어야 합니다.DS그리고 V는 배터리 전압의 두 배입니다.GS. MOSFET 트랜지스터의 경우 정격 VDS항상 정격 V 초과GS. 30V V에서 찾을 수 있습니다.GS 공차 및 40V VDS 내성 트랜지스터는 납산 배터리 애플리케이션에 적합합니다. 더 높은 전압의 배터리를 지원하려면 회로를 수정하기 위해 제너 다이오드와 전류 제한 저항을 추가해야 합니다.
그림 12는 직렬로 적층된 XNUMX개의 납축전지를 처리할 수 있는 회로의 예를 보여줍니다.
그림 10: 충전기가 꺼진 상태인 PMOS 보호 회로
그림 11: 충전기가 작동 중인 PMOS 보호 회로
ADI는 제공하는 정보가 정확하고 신뢰할 수 있다고 믿습니다. 그러나 ADI는 ADI의 사용 및 사용으로 인해 발생할 수 있는 제XNUMX자 특허 또는 기타 권리의 침해에 대해 책임을 지지 않습니다. 사양은 예고 없이 변경될 수 있습니다. ADI의 특허 또는 특허권을 사용할 수 있는 라이선스는 묵시적으로 또는 기타 방식으로 부여되지 않습니다.
그림 12: 고전압 역 배터리 보호.
D1, D3 및 R3은 MP2 및 MP3의 게이트를 고전압 손상으로부터 보호합니다. 반전된 배터리가 핫 스왑되면 D2는 MP3 그리드 및 배터리 충전기 출력이 접지 전위 아래로 빠르게 이동하는 것을 방지할 수 있습니다. 회로에 역 배터리가 있거나 잘못된 분리 잠금 상태에 있는 경우 MP1 및 R1을 감지하고 LTC4015의 누락된 RT 기능을 사용하여 배터리 충전기를 비활성화할 수 있습니다.
결론적으로
배터리 충전기 기반 애플리케이션을 위한 역전압 보호 회로를 개발하는 것이 가능합니다. 사람들은 일부 회로를 개발하고 간단한 테스트를 수행했으며 테스트 결과는 고무적입니다. 역 배터리 문제에 대한 영리한 트릭은 없지만 이 기사에서 소개하는 방법이 충분한 깨달음, 즉 간단하고 저렴한 솔루션이 있기를 바랍니다.
Steven Martin, 배터리 충전기 설계 관리자
소개
전원 공급 장치 전압 역전을 처리하는 몇 가지 잘 알려진 방법이 있습니다. 가장 확실한 방법은 전원 공급 장치와 부하 사이에 다이오드를 연결하는 것이지만 다이오드의 순방향 전압으로 인해 추가 전력 소비가 발생합니다. 이 방법은 매우 간단하지만 배터리가 충전할 때 전류를 흡수하고 충전하지 않을 때 전류를 공급해야 하기 때문에 다이오드는 휴대용 또는 백업 애플리케이션에 유용하지 않습니다.
또 다른 방법은 그림 1에 표시된 MOSFET 회로 중 하나를 사용하는 것입니다.
그림 1: 기존의 부하측 역방향 보호
부하 측 회로의 경우 이 방법이 다이오드를 사용하는 것보다 낫습니다. 그 이유는 전원 공급 장치(배터리) 전압이 MOSFET을 부스트하여 전압 강하가 적고 컨덕턴스가 상당히 높기 때문입니다. 이 회로의 NMOS 버전은 개별 NMOS 트랜지스터가 더 높은 전도성, 더 낮은 비용 및 더 나은 사용성을 갖기 때문에 PMOS 버전보다 낫습니다. 두 회로 모두에서 MOSFET은 배터리 전압이 양수일 때 켜지고 배터리 전압이 역전될 때 분리됩니다. MOSFET의 물리적 "드레인"은 PMOS 버전에서 전위가 더 높고 NMOS 버전에서 전위가 더 낮기 때문에 전원이 됩니다. MOSFET은 XNUMX극관 영역에서 전기적으로 대칭이기 때문에 양방향으로 전류를 잘 전도할 수 있습니다. 이 방법을 사용할 때 트랜지스터의 최대 VGS 및 VDS 정격은 배터리 전압보다 높아야 합니다.
불행히도 이 방법은 부하측 회로에만 유효하며 배터리를 충전할 수 있는 회로에는 사용할 수 없습니다. 배터리 충전기는 전력을 생성하고 MOSFET을 다시 활성화하고 역 배터리에 대한 연결을 재설정합니다. 그림 2는 NMOS 버전을 사용하는 예를 보여줍니다. 그림에 표시된 배터리는 결함이 있는 상태입니다.
그림 2: 배터리 충전기가 있는 부하측 보호 회로
배터리가 연결되면 배터리 충전기는 유휴 상태이며 부하와 배터리 충전기는 역 배터리에서 안전하게 분리됩니다. 그러나 충전기가 동작 상태(예: 입력 전원 커넥터 부착)로 변경되면 충전기는 NMOS의 게이트와 소스 사이에 전압을 생성하여 NMOS를 향상시켜 전류 전도를 구현합니다. 이것은 그림 3에서 더 생생합니다.
그림 3: 기존의 역 배터리 보호 체계는 배터리 충전기 회로에 유효하지 않습니다.
부하와 충전기가 역전압으로부터 절연되어 있지만 보호 MOSFET이 직면하는 주요 문제는 너무 많은 전력을 소비한다는 것입니다. 이 경우 배터리 충전기는 배터리 방전기가 됩니다. 배터리 충전기가 MOSFET에 대해 충분한 게이트 지원을 제공하여 충전기에서 전달되는 전류를 흡수하면 회로가 평형에 도달합니다. 예를 들어, 강력한 MOSFET의 V가TH 약 2V이고 충전기는 2V 전압 미만의 전류를 제공할 수 있으며 배터리 충전기 출력 전압은 2V에서 안정화됩니다(MOSFET의 드레인은 2V + 배터리 전압임). MOSFET의 전력 손실은 I요금 • (VTH + VBAT), MOSFET이 가열되고 생성된 열이 인쇄 회로 기판에서 사라질 때까지 열을 생성합니다. 이 회로의 PMOS 버전에서도 마찬가지입니다.
이 방법에 대한 두 가지 대안이 아래에 소개되며 각각에는 장점과 단점이 있습니다.
N채널 MOSFET 설계
첫 번째 솔루션은 그림 4와 같이 NMOS 절연 장치를 사용합니다.
이 회로의 알고리즘은 다음과 같습니다. 배터리 전압이 배터리 충전기 출력 전압을 초과하면 절연 MOSFET을 비활성화해야 합니다.
위에서 설명한 NMOS 방식과 마찬가지로 이 회로에서 MN1은 충전기/부하와 배터리 단자 사이의 배선 중 저전압 측에 연결됩니다. 그러나 트랜지스터 MP1 및 Q1은 이제 역 배터리 연결의 경우 MN1을 비활성화하는 감지 회로를 제공합니다. 배터리를 반대로 하면 충전기의 양극 단자에 연결된 그리드 위로 MP1 소스가 올라갑니다. 그런 다음 MP1의 드레인은 R1을 통해 Q1의 베이스에 전류를 전달합니다. 그런 다음 Q1은 MN1의 게이트를 접지로 분류하여 충전 전류가 MN1에 흐르는 것을 방지합니다. R1은 역 감지 중에 Q1에 흐르는 베이스 전류를 제어하는 역할을 하고 R2는 정상 작동 중에 Q1 베이스에 블리더를 제공합니다. R3은 Q1에 MN1의 게이트를 접지로 끌어올 수 있는 권한을 부여합니다. R3/R4 전압 분배기는 MN1 게이트의 전압을 제한하므로 역 배터리 핫 스왑 동안 게이트 전압이 그렇게 많이 떨어질 필요가 없습니다. 최악의 경우는 배터리 충전기가 이미 작동 중이고 정전압 레벨을 생성하고 역 배터리가 부착된 경우입니다. 이 경우 높은 전력이 소모되는 시간을 제한하기 위해 가능한 한 빨리 MN1을 꺼야 합니다. R3 및 R4가 있는 이 특수 버전의 회로는 12V 납산 배터리 애플리케이션에 가장 적합하지만 단일 셀 및 4셀 리튬 이온 배터리 제품과 같은 저전압 애플리케이션에서는 R1가 면제될 수 있습니다. 커패시터 C1은 역 배터리 부착 중에 MN1의 게이트 레벨을 풀다운하는 초고속 충전 펌프를 제공합니다. 최악의 경우(역 배터리를 장착하면 충전기가 다시 활성화됨) CXNUMX이 매우 유용합니다.
이 회로의 단점은 추가 구성 요소가 필요하다는 것입니다. R3/R4 전압 분배기는 배터리에 작지만 지속적인 부하를 생성합니다.
이러한 구성 요소의 대부분은 슬림합니다. MP1 및 Q1은 전원 장치가 아니며 일반적으로 SOT23-3, SC70-3 또는 더 작은 패키지를 사용할 수 있습니다. MN1은 전송장치이기 때문에 전도도가 매우 좋아야 하지만 반드시 크기가 클 필요는 없다. 깊은 100극관 영역에서 작동하고 게이트에 의해 크게 강화되었기 때문에 중간 전도도를 가진 장치에서도 소비 전력이 매우 낮습니다. 예를 들어, 23mΩ 미만의 트랜지스터는 종종 SOT3-XNUMX에 패키징됩니다.
그림 4: 실현 가능한 역 배터리 회로
그러나 스몰 패스 트랜지스터를 사용할 때의 단점은 배터리 충전기와 직렬로 연결된 추가 임피던스로 인해 정전압 충전 단계에서 충전 시간이 연장된다는 점입니다. 예를 들어 배터리와 배터리 배선의 등가 직렬 저항이 100mΩ이고 100mΩ 절연 트랜지스터를 사용하면 정전압 충전 단계에서 충전 시간이 두 배로 늘어납니다.
MP1 및 Q1으로 구성된 감지 및 비활성화 회로는 MN1을 비활성화하는 데 특히 빠르지 않으며 그렇게 할 필요도 없습니다. MN1은 역 배터리 부착 중에 높은 전력 소비를 생성하지만 셧다운 회로는 "끝에" MN1을 분리하기만 하면 됩니다. MN1이 손상을 일으킬 정도로 가열되기 전에 MN1을 분리해야 합니다. 수십 마이크로초의 연결 해제 시간이 더 적합할 수 있습니다. 반면에 배터리의 역 연결이 충전기와 부하 전압을 음의 값으로 끌어오기 전에 MN1을 비활성화하는 것이 중요하므로 C1이 필요합니다. 기본적으로 회로에는 하나의 AC와 하나의 DC 비활성화 경로가 있습니다.
이 회로는 납산 배터리와 LTC4015 배터리 충전기로 테스트되었습니다. 그림 5와 같이 배터리를 역방향으로 핫플러그하면 배터리 충전기가 OFF 상태가 된다. 역 전압은 충전기와 부하로 전달되지 않습니다.
그림 5: 충전기가 꺼진 상태인 NMOS 보호 회로
MN1은 배터리 전압과 동일한 V가 필요합니다.DS 정격 값 및 1/2 배터리 전압과 동일한 VGS 정격 값. MP1은 배터리 전압과 동일한 V가 필요합니다.DS 그리고 VGS 정격 값.
그림 6은 더 심각한 상황, 즉 역방향 배터리가 핫스왑되었을 때 배터리 충전기가 이미 정상 작동 상태임을 보여줍니다. 배터리를 역으로 연결하면 감지 및 보호 회로가 작동하지 않을 때까지 충전기 측의 전압을 낮추어 충전기가 안전하게 일정한 전압 수준으로 돌아갈 수 있습니다. 동적 특성은 애플리케이션마다 다르며 배터리 충전기의 커패시턴스는 최종 결과에서 큰 역할을 합니다. 이 테스트에서 배터리 충전기는 높은 Q 세라믹 커패시터와 낮은 Q 폴리머 커패시터를 모두 가지고 있습니다.
그림 6: 충전기가 작동 중인 NMOS 보호 회로
요컨대, 배터리 충전기에 알루미늄 폴리머 커패시터와 알루미늄 전해 커패시터를 사용하여 정상적인 양극 배터리 핫 플러깅 동안 성능을 향상시키는 것이 좋습니다. 극단적인 비선형성으로 인해 순수 세라믹 커패시터는 핫 플러깅 중에 과도한 오버슈트를 생성합니다. 그 이유는 전압이 0V에서 정격 전압으로 상승할 때 정전 용량이 80%나 감소하기 때문입니다. 이 비선형성은 저전압 조건에서 고전류의 흐름을 자극하고 전압이 상승하면 커패시턴스가 급격히 감소합니다. 이것은 매우 높은 전압 오버슈트로 이어지는 치명적인 조합입니다. 일반적으로 세라믹 커패시터와 낮은 Q, 전압 안정 알루미늄 커패시터 또는 탄탈륨 커패시터의 조합이 가장 강력한 조합인 것 같습니다.
P-채널 MOSFET 설계
그림 7은 PMOS 트랜지스터를 보호 장치로 사용하는 두 번째 방법을 보여줍니다.
그림 7: PMOS 트랜지스터 전송 소자 버전
이 회로에서 MP1은 역 배터리 감지 장치이고 MP2는 역 절연 장치입니다. MP1의 소스-게이트 전압을 사용하여 배터리의 양극 단자와 배터리 충전기 출력을 비교합니다. 배터리 충전기 단자 전압이 배터리 전압보다 높으면 MP1은 주 전송 장치 MP2를 비활성화합니다. 따라서 배터리 전압이 접지 아래로 구동되는 경우 감지 장치 MP1이 전송 장치 MP2를 오프 상태로 구동할 것이 분명합니다(게이트를 소스로 간섭). 배터리 충전기가 활성화되어 충전 전압을 형성하거나 비활성화(0V) 여부에 관계없이 위의 동작을 완료합니다.
이 회로의 가장 큰 장점은 PMOS 절연 트랜지스터 MP2가 충전 회로와 부하에 음의 전압을 전달할 권한이 없다는 것입니다. 그림 8은 이를 보다 명확하게 보여줍니다.
그림 8: 캐스코드 효과 다이어그램
MP2에서 R1까지의 게이트에서 얻을 수 있는 가장 낮은 전압은 0V입니다. MP2의 드레인이 접지 전위보다 훨씬 아래로 당겨져도 소스는 상당한 전압 하향 압력을 가하지 않습니다. 트랜지스터가 접지 위에 있는 V로 소스 전압이 떨어지면TH, 트랜지스터는 자체 바이어스를 해제하고 전도도가 점차 사라집니다. 소스 전압이 접지 전위에 가까울수록 트랜지스터의 바이어스 해제 정도가 높아집니다. 단순한 토폴로지와 결합된 이 기능은 이 방법을 위에서 설명한 NMOS 방법보다 더 많이 사용하게 만듭니다. NMOS 방식에 비해 전도율이 낮고 PMOS 트랜지스터의 비용이 높다는 단점이 있습니다.
이 회로는 NMOS 방식보다 간단하지만 큰 단점이 있습니다. 항상 역전압에 대한 보호 기능을 제공하지만 항상 회로를 배터리에 연결하는 것은 아닙니다. 게이트가 그림과 같이 교차 결합되면 회로는 래치된 저장 요소를 형성하여 잘못된 상태를 선택할 수 있습니다. 달성하기 어렵지만 충전기가 전압(예: 12V)을 발생시키고, 배터리를 더 낮은 전압(예: 8V)으로 부착하면 회로가 단선되는 상황이 있다.
이 경우 MP1의 소스 간 전압은 +4V이므로 MP1을 강화하고 MP2를 비활성화합니다. 이 상황은 그림 9에 나와 있으며 노드에 안정적인 전압이 나열되어 있습니다.
그림 9: PMOS 보호 회로를 사용할 때 가능한 차단 상태 다이어그램
이 조건을 달성하려면 배터리가 연결되어 있을 때 충전기가 이미 실행 중이어야 합니다. 충전기가 활성화되기 전에 배터리가 연결되면 MP1의 게이트 전압이 배터리에 의해 완전히 풀업되어 MP1이 비활성화됩니다. 충전기가 켜지면 제어된 전류(높은 전류 서지가 아닌)가 생성되어 MP1이 켜지고 MP2가 꺼질 가능성이 줄어듭니다.
반면에 배터리가 부착되기 전에 충전기가 활성화되면 MP1의 게이트는 블리더 저항 R2에 의해 풀업되기 때문에 단순히 배터리 충전기 출력을 따릅니다. 배터리가 연결되어 있지 않으면 MP1이 켜지지 않고 MP2가 작동하지 않습니다.
충전기가 켜져 있고 실행 중이고 배터리가 장착되어 있으면 문제가 발생합니다. 이 경우 충전기 출력과 배터리 단자 사이에 일시적인 차이가 있으며, 배터리 전압이 충전기 커패시터를 강제로 흡수하기 때문에 MP1이 MP2를 작동하지 못하게 합니다. 이로 인해 충전기 커패시터에서 전하를 끌어내는 MP2의 능력과 MP1를 작동 중지시키는 MP2의 능력 사이에 경쟁이 발생합니다.
이 회로는 납산 배터리와 LTC4015 배터리 충전기로도 테스트되었습니다. 고부하 6V 전원 공급 장치를 배터리 시뮬레이터로 활성화된 배터리 충전기에 연결하면 "연결 끊김" 상태가 트리거되지 않습니다. 수행된 테스트는 포괄적이지 않으며 주요 애플리케이션에서 보다 포괄적이고 철저하게 테스트해야 합니다. 회로가 실제로 잠겨 있더라도 배터리 충전기를 비활성화하고 다시 활성화하면 항상 다시 연결됩니다.
결함 상태는 회로를 조작하여 시연할 수 있습니다(R1 상단과 배터리 충전기 출력 사이에 임시 연결 설정). 그러나 일반적으로 회로가 더 연결되는 경향이 있다고 믿어집니다. 연결 실패가 문제가 되는 경우 여러 장치를 사용하여 배터리 충전기를 비활성화하는 회로를 설계할 수 있습니다. 그림 12는 보다 완전한 회로 예를 보여줍니다.
그림 10은 충전기가 비활성화된 PMOS 보호 회로의 효과를 보여줍니다.
상황이 어떻든 배터리 충전기와 부하 전압 사이에는 음의 전압 전달이 없습니다.
그림 11은 "핫플러깅을 위해 배터리를 역으로 연결했을 때 충전기가 작동 상태로 진입했다"는 불리한 상황에 있는 회로를 보여준다.
NMOS 회로의 효과는 거의 동일합니다. 전송 트랜지스터 MP2가 작동하지 않도록 회로를 분리하기 전에 역 배터리가 충전기와 부하 전압을 약간 끌어냅니다.
이 버전의 회로에서 트랜지스터 MP2는 배터리 V의 두 배 전압을 견딜 수 있어야 합니다.DS (하나는 충전기용이고 하나는 배터리의 역접속용) 및 V는 배터리 전압과 동일GS. 반면에 MP1은 배터리 전압과 동일한 V를 견딜 수 있어야 합니다.DS그리고 V는 배터리 전압의 두 배입니다.GS. MOSFET 트랜지스터의 경우 정격 VDS항상 정격 V 초과GS. 30V V에서 찾을 수 있습니다.GS 공차 및 40V VDS 내성 트랜지스터는 납산 배터리 애플리케이션에 적합합니다. 더 높은 전압의 배터리를 지원하려면 회로를 수정하기 위해 제너 다이오드와 전류 제한 저항을 추가해야 합니다.
그림 12는 직렬로 적층된 XNUMX개의 납축전지를 처리할 수 있는 회로의 예를 보여줍니다.
그림 10: 충전기가 꺼진 상태인 PMOS 보호 회로
그림 11: 충전기가 작동 중인 PMOS 보호 회로
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그림 12: 고전압 역 배터리 보호.
D1, D3 및 R3은 MP2 및 MP3의 게이트를 고전압 손상으로부터 보호합니다. 반전된 배터리가 핫 스왑되면 D2는 MP3 그리드 및 배터리 충전기 출력이 접지 전위 아래로 빠르게 이동하는 것을 방지할 수 있습니다. 회로에 역 배터리가 있거나 잘못된 분리 잠금 상태에 있는 경우 MP1 및 R1을 감지하고 LTC4015의 누락된 RT 기능을 사용하여 배터리 충전기를 비활성화할 수 있습니다.
결론적으로
배터리 충전기 기반 애플리케이션을 위한 역전압 보호 회로를 개발할 수 있습니다. 사람들은 일부 회로를 개발하고 간단한 테스트를 수행했으며 테스트 결과는 고무적입니다. 역 배터리 문제에 대한 영리한 트릭은 없지만 이 기사에서 소개하는 방법이 충분한 깨달음을 제공할 수 있기를, 즉 간단하고 저렴한 솔루션이 있기를 바랍니다.