"Terdapat beberapa kaedah yang terkenal untuk menangani bekalan kuasa voltan pembalikan. Kaedah yang paling jelas ialah menyambungkan diod antara bekalan kuasa dan beban, tetapi disebabkan oleh voltan hadapan diod, pendekatan ini akan menjana penggunaan kuasa tambahan. Walaupun kaedah ini sangat mudah, diod tidak berguna dalam aplikasi mudah alih atau sandaran, kerana bateri mesti menyerap arus semasa mengecas dan membekalkan arus apabila tidak mengecas.
"
Steven Martin, Pengurus Reka Bentuk Pengecas Bateri
pengenalan
Terdapat beberapa kaedah yang terkenal untuk menangani pembalikan voltan bekalan kuasa. Kaedah yang paling jelas ialah menyambungkan diod antara bekalan kuasa dan beban, tetapi disebabkan oleh voltan hadapan diod, pendekatan ini akan menjana penggunaan kuasa tambahan. Walaupun kaedah ini sangat mudah, diod tidak berguna dalam aplikasi mudah alih atau sandaran, kerana bateri mesti menyerap arus semasa mengecas dan membekalkan arus apabila tidak mengecas.
Kaedah lain ialah menggunakan salah satu daripada mosfet litar ditunjukkan dalam Rajah 1.
Rajah 1: Perlindungan terbalik sisi beban tradisional
Untuk litar sisi beban, kaedah ini lebih baik daripada menggunakan diod, kerana voltan bekalan kuasa (bateri) meningkatkan MOSFET, mengakibatkan penurunan voltan yang kurang dan kekonduksian yang jauh lebih tinggi. Versi NMOS ini litar adalah lebih baik daripada versi PMOS kerana transistor NMOS diskret mempunyai kekonduksian yang lebih tinggi, kos yang lebih rendah dan kebolehgunaan yang lebih baik. Dalam kedua-dua litar, MOSFET dihidupkan apabila voltan bateri positif, dan diputuskan apabila voltan bateri diterbalikkan. “Longkang” fizikal MOSFET menjadi sumber kuasa kerana ia mempunyai potensi yang lebih tinggi dalam versi PMOS dan potensi yang lebih rendah dalam versi NMOS. Sejak mosfet simetri elektrik di kawasan triod, ia boleh mengalirkan arus dengan baik dalam kedua-dua arah. Apabila menggunakan kaedah ini, Transistor mesti mempunyai rating VGS dan VDS maksimum lebih tinggi daripada voltan bateri.
Malangnya, kaedah ini hanya berkesan untuk litar sisi beban dan tidak boleh berfungsi dengan litar yang boleh mengecas bateri. Pengecas bateri akan menjana kuasa, mendayakan semula MOSFET dan mewujudkan semula sambungan ke bateri terbalik. Rajah 2 menunjukkan contoh penggunaan versi NMOS. Bateri yang ditunjukkan dalam rajah berada dalam keadaan rosak.
Rajah 2: Litar perlindungan sisi beban dengan pengecas bateri
Apabila bateri disambungkan, pengecas bateri berada dalam keadaan melahu, dan beban dan pengecas bateri dipisahkan dengan selamat daripada bateri terbalik. Walau bagaimanapun, jika pengecas berubah kepada keadaan operasi (contohnya, penyambung kuasa input dipasang), pengecas menjana voltan antara pintu dan punca NMOS, yang meningkatkan NMOS, dengan itu merealisasikan pengaliran semasa. Ini lebih jelas dalam Rajah 3.
Rajah 3: Skim perlindungan bateri terbalik tradisional adalah tidak sah untuk litar pengecas bateri
Walaupun beban dan pengecas diasingkan daripada voltan terbalik, masalah utama yang dihadapi MOSFET pelindung ialah ia menggunakan terlalu banyak kuasa. Dalam kes ini, pengecas bateri menjadi nyahcas bateri. Apabila pengecas bateri menyediakan sokongan pintu yang mencukupi untuk MOSFET menyerap arus yang dihantar oleh pengecas, litar akan mencapai keseimbangan. Contohnya, jika V MOSFET berkuasaTH Kira-kira 2V, dan pengecas boleh memberikan arus di bawah voltan 2V, voltan keluaran pengecas bateri akan stabil pada 2V (saliran MOSFET berada pada voltan 2V + bateri). Pelesapan kuasa dalam MOSFET ialah ICHARGE • (VTH + VBAT), supaya MOSFET menjadi panas dan menjana haba sehingga haba yang dijana hilang dari papan litar bercetak. Perkara yang sama berlaku untuk versi PMOS litar ini.
Dua alternatif kepada kaedah ini akan diperkenalkan di bawah, setiap satunya mempunyai kelebihan dan kekurangan.
Reka bentuk MOSFET saluran N
Penyelesaian pertama menggunakan peranti pengasingan NMOS, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 4.
Algoritma litar ini ialah: Jika voltan bateri melebihi voltan keluaran pengecas bateri, MOSFET pengasingan mesti dilumpuhkan.
Seperti kaedah NMOS yang diterangkan di atas, dalam litar ini, MN1 disambungkan ke sisi voltan rendah pendawaian antara pengecas/beban dan terminal bateri. Walau bagaimanapun, transistor MP1 dan Q1 kini menyediakan litar pengesanan yang akan menyahaktifkan MN1 sekiranya sambungan bateri terbalik. Membalikkan bateri menaikkan sumber MP1 di atas gridnya yang disambungkan ke terminal positif pengecas. Kemudian, longkang MP1 menghantar arus ke pangkal Q1 melalui R1. Kemudian, Q1 mengosongkan pintu MN1 ke tanah, menghalang arus pengecasan daripada mengalir dalam MN1. R1 bertanggungjawab untuk mengawal arus asas yang mengalir ke Q1 semasa pengesanan terbalik, manakala R2 menyediakan bleeder untuk pangkalan Q1 semasa operasi biasa. R3 memberikan Q1 kuasa untuk menarik pintu pagar MN1 ke tanah. Pembahagi voltan R3/R4 mengehadkan voltan pada pintu MN1 supaya voltan pintu tidak perlu turun sebanyak itu semasa pertukaran panas bateri terbalik. Kes yang paling teruk ialah apabila pengecas bateri sudah beroperasi, menghasilkan paras voltan malar, dan bateri terbalik dipasang. Dalam kes ini, adalah perlu untuk mematikan MN1 secepat mungkin untuk mengehadkan masa apabila kuasa tinggi digunakan. Versi khas litar dengan R3 dan R4 ini paling sesuai untuk aplikasi bateri asid plumbum 12V, tetapi dalam aplikasi voltan rendah seperti produk bateri lithium-ion sel tunggal dan dua sel, R4 boleh dikecualikan. Kapasitor C1 menyediakan pam pengecasan ultra pantas untuk menurunkan paras pintu MN1 semasa lampiran bateri terbalik. Untuk kes terburuk (apabila bateri terbalik dipasang, pengecas telah didayakan semula), C1 sangat berguna.
Kelemahan litar ini ialah tambahan itu komponen diperlukan. Pembahagi voltan R3/R4 mencipta beban kecil tetapi berterusan pada bateri.
Kebanyakan komponen ini adalah nipis. MP1 dan Q1 bukan peranti kuasa, dan biasanya pakej SOT23-3, SC70-3 atau lebih kecil tersedia. MN1 sepatutnya mempunyai kekonduksian yang sangat baik, kerana ia adalah peranti penghantaran, tetapi saiznya tidak perlu besar. Oleh kerana ia berfungsi di kawasan triod dalam dan telah dikuatkan dengan banyak oleh pintu masuk, penggunaan kuasanya sangat rendah walaupun untuk peranti dengan kekonduksian sederhana. Sebagai contoh, transistor di bawah 100mΩ selalunya dibungkus dalam SOT23-3.
Rajah 4: Litar bateri terbalik yang boleh dilaksanakan
Namun, keburukan menggunakan pas kecil Transistor ialah galangan tambahan secara bersiri dengan pengecas bateri memanjangkan masa pengecasan semasa fasa pengecasan voltan malar. Sebagai contoh, jika bateri dan pendawaiannya mempunyai rintangan siri setara 100mΩ, dan transistor pengasingan 100mΩ digunakan, masa pengecasan semasa fasa pengecasan voltan malar akan digandakan.
Litar pengesanan dan penyahaktifan yang terdiri daripada MP1 dan Q1 tidak begitu pantas untuk menyahaktifkan MN1, dan ia tidak perlu begitu. Walaupun MN1 menjana penggunaan kuasa tinggi semasa lampiran bateri terbalik, litar penutupan hanya perlu memutuskan sambungan MN1 "pada penghujung". Ia mesti memutuskan sambungan MN1 sebelum MN1 menjadi panas sehingga menyebabkan kerosakan. Masa pemotongan berpuluh-puluh mikrosaat mungkin lebih sesuai. Sebaliknya, adalah penting untuk melumpuhkan MN1 sebelum sambungan terbalik bateri mempunyai peluang untuk menarik pengecas dan memuatkan voltan ke nilai negatif, jadi C1 diperlukan. Pada asasnya, litar mempunyai satu laluan penyahaktifan AC dan satu DC.
Litar ini telah diuji dengan bateri asid plumbum dan pengecas bateri LTC4015. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 5, pengecas bateri berada dalam keadaan OFF apabila bateri dipalam panas ke arah sebaliknya. Voltan terbalik tidak akan dihantar ke pengecas dan beban.
Rajah 5: Litar perlindungan NMOS dengan pengecas dalam keadaan mati
Perlu diingat bahawa MN1 memerlukan V yang sama dengan voltan bateriDS Nilai terkadar dan V sama dengan 1/2 voltan bateriGS Nilai dinilai. MP1 memerlukan V sama dengan voltan bateriDS Dan VGS Nilai dinilai.
Rajah 6 menunjukkan keadaan yang lebih serius, iaitu pengecas bateri sudah beroperasi seperti biasa apabila bateri terbalik bertukar panas. Sambungan terbalik bateri akan menurunkan voltan sisi pengecas sehingga litar pengesanan dan perlindungan tidak dapat beroperasi, membolehkan pengecas kembali dengan selamat ke paras voltan malarnya. Ciri-ciri dinamik akan berbeza-beza dari aplikasi ke aplikasi, dan kapasitansi pada pengecas bateri akan memainkan peranan besar dalam hasil akhir. Dalam ujian ini, pengecas bateri mempunyai kedua-dua kapasitor seramik Q tinggi dan kapasitor polimer Q rendah.
Rajah 6: Litar perlindungan NMOS dengan pengecas sedang beroperasi
Ringkasnya, disyorkan untuk menggunakan polimer aluminium Kapasitor dan kapasitor elektrolitik aluminium pada pengecas bateri untuk meningkatkan prestasi semasa palam panas bateri positif biasa. Disebabkan oleh ketidak-linearan yang melampau, kapasitor seramik tulen akan menghasilkan overshoot yang berlebihan semasa palam panas. Sebab di sebalik ini ialah apabila voltan naik dari 0V kepada voltan undian, kapasitansi berkurangan sebanyak 80%. Ketidak-linearan ini merangsang aliran arus tinggi di bawah keadaan voltan rendah, dan apabila voltan meningkat, kapasitansi berkurangan dengan cepat; ini adalah gabungan maut yang menyebabkan overshoot voltan yang sangat tinggi. Sebagai peraturan, gabungan kapasitor seramik dan kapasitor aluminium stabil voltan Q rendah atau bahkan kapasitor tantalum nampaknya merupakan gabungan yang paling mantap.
Reka bentuk MOSFET saluran P
Rajah 7 menunjukkan kaedah kedua, yang menggunakan transistor PMOS sebagai peranti perlindungan.
Rajah 7: Versi elemen penghantaran transistor PMOS
Dalam litar ini, MP1 ialah peranti pengesan bateri terbalik, dan MP2 ialah peranti pengasingan terbalik. Gunakan voltan sumber-ke-pintu bagi MP1 untuk membandingkan terminal positif bateri dengan output pengecas bateri. Jika voltan terminal pengecas bateri lebih tinggi daripada voltan bateri, MP1 akan menyahaktifkan peranti penghantaran utama MP2. Oleh itu, jika voltan bateri dipacu di bawah tanah, adalah jelas bahawa peranti pengesan MP1 akan memacu peranti penghantaran MP2 ke keadaan mati (mengganggu pintu masuknya ke sumbernya). Tidak kira sama ada pengecas bateri didayakan dan membentuk voltan pengecasan atau dilumpuhkan (0V), ia akan menyelesaikan operasi di atas.
Kelebihan terbesar litar ini ialah transistor pengasingan PMOS MP2 tidak mempunyai kuasa untuk menghantar voltan negatif ke litar pengecas dan beban. Rajah 8 menggambarkan ini dengan lebih jelas.
Rajah 8: Gambar rajah kesan cascode
Voltan terendah yang boleh dicapai pada gerbang MP2 melalui R1 ialah 0V. Walaupun longkang MP2 ditarik jauh di bawah potensi tanah, puncanya tidak akan menggunakan tekanan ke bawah voltan yang ketara. Sebaik sahaja voltan punca jatuh ke V di mana transistor berada di atas tanahTH, Transistor akan melepaskan biasnya sendiri, dan kekonduksiannya akan hilang secara beransur-ansur. Semakin dekat voltan sumber dengan potensi tanah, semakin tinggi tahap pelepasan pincang transistor. Ciri ini, ditambah dengan topologi mudah, menjadikan kaedah ini lebih popular daripada kaedah NMOS yang diterangkan di atas. Berbanding dengan kaedah NMOS, ia mempunyai kelemahan kekonduksian yang lebih rendah dan kos transistor PMOS yang lebih tinggi.
Walaupun lebih mudah daripada kaedah NMOS, litar ini mempunyai kelemahan yang besar. Walaupun ia sentiasa memberikan perlindungan terhadap voltan terbalik, ia mungkin tidak selalu menyambungkan litar ke bateri. Apabila pintu pagar diganding silang seperti yang ditunjukkan dalam rajah, litar membentuk elemen storan terkunci, yang mungkin memilih keadaan yang salah. Walaupun sukar untuk dicapai, terdapat situasi di mana pengecas menjana voltan (contohnya, 12V), dan apabila bateri dipasang pada voltan yang lebih rendah (contohnya, 8V), litar diputuskan.
Dalam kes ini, voltan sumber-ke-pintu bagi MP1 ialah +4V, sekali gus menguatkan MP1 dan menyahaktifkan MP2. Keadaan ini ditunjukkan dalam Rajah 9 dan voltan stabil disenaraikan pada nod.
Rajah 9: Gambar rajah kemungkinan keadaan menyekat apabila menggunakan litar perlindungan PMOS
Untuk mencapai keadaan ini, pengecas mesti sudah berjalan apabila bateri disambungkan. Jika bateri disambungkan sebelum pengecas didayakan, voltan gerbang MP1 ditarik sepenuhnya oleh bateri, sekali gus melumpuhkan MP1. Apabila pengecas dihidupkan, ia menghasilkan arus terkawal (bukannya lonjakan arus tinggi), yang mengurangkan kemungkinan MP1 dihidupkan dan MP2 dimatikan.
Sebaliknya, jika pengecas didayakan sebelum bateri dipasang, gerbang MP1 hanya mengikut output pengecas bateri kerana ia ditarik ke atas oleh bleeder. Perintang R2. Apabila bateri tidak disambungkan, MP1 tidak mempunyai kecenderungan untuk menghidupkan dan menjadikan MP2 tidak dapat beroperasi.
Apabila pengecas hidup dan berjalan, dan bateri dipasang, masalah berlaku. Dalam kes ini, terdapat perbezaan seketika antara output pengecas dan terminal bateri, yang akan menyebabkan MP1 mengeluarkan MP2 daripada operasi, kerana voltan bateri memaksa kapasitor pengecas untuk menyerap. Ini mewujudkan persaingan antara keupayaan MP2 untuk menarik cas daripada kapasitor pengecas dan keupayaan MP1 untuk mengeluarkan MP2 daripada operasi.
Litar ini juga telah diuji dengan bateri asid plumbum dan pengecas bateri LTC4015. Menyambungkan bekalan kuasa 6V yang bermuatan berat sebagai simulator bateri kepada pengecas bateri yang didayakan tidak akan mencetuskan keadaan "terputus sambungan". Ujian yang dilakukan tidak menyeluruh dan harus diuji secara lebih komprehensif dan menyeluruh dalam aplikasi utama. Walaupun litar benar-benar dikunci, melumpuhkan pengecas bateri dan mendayakannya semula akan sentiasa menghasilkan penyambungan semula.
Keadaan kerosakan boleh ditunjukkan dengan memanipulasi litar (mewujudkan sambungan sementara antara bahagian atas R1 dan output pengecas bateri). Walau bagaimanapun, secara amnya dipercayai bahawa litar lebih cenderung untuk disambungkan. Jika kegagalan sambungan menjadi masalah, anda boleh mereka bentuk litar yang menggunakan berbilang peranti untuk melumpuhkan pengecas bateri. Rajah 12 menunjukkan contoh litar yang lebih lengkap.
Rajah 10 menunjukkan kesan litar perlindungan PMOS dengan pengecas dilumpuhkan.
Sila ambil perhatian bahawa tidak kira apa keadaannya, tidak akan ada pemindahan voltan negatif antara pengecas bateri dan voltan beban.
Rajah 11 menunjukkan bahawa litar berada dalam situasi yang tidak menguntungkan "pengecas telah memasuki keadaan operasi apabila bateri disambungkan secara terbalik untuk palam panas".
Kesan litar NMOS adalah hampir sama. Sebelum memutuskan litar untuk menjadikan transistor pemindahan MP2 tidak beroperasi, bateri terbalik menarik sedikit pengecas dan voltan beban ke bawah.
Dalam versi litar ini, transistor MP2 mesti mampu menahan dua kali ganda voltan bateri VDS (Satu untuk pengecas dan satu untuk sambungan terbalik bateri) dan V sama dengan voltan bateriGS. Sebaliknya, MP1 mesti mampu menahan V sama dengan voltan bateriDSDan V iaitu dua kali ganda voltan bateriGS. Keperluan ini dikesali, kerana untuk transistor MOSFET, nilai VDSSentiasa melebihi nilai VGS. Boleh didapati dengan 30V VGS Toleransi dan 40V VDS Transistor toleran sesuai untuk aplikasi bateri asid plumbum. Untuk menyokong bateri voltan yang lebih tinggi, diod Zener dan perintang pengehad arus mesti ditambah untuk mengubah suai litar.
Rajah 12 menunjukkan contoh litar yang boleh mengendalikan dua bateri asid plumbum yang disusun secara bersiri.
Rajah 10: Litar perlindungan PMOS dengan pengecas dalam keadaan mati
Rajah 11: Litar perlindungan PMOS dengan pengecas sedang beroperasi
ADI percaya bahawa maklumat yang diberikannya adalah tepat dan boleh dipercayai. Walau bagaimanapun, ADI tidak bertanggungjawab ke atas penggunaannya dan sebarang pelanggaran paten pihak ketiga atau hak lain yang mungkin terhasil daripada penggunaannya. Spesifikasi tertakluk kepada perubahan tanpa notis. Tiada lesen untuk menggunakan mana-mana paten atau hak paten ADI akan diberikan secara tersirat atau sebaliknya.
Rajah 12: Perlindungan bateri terbalik voltan yang lebih tinggi.
D1, D3 dan R3 melindungi pintu MP2 dan MP3 daripada kerosakan voltan tinggi. Apabila bateri terbalik bertukar panas, D2 boleh menghalang grid MP3 dan output pengecas bateri daripada bergerak pantas di bawah potensi tanah. Apabila litar mempunyai bateri terbalik atau berada dalam keadaan terkunci putus sambungan yang salah, MP1 dan R1 boleh dikesan, dan menggunakan ciri RT yang hilang LTC4015 untuk melumpuhkan pengecas bateri.
Kesimpulannya
Adalah mungkin untuk membangunkan litar perlindungan voltan terbalik untuk aplikasi berasaskan pengecas bateri. Orang ramai telah membangunkan beberapa litar dan menjalankan ujian ringkas, dan keputusan ujian adalah menggalakkan. Tiada helah bijak untuk masalah bateri terbalik, tetapi saya berharap kaedah yang diperkenalkan dalam artikel ini dapat memberikan pencerahan yang mencukupi, iaitu, terdapat penyelesaian yang mudah dan kos rendah.
Steven Martin, pengurus reka bentuk pengecas bateri
pengenalan
Terdapat beberapa kaedah yang terkenal untuk menangani pembalikan voltan bekalan kuasa. Kaedah yang paling jelas ialah menyambungkan diod antara bekalan kuasa dan beban, tetapi disebabkan oleh voltan hadapan diod, pendekatan ini akan menjana penggunaan kuasa tambahan. Walaupun kaedah ini sangat mudah, diod tidak berguna dalam aplikasi mudah alih atau sandaran, kerana bateri mesti menyerap arus semasa mengecas dan membekalkan arus apabila tidak mengecas.
Kaedah lain ialah menggunakan salah satu litar MOSFET yang ditunjukkan dalam Rajah 1.
Rajah 1: Perlindungan terbalik sisi beban tradisional
Untuk litar sisi beban, kaedah ini adalah lebih baik daripada menggunakan diod, kerana voltan bekalan kuasa (bateri) meningkatkan MOSFET, mengakibatkan penurunan voltan yang kurang dan kekonduksian yang jauh lebih tinggi. Versi NMOS litar ini lebih baik daripada versi PMOS kerana transistor NMOS diskret mempunyai kekonduksian yang lebih tinggi, kos yang lebih rendah dan kebolehgunaan yang lebih baik. Dalam kedua-dua litar, MOSFET dihidupkan apabila voltan bateri positif, dan diputuskan apabila voltan bateri diterbalikkan. “Longkang” fizikal MOSFET menjadi sumber kuasa kerana ia mempunyai potensi yang lebih tinggi dalam versi PMOS dan potensi yang lebih rendah dalam versi NMOS. Oleh kerana MOSFET adalah simetri elektrik di kawasan triod, ia boleh mengalirkan arus dengan baik di kedua-dua arah. Apabila menggunakan kaedah ini, transistor mesti mempunyai penarafan VGS dan VDS maksimum lebih tinggi daripada voltan bateri.
Malangnya, kaedah ini hanya berkesan untuk litar sisi beban dan tidak boleh berfungsi dengan litar yang boleh mengecas bateri. Pengecas bateri akan menjana kuasa, mendayakan semula MOSFET dan mewujudkan semula sambungan ke bateri terbalik. Rajah 2 menunjukkan contoh penggunaan versi NMOS. Bateri yang ditunjukkan dalam rajah berada dalam keadaan rosak.
Rajah 2: Litar perlindungan sisi beban dengan pengecas bateri
Apabila bateri disambungkan, pengecas bateri berada dalam keadaan melahu, dan beban dan pengecas bateri dipisahkan dengan selamat daripada bateri terbalik. Walau bagaimanapun, jika pengecas berubah kepada keadaan operasi (contohnya, penyambung kuasa input dipasang), pengecas menjana voltan antara pintu dan punca NMOS, yang meningkatkan NMOS, dengan itu merealisasikan pengaliran semasa. Ini lebih jelas dalam Rajah 3.
Rajah 3: Skim perlindungan bateri terbalik tradisional adalah tidak sah untuk litar pengecas bateri
Walaupun beban dan pengecas diasingkan daripada voltan terbalik, masalah utama yang dihadapi MOSFET pelindung ialah ia menggunakan terlalu banyak kuasa. Dalam kes ini, pengecas bateri menjadi nyahcas bateri. Apabila pengecas bateri menyediakan sokongan pintu yang mencukupi untuk MOSFET menyerap arus yang dihantar oleh pengecas, litar akan mencapai keseimbangan. Contohnya, jika V MOSFET berkuasaTH Kira-kira 2V, dan pengecas boleh memberikan arus di bawah voltan 2V, voltan keluaran pengecas bateri akan stabil pada 2V (saliran MOSFET berada pada voltan 2V + bateri). Pelesapan kuasa dalam MOSFET ialah ICHARGE • (VTH + VBAT), supaya MOSFET menjadi panas dan menjana haba sehingga haba yang dijana hilang dari papan litar bercetak. Perkara yang sama berlaku untuk versi PMOS litar ini.
Dua alternatif kepada kaedah ini akan diperkenalkan di bawah, setiap satunya mempunyai kelebihan dan kekurangan.
Reka bentuk MOSFET saluran N
Penyelesaian pertama menggunakan peranti pengasingan NMOS, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 4.
Algoritma litar ini ialah: Jika voltan bateri melebihi voltan keluaran pengecas bateri, MOSFET pengasingan mesti dilumpuhkan.
Seperti kaedah NMOS yang diterangkan di atas, dalam litar ini, MN1 disambungkan ke sisi voltan rendah pendawaian antara pengecas/beban dan terminal bateri. Walau bagaimanapun, transistor MP1 dan Q1 kini menyediakan litar pengesanan yang akan menyahaktifkan MN1 sekiranya sambungan bateri terbalik. Membalikkan bateri menaikkan sumber MP1 di atas gridnya yang disambungkan ke terminal positif pengecas. Kemudian, longkang MP1 menghantar arus ke pangkal Q1 melalui R1. Kemudian, Q1 mengosongkan pagar MN1 ke tanah, menghalang arus pengecasan daripada mengalir dalam MN1. R1 bertanggungjawab untuk mengawal arus asas yang mengalir ke Q1 semasa pengesanan terbalik, manakala R2 menyediakan bleeder untuk pangkalan Q1 semasa operasi biasa. R3 memberi Q1 kuasa untuk menarik pintu pagar MN1 ke tanah. Pembahagi voltan R3/R4 mengehadkan voltan pada pintu MN1 supaya voltan pintu tidak perlu turun sebanyak itu semasa pertukaran panas bateri terbalik. Kes yang paling teruk ialah apabila pengecas bateri sudah beroperasi, menghasilkan paras voltan malar dan bateri terbalik dipasang. Dalam kes ini, adalah perlu untuk mematikan MN1 secepat mungkin untuk mengehadkan masa apabila kuasa tinggi digunakan. Versi khas litar dengan R3 dan R4 ini paling sesuai untuk aplikasi bateri asid plumbum 12V, tetapi dalam aplikasi voltan rendah seperti produk bateri litium-ion sel tunggal dan dua sel, R4 boleh dikecualikan. Kapasitor C1 menyediakan pam pengecasan ultra pantas untuk menurunkan aras pintu MN1 semasa lampiran bateri terbalik. Untuk kes yang paling teruk (apabila bateri terbalik dipasang, pengecas telah didayakan semula), C1 sangat berguna.
Kelemahan litar ini ialah komponen tambahan diperlukan. Pembahagi voltan R3/R4 mencipta beban kecil tetapi berterusan pada bateri.
Kebanyakan komponen ini adalah nipis. MP1 dan Q1 bukan peranti kuasa, dan biasanya pakej SOT23-3, SC70-3 atau lebih kecil tersedia. MN1 sepatutnya mempunyai kekonduksian yang sangat baik kerana ia adalah peranti penghantaran, tetapi ia tidak perlu bersaiz besar. Oleh kerana ia berfungsi di kawasan triod dalam dan telah dikuatkan dengan banyak oleh pintu masuk, penggunaan kuasanya sangat rendah walaupun untuk peranti dengan kekonduksian sederhana. Sebagai contoh, transistor di bawah 100mΩ selalunya dibungkus dalam SOT23-3.
Rajah 4: Litar bateri terbalik yang boleh dilaksanakan
Walau bagaimanapun, kelemahan menggunakan transistor pas kecil ialah galangan tambahan secara bersiri dengan pengecas bateri memanjangkan masa pengecasan semasa fasa pengecasan voltan malar. Sebagai contoh, jika bateri dan pendawaiannya mempunyai rintangan siri setara 100mΩ, dan transistor pengasingan 100mΩ digunakan, masa pengecasan semasa fasa pengecasan voltan malar akan digandakan.
Litar pengesanan dan penyahaktifan yang terdiri daripada MP1 dan Q1 tidak begitu pantas untuk menyahaktifkan MN1, dan ia tidak perlu begitu. Walaupun MN1 menjana penggunaan kuasa tinggi semasa lampiran bateri terbalik, litar penutupan hanya perlu memutuskan sambungan MN1 "pada penghujung". Ia mesti memutuskan sambungan MN1 sebelum MN1 menjadi panas sehingga menyebabkan kerosakan. Masa pemotongan berpuluh-puluh mikrosaat mungkin lebih sesuai. Sebaliknya, adalah penting untuk melumpuhkan MN1 sebelum sambungan terbalik bateri mempunyai peluang untuk menarik pengecas dan memuatkan voltan ke nilai negatif, jadi C1 diperlukan. Pada asasnya, litar mempunyai satu laluan penyahaktifan AC dan satu DC.
Litar ini telah diuji dengan bateri asid plumbum dan pengecas bateri LTC4015. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 5, pengecas bateri berada dalam keadaan OFF apabila bateri dipalam panas ke arah sebaliknya. Voltan terbalik tidak akan dihantar ke pengecas dan beban.
Rajah 5: Litar perlindungan NMOS dengan pengecas dalam keadaan mati
Perlu diingat bahawa MN1 memerlukan V yang sama dengan voltan bateriDS Nilai terkadar dan V sama dengan 1/2 voltan bateriGS Nilai dinilai. MP1 memerlukan V sama dengan voltan bateriDS Dan VGS Nilai dinilai.
Rajah 6 menunjukkan keadaan yang lebih serius, iaitu pengecas bateri sudah beroperasi seperti biasa apabila bateri terbalik bertukar panas. Sambungan terbalik bateri akan menurunkan voltan pada bahagian pengecas sehingga litar pengesanan dan perlindungan menjadikannya tidak berfungsi, membolehkan pengecas kembali dengan selamat ke paras voltan malarnya. Ciri-ciri dinamik akan berbeza-beza dari aplikasi ke aplikasi, dan kapasitansi pada pengecas bateri akan memainkan peranan besar dalam hasil akhir. Dalam ujian ini, pengecas bateri mempunyai kedua-dua kapasitor seramik Q tinggi dan kapasitor polimer Q rendah.
Rajah 6: Litar perlindungan NMOS dengan pengecas sedang beroperasi
Ringkasnya, adalah disyorkan untuk menggunakan kapasitor polimer aluminium dan kapasitor elektrolitik aluminium pada pengecas bateri untuk meningkatkan prestasi semasa palam panas bateri positif biasa. Disebabkan oleh ketidak-linearan yang melampau, kapasitor seramik tulen akan menghasilkan overshoot yang berlebihan semasa palam panas. Sebab di sebalik ini ialah apabila voltan naik dari 0V kepada voltan undian, kapasitansi berkurangan sebanyak 80%. Ketidak-linearan ini merangsang aliran arus tinggi di bawah keadaan voltan rendah, dan apabila voltan meningkat, kapasitansi berkurangan dengan cepat; ini adalah gabungan maut yang membawa kepada overshoot voltan yang sangat tinggi. Sebagai peraturan, gabungan kapasitor seramik dan kapasitor aluminium stabil voltan Q rendah atau bahkan kapasitor tantalum nampaknya merupakan gabungan yang paling mantap.
Reka bentuk MOSFET saluran P
Rajah 7 menunjukkan kaedah kedua, yang menggunakan transistor PMOS sebagai peranti perlindungan.
Rajah 7: Versi elemen penghantaran transistor PMOS
Dalam litar ini, MP1 ialah peranti pengesan bateri terbalik, dan MP2 ialah peranti pengasingan terbalik. Gunakan voltan sumber-ke-pintu bagi MP1 untuk membandingkan terminal positif bateri dengan output pengecas bateri. Jika voltan terminal pengecas bateri lebih tinggi daripada voltan bateri, MP1 akan menyahaktifkan peranti penghantaran utama MP2. Oleh itu, jika voltan bateri dipacu di bawah tanah, adalah jelas bahawa peranti pengesan MP1 akan memacu peranti penghantaran MP2 ke keadaan mati (mengganggu pintu masuknya ke sumbernya). Tidak kira sama ada pengecas bateri didayakan dan membentuk voltan pengecasan atau dilumpuhkan (0V), ia akan menyelesaikan operasi di atas.
Kelebihan terbesar litar ini ialah transistor pengasingan PMOS MP2 tidak mempunyai kuasa untuk menghantar voltan negatif ke litar pengecas dan beban. Rajah 8 menggambarkan ini dengan lebih jelas.
Rajah 8: Gambar rajah kesan cascode
Voltan terendah yang boleh dicapai pada gerbang MP2 melalui R1 ialah 0V. Walaupun longkang MP2 ditarik jauh di bawah potensi tanah, puncanya tidak akan menggunakan tekanan ke bawah voltan yang ketara. Sebaik sahaja voltan punca jatuh ke V di mana transistor berada di atas tanahTH, Transistor akan melepaskan pincangnya sendiri dan kekonduksiannya akan hilang secara beransur-ansur. Semakin dekat voltan sumber dengan potensi tanah, semakin tinggi tahap pelepasan pincang transistor. Ciri ini, ditambah dengan topologi mudah, menjadikan kaedah ini lebih popular daripada kaedah NMOS yang diterangkan di atas. Berbanding dengan kaedah NMOS, ia mempunyai kelemahan kekonduksian yang lebih rendah dan kos transistor PMOS yang lebih tinggi.
Walaupun lebih mudah daripada kaedah NMOS, litar ini mempunyai kelemahan yang besar. Walaupun ia sentiasa memberikan perlindungan terhadap voltan terbalik, ia mungkin tidak selalu menyambungkan litar ke bateri. Apabila pagar diganding silang seperti yang ditunjukkan, litar membentuk elemen storan berkunci, yang mungkin memilih keadaan yang salah. Walaupun sukar untuk dicapai, terdapat situasi di mana pengecas menjana voltan (contohnya, 12V), dan apabila bateri dipasang pada voltan yang lebih rendah (contohnya, 8V), litar diputuskan.
Dalam kes ini, voltan sumber-ke-pintu bagi MP1 ialah +4V, sekali gus menguatkan MP1 dan menyahaktifkan MP2. Keadaan ini ditunjukkan dalam Rajah 9 dan voltan stabil disenaraikan pada nod.
Rajah 9: Gambar rajah kemungkinan keadaan menyekat apabila menggunakan litar perlindungan PMOS
Untuk mencapai keadaan ini, pengecas mesti sudah berjalan apabila bateri disambungkan. Jika bateri disambungkan sebelum pengecas didayakan, voltan gerbang MP1 ditarik sepenuhnya oleh bateri, sekali gus melumpuhkan MP1. Apabila pengecas dihidupkan, ia menghasilkan arus terkawal (bukannya lonjakan arus tinggi), yang mengurangkan kemungkinan MP1 dihidupkan dan MP2 dimatikan.
Sebaliknya, jika pengecas didayakan sebelum bateri dipasang, pagar MP1 hanya mengikut output pengecas bateri kerana ia ditarik ke atas oleh perintang bleeder R2. Apabila bateri tidak disambungkan, MP1 tidak mempunyai kecenderungan untuk menghidupkan dan menjadikan MP2 tidak dapat beroperasi.
Apabila pengecas hidup dan berjalan, dan bateri dipasang, masalah berlaku. Dalam kes ini, terdapat perbezaan seketika antara output pengecas dan terminal bateri, yang akan menyebabkan MP1 mengeluarkan MP2 daripada operasi, kerana voltan bateri memaksa kapasitor pengecas untuk menyerap. Ini mewujudkan persaingan antara keupayaan MP2 untuk menarik cas daripada kapasitor pengecas dan keupayaan MP1 untuk mengeluarkan MP2 daripada operasi.
Litar ini juga telah diuji dengan bateri asid plumbum dan pengecas bateri LTC4015. Menyambungkan bekalan kuasa 6V yang bermuatan berat sebagai simulator bateri kepada pengecas bateri yang didayakan tidak akan mencetuskan keadaan "terputus sambungan". Ujian yang dilakukan tidak menyeluruh dan harus diuji secara lebih komprehensif dan menyeluruh dalam aplikasi utama. Walaupun litar benar-benar dikunci, melumpuhkan pengecas bateri dan mendayakannya semula akan sentiasa menghasilkan penyambungan semula.
Keadaan kerosakan boleh ditunjukkan dengan memanipulasi litar (mewujudkan sambungan sementara antara bahagian atas R1 dan output pengecas bateri). Walau bagaimanapun, secara amnya dipercayai bahawa litar lebih cenderung untuk disambungkan. Jika kegagalan sambungan menjadi masalah, anda boleh mereka bentuk litar yang menggunakan berbilang peranti untuk melumpuhkan pengecas bateri. Rajah 12 menunjukkan contoh litar yang lebih lengkap.
Rajah 10 menunjukkan kesan litar perlindungan PMOS dengan pengecas dilumpuhkan.
Sila ambil perhatian bahawa tidak kira apa keadaannya, tidak akan ada pemindahan voltan negatif antara pengecas bateri dan voltan beban.
Rajah 11 menunjukkan bahawa litar berada dalam situasi yang tidak menguntungkan "pengecas telah memasuki keadaan operasi apabila bateri disambungkan secara terbalik untuk palam panas."
Kesan litar NMOS adalah hampir sama. Sebelum memutuskan litar untuk menjadikan transistor pemindahan MP2 tidak beroperasi, bateri terbalik menarik sedikit pengecas dan voltan beban ke bawah.
Dalam versi litar ini, transistor MP2 mesti mampu menahan dua kali ganda voltan bateri VDS (Satu untuk pengecas dan satu untuk sambungan terbalik bateri) dan V sama dengan voltan bateriGS. Sebaliknya, MP1 mesti mampu menahan V sama dengan voltan bateriDSDan V iaitu dua kali ganda voltan bateriGS. Keperluan ini dikesali, kerana untuk transistor MOSFET, nilai VDSSentiasa melebihi nilai VGS. Boleh didapati dengan 30V VGS Toleransi dan 40V VDS Transistor toleran sesuai untuk aplikasi bateri asid plumbum. Untuk menyokong bateri voltan yang lebih tinggi, diod Zener dan perintang pengehad arus mesti ditambah untuk mengubah suai litar.
Rajah 12 menunjukkan contoh litar yang boleh mengendalikan dua bateri asid plumbum yang disusun secara bersiri.
Rajah 10: Litar perlindungan PMOS dengan pengecas dalam keadaan mati
Rajah 11: Litar perlindungan PMOS dengan pengecas sedang beroperasi
ADI percaya bahawa maklumat yang diberikannya adalah tepat dan boleh dipercayai. Walau bagaimanapun, ADI tidak bertanggungjawab ke atas penggunaannya dan sebarang pelanggaran paten pihak ketiga atau hak lain yang mungkin terhasil daripada penggunaannya. Spesifikasi tertakluk kepada perubahan tanpa notis. Tiada lesen untuk menggunakan mana-mana paten atau hak paten ADI akan diberikan secara tersirat atau sebaliknya.
Rajah 12: Perlindungan bateri terbalik voltan yang lebih tinggi.
D1, D3 dan R3 melindungi pintu MP2 dan MP3 daripada kerosakan voltan tinggi. Apabila bateri terbalik bertukar panas, D2 boleh menghalang grid MP3 dan output pengecas bateri daripada bergerak pantas di bawah potensi tanah. Apabila litar mempunyai bateri terbalik atau berada dalam keadaan terkunci putus sambungan yang salah, MP1 dan R1 boleh dikesan, dan menggunakan ciri RT yang hilang LTC4015 untuk melumpuhkan pengecas bateri.
Kesimpulannya
Litar perlindungan voltan terbalik untuk aplikasi berasaskan pengecas bateri boleh dibangunkan. Orang ramai telah membangunkan beberapa litar dan menjalankan ujian ringkas, dan keputusan ujian adalah menggalakkan. Tiada helah bijak untuk masalah bateri terbalik, tetapi saya berharap kaedah yang diperkenalkan dalam artikel ini dapat memberikan pencerahan yang mencukupi, iaitu, terdapat penyelesaian yang mudah dan kos rendah.
Pautan: NL6448BC33-59D FS450R12KE3