Omgekeerde spanningsbeveiliging van batterijlader

"Er zijn verschillende bekende methoden om met stroomvoorziening om te gaan: spanning omkering. De meest voor de hand liggende methode is om een ​​diode aan te sluiten tussen de voeding en de belasting, maar door de voorwaartse spanning van de diode zal deze benadering extra stroomverbruik genereren. Hoewel deze methode heel eenvoudig is, is de diode niet nuttig in draagbare of back-uptoepassingen, omdat de batterij stroom moet opnemen tijdens het opladen en stroom moet leveren wanneer niet wordt opgeladen.

"

Steven Martin, ontwerpmanager batterijladers

introductie

Er zijn verschillende bekende methoden voor het omgaan met omkering van de voedingsspanning. De meest voor de hand liggende methode is om een ​​diode aan te sluiten tussen de voeding en de belasting, maar door de voorwaartse spanning van de diode zal deze benadering extra stroomverbruik genereren. Hoewel deze methode heel eenvoudig is, is de diode niet nuttig in draagbare of back-uptoepassingen, omdat de batterij stroom moet opnemen tijdens het opladen en stroom moet leveren wanneer niet wordt opgeladen.

Een andere methode is om een ​​van de mosfet circuits getoond in figuur 1.

Afbeelding 1: Traditionele achteruitbeveiliging aan de laadzijde

Voor circuits aan de belastingzijde is deze methode beter dan het gebruik van diodes, omdat de voedingsspanning (accuspanning) de spanning verhoogt. MOSFET, wat resulteert in minder spanningsval en een aanzienlijk hogere geleiding. De NMOS-versie hiervan circuit is beter dan de PMOS-versie omdat discrete NMOS-transistors een hogere geleidbaarheid, lagere kosten en betere bruikbaarheid hebben. In beide circuits wordt de MOSFET ingeschakeld wanneer de accuspanning positief is, en losgekoppeld wanneer de accuspanning wordt omgekeerd. De fysieke “afvoer” van de MOSFET wordt de stroombron omdat deze een hoger potentieel heeft in de PMOS-versie en een lager potentieel in de NMOS-versie. Sinds mosfets elektrisch symmetrisch zijn in het triodegebied, kunnen ze in beide richtingen goed stroom geleiden. Bij gebruik van deze methode, Transistor moet een maximale VGS- en VDS-classificatie hebben die hoger is dan de batterijspanning.

Helaas is deze methode alleen effectief voor circuits aan de belastingzijde en kan het niet werken met circuits die de batterij kunnen opladen. De batterijlader zal stroom opwekken, de MOSFET opnieuw inschakelen en de verbinding met de omgekeerde batterij herstellen. Figuur 2 toont een voorbeeld van het gebruik van de NMOS-versie. De batterij die in de afbeelding wordt getoond, is in een defecte staat.

Afbeelding 2: Beveiligingscircuit aan de laadzijde met een batterijlader

Wanneer de batterij is aangesloten, bevindt de batterijlader zich in een rusttoestand en zijn de belasting en batterijlader veilig ontkoppeld van de omgekeerde batterij. Als de lader echter in een bedrijfstoestand verandert (er is bijvoorbeeld een ingangsstroomconnector aangesloten), genereert de lader een spanning tussen de poort en de bron van de NMOS, wat de NMOS verbetert, waardoor stroomgeleiding wordt gerealiseerd. Dit is duidelijker in figuur 3.

Afbeelding 3: Het traditionele beschermingsschema voor omgekeerde accu's is ongeldig voor het circuit van de acculader

Hoewel de belasting en oplader zijn geïsoleerd van de sperspanning, is een groot probleem van de beschermende MOSFET dat deze te veel stroom verbruikt. In dit geval wordt de batterijlader een batterijontlader. Wanneer de batterijlader voldoende poortondersteuning biedt voor de MOSFET om de door de lader geleverde stroom te absorberen, zal het circuit een evenwicht bereiken. Als bijvoorbeeld de V van een krachtige MOSFET_TH Ongeveer 2V, en de lader kan stroom leveren onder een spanning van 2V, de uitgangsspanning van de batterijlader zal zich stabiliseren op 2V (de afvoer van de MOSFET is 2V + batterijspanning). De vermogensdissipatie in de MOSFET is I_{IN REKENING BRENGEN} • (V_TH + V_BAT), zodat de MOSFET opwarmt en warmte genereert totdat de gegenereerde warmte wegvloeit van de printplaat. Hetzelfde geldt voor de PMOS-versie van dit circuit.

Hieronder zullen twee alternatieven voor deze methode worden geïntroduceerd, die elk hun voor- en nadelen hebben.

N-kanaal MOSFET-ontwerp

De eerste oplossing maakt gebruik van een NMOS-isolatieapparaat, zoals weergegeven in figuur 4.

Het algoritme van dit circuit is: Als de accuspanning hoger is dan de uitgangsspanning van de acculader, moet de isolatie-MOSFET worden uitgeschakeld.

Net als bij de hierboven beschreven NMOS-methode, wordt MN1 in dit circuit aangesloten op de laagspanningszijde van de bedrading tussen de lader/belasting en de accupolen. De transistoren MP1 en Q1 bieden nu echter een detectiecircuit dat MN1 zal deactiveren in het geval van een omgekeerde batterijverbinding. Door de batterij om te draaien, komt de bron van MP1 boven het elektriciteitsnet dat is aangesloten op de positieve pool van de lader. Vervolgens levert de afvoer van MP1 stroom aan de basis van Q1 via R1. Vervolgens shunt Q1 de poort van MN1 naar aarde, waardoor wordt voorkomen dat er laadstroom in MN1 vloeit. R1 is verantwoordelijk voor het regelen van de basisstroom die naar Q1 vloeit tijdens omgekeerde detectie, terwijl R2 zorgt voor ontluchting voor de basis van Q1 tijdens normaal bedrijf. R3 geeft Q1 de bevoegdheid om de poort van MN1 naar aarde te trekken. De R3/R4-spanningsdeler begrenst de spanning op de gate van MN1, zodat de gate-spanning niet zo veel hoeft te dalen tijdens het hot swappen van de batterij. Het ergste geval doet zich voor als de acculader al in werking is en een constant spanningsniveau produceert, en er een omgekeerde accu is aangesloten. In dit geval is het noodzakelijk om MN1 zo snel mogelijk uit te schakelen om de tijd te beperken waarin veel stroom wordt verbruikt. Deze speciale versie van het circuit met R3 en R4 is het meest geschikt voor 12V-loodzuuraccutoepassingen, maar bij toepassingen met een lagere spanning, zoals eencellige en tweecellige lithium-ionbatterijproducten, kan R4 worden vrijgesteld. Condensator C1 biedt een ultrasnelle laadpomp om het poortniveau van MN1 naar beneden te halen tijdens omgekeerde batterijbevestiging. Voor het ergste geval (wanneer er een omgekeerde accu is aangesloten, is de lader weer ingeschakeld) is C1 erg handig.

Het nadeel van deze schakeling is dat extra componenten nodig. De R3/R4 spanningsdeler zorgt voor een kleine maar continue belasting van de accu.

De meeste van deze componenten zijn slank. MP1 en Q1 zijn geen stroomapparaten en meestal zijn SOT23-3, SC70-3 of kleinere pakketten beschikbaar. MN1 moet een zeer goede geleiding hebben, omdat het een transmissieapparaat is, maar de maat hoeft niet groot te zijn. Omdat het in het diepe triodegebied werkt en door de poort enorm is versterkt, is het stroomverbruik zeer laag, zelfs voor apparaten met een gemiddelde geleidbaarheid. Transistoren onder de 100 mΩ worden bijvoorbeeld vaak verpakt in SOT23-3.

Figuur 4: Een haalbaar omgekeerd batterijcircuit

Het nadeel van het gebruik van een kleine pas Transistor is dat de extra impedantie in serie met de acculader de laadtijd verlengt tijdens de laadfase met constante spanning. Als de batterij en de bedrading bijvoorbeeld een equivalente serieweerstand van 100 mΩ hebben en een isolatietransistor van 100 mΩ wordt gebruikt, wordt de oplaadtijd tijdens de oplaadfase met constante spanning verdubbeld.

Het detectie- en deactiveringscircuit bestaande uit MP1 en Q1 is niet bijzonder snel om MN1 te deactiveren, en dat hoeft ook niet. Hoewel MN1 een hoog stroomverbruik genereert tijdens omgekeerde batterijbevestiging, hoeft het uitschakelcircuit alleen MN1 "aan het einde" los te koppelen. Het moet MN1 loskoppelen voordat MN1 zo warm wordt dat het schade veroorzaakt. Een ontkoppelingstijd van tientallen microseconden kan geschikter zijn. Aan de andere kant is het van cruciaal belang om MN1 uit te schakelen voordat de omgekeerde aansluiting van de batterij de mogelijkheid heeft om de lader te trekken en de spanning naar een negatieve waarde te laden, dus C1 is vereist. In principe heeft het circuit één AC- en één DC-deactiveringspad.

Deze schakeling is getest met een loodzuuraccu en LTC4015 acculader. Zoals weergegeven in afbeelding 5, staat de batterijlader in de UIT-stand wanneer de batterij in omgekeerde richting heet aangesloten is. De sperspanning wordt niet doorgegeven aan de oplader en laadt.

Afbeelding 5: NMOS-beveiligingscircuit met de oplader in de uit-stand

Het is vermeldenswaard dat MN1 een V nodig heeft die gelijk is aan de batterijspanning_DS Nominale waarde en een V gelijk aan 1/2 batterijspanning_GS Nominale waarde. MP1 heeft een V nodig die gelijk is aan de batterijspanning_DS en V_GS Nominale waarde.

Afbeelding 6 toont een ernstiger situatie, dat wil zeggen, de batterijlader is al in normaal bedrijf wanneer de omgekeerde batterij hot-swapped is. Omgekeerde aansluiting van de batterij zal de spanning aan de kant van de lader omlaag trekken totdat het detectie- en beschermingscircuit het buiten werking stelt, waardoor de lader veilig kan terugkeren naar zijn constante spanningsniveau. De dynamische eigenschappen zullen van toepassing tot toepassing verschillen en de capaciteit op de acculader zal een grote rol spelen in het uiteindelijke resultaat. In deze test heeft de batterijlader zowel een keramische condensator met een hoge Q als een polymeercondensator met een lage Q.

Afbeelding 6: NMOS-beveiligingscircuit met de lader in werking

Kortom, het wordt aanbevolen om aluminiumpolymeer te gebruiken Condensatoren en aluminium elektrolytische condensatoren op de batterijlader om de prestaties te verbeteren tijdens normale positieve hot-plugging van de batterij. Vanwege de extreme niet-lineariteit zullen pure keramische condensatoren overmatige overshoot produceren tijdens hot plugging. De reden hierachter is dat wanneer de spanning stijgt van 0V naar de nominale spanning, de capaciteit met maar liefst 80% afneemt. Deze niet-lineariteit stimuleert de stroom van hoge stroom onder lage spanningsomstandigheden, en wanneer de spanning stijgt, neemt de capaciteit snel af; dit is een dodelijke combinatie die een zeer hoge spanningsovershoot veroorzaakt. Als vuistregel lijkt de combinatie van een keramische condensator en een low-Q, spanningsstabiele aluminium condensator of zelfs een tantaalcondensator de meest robuuste combinatie.

P-kanaal MOSFET-ontwerp

Figuur 7 toont de tweede methode, die een PMOS-transistor als beveiligingsapparaat gebruikt.

Afbeelding 7: Versie PMOS-transistortransmissie-element

In dit circuit is MP1 een apparaat voor het detecteren van omgekeerde batterijen en MP2 is een apparaat voor omgekeerde isolatie. Gebruik de source-to-gate spanning van MP1 om de positieve pool van de batterij te vergelijken met de output van de batterijlader. Als de klemspanning van de acculader hoger is dan de accuspanning, zal MP1 het hoofdtransmissieapparaat MP2 deactiveren. Daarom, als de batterijspanning ondergronds wordt aangedreven, is het duidelijk dat de detectie-inrichting MP1 de transmissie-inrichting MP2 naar de uit-toestand zal sturen (waarbij de poort naar zijn bron wordt verstoord). Ongeacht of de acculader is ingeschakeld en een laadspanning vormt of is uitgeschakeld (0V), het zal de bovenstaande bewerkingen voltooien.

Het grootste voordeel van dit circuit is dat de PMOS-isolatietransistor MP2 niet de bevoegdheid heeft om de negatieve spanning naar het laadcircuit en de belasting te sturen. Figuur 8 illustreert dit duidelijker.

Afbeelding 8: Diagram van cascode-effect

De laagste spanning die kan worden bereikt op de poort van MP2 via R1 is 0V. Zelfs als de afvoer van MP2 ver onder het aardpotentiaal wordt getrokken, zal de bron geen significante neerwaartse spanningsdruk uitoefenen. Zodra de bronspanning daalt tot V waar de transistor zich boven de grond bevindt,_TH, De transistor zal zijn eigen voorspanning vrijgeven en zijn geleidbaarheid zal geleidelijk verdwijnen. Hoe dichter de bronspanning bij het aardpotentiaal ligt, hoe hoger de mate van voorspanningsvrijgave van de transistor. Deze functie, in combinatie met de eenvoudige topologie, maakt deze methode populairder dan de hierboven beschreven NMOS-methode. Vergeleken met de NMOS-methode heeft het de nadelen van een lagere geleidbaarheid en hogere kosten van PMOS-transistoren.

Hoewel eenvoudiger dan de NMOS-methode, heeft deze schakeling een groot nadeel. Hoewel het altijd bescherming biedt tegen sperspanning, is het mogelijk dat het circuit niet altijd op de batterij wordt aangesloten. Wanneer de poort kruislings is gekoppeld, zoals weergegeven in de figuur, vormt de schakeling een vergrendeld opslagelement, dat de verkeerde toestand kan kiezen. Hoewel het moeilijk te bereiken is, is er een situatie waarin de lader een spanning genereert (bijvoorbeeld 12V), en wanneer een batterij wordt aangesloten op een lagere spanning (bijvoorbeeld 8V), wordt het circuit losgekoppeld.

In dit geval is de source-to-gate-spanning van MP1 +4V, waardoor MP1 wordt versterkt en MP2 wordt gedeactiveerd. Deze situatie wordt getoond in figuur 9 en een stabiele spanning wordt vermeld op het knooppunt.

Afbeelding 9: Schema van mogelijke blokkeringstoestanden bij gebruik van het PMOS-beveiligingscircuit

Om deze toestand te bereiken, moet de lader al werken wanneer de batterij is aangesloten. Als de batterij wordt aangesloten voordat de lader is ingeschakeld, wordt de poortspanning van MP1 volledig door de batterij omhoog getrokken, waardoor MP1 wordt uitgeschakeld. Wanneer de lader is ingeschakeld, genereert deze een gecontroleerde stroom (in plaats van een hoge stroomstoot), waardoor de kans kleiner wordt dat MP1 wordt ingeschakeld en MP2 wordt uitgeschakeld.

Aan de andere kant, als de lader is ingeschakeld voordat de batterij is aangesloten, volgt de poort van MP1 eenvoudig de uitvoer van de batterijlader omdat deze door de ontluchter omhoog wordt getrokken Weerstand R2. Wanneer de batterij niet is aangesloten, heeft MP1 niet de neiging om in te schakelen en MP2 buiten werking te stellen.

Wanneer de oplader actief is en de batterij is aangesloten, treedt er een probleem op. In dit geval is er een kortstondig verschil tussen de uitgang van de lader en de accupolen, waardoor MP1 de MP2 buiten werking zal stellen, omdat de accuspanning de ladercondensator dwingt te absorberen. Dit creëert een competitie tussen het vermogen van MP2 om lading te halen uit de oplaadcondensator en het vermogen van MP1 om MP2 buiten werking te stellen.

De schakeling is ook getest met een loodzuuraccu en LTC4015-acculader. Het aansluiten van een zwaarbelaste 6V-voeding als batterijsimulator op een ingeschakelde batterijlader zal nooit de "losgekoppelde" toestand activeren. De uitgevoerde tests zijn niet alomvattend en moeten uitgebreider en grondiger worden getest in belangrijke toepassingen. Zelfs als het circuit inderdaad vergrendeld is, zal het uitschakelen en opnieuw inschakelen van de batterijlader altijd resulteren in een herverbinding.

De foutstatus kan worden aangetoond door het circuit te manipuleren (een tijdelijke verbinding tot stand brengen tussen de bovenkant van R1 en de uitgang van de batterijlader). Er wordt echter algemeen aangenomen dat het circuit meer geneigd is om te worden aangesloten. Als een verbindingsfout een probleem wordt, kunt u een circuit ontwerpen dat meerdere apparaten gebruikt om de batterijlader uit te schakelen. Afbeelding 12 toont een vollediger circuitvoorbeeld.

Afbeelding 10 toont het effect van het PMOS-beveiligingscircuit met de oplader uitgeschakeld.

Houd er rekening mee dat, ongeacht de situatie, er geen negatieve spanningsoverdracht zal zijn tussen de acculader en de laadspanning.

Figuur 11 laat zien dat het circuit zich in de ongunstige situatie bevindt van "de lader is in de bedrijfstoestand gekomen wanneer de batterij omgekeerd is aangesloten voor hot plugging".
Het effect van het NMOS-circuit is bijna hetzelfde. Alvorens het circuit los te koppelen om de overdrachttransistor MP2 buiten bedrijf te stellen, trekt de omgekeerde batterij de lader en laadt de spanning iets naar beneden.

In deze versie van het circuit moet de transistor MP2 twee keer de spanning van de batterij V . kunnen weerstaan_DS (Een voor de oplader en een voor de omgekeerde aansluiting van de batterij) en V gelijk aan de batterijspanning_GS. Aan de andere kant moet MP1 bestand zijn tegen V gelijk aan de batterijspanning_DSEn V, wat tweemaal de batterijspanning is_GS. Deze vereiste is betreurenswaardig, omdat voor MOSFET-transistoren de nominale V_DSOverschrijd altijd de nominale V_GS. Te vinden met 30V V_GS Tolerantie en 40V V_DS Tolerante transistoren zijn geschikt voor toepassingen met loodzuuraccu's. Om batterijen met een hogere spanning te ondersteunen, moeten zenerdiodes en stroombeperkende weerstanden worden toegevoegd om het circuit te wijzigen.

Afbeelding 12 toont een voorbeeld van een circuit dat twee in serie gestapelde loodzuurbatterijen aankan.

Afbeelding 10: PMOS-beveiligingscircuit met de oplader in de uit-stand

Afbeelding 11: PMOS-beveiligingscircuit met de lader in werking

ADI is van mening dat de door haar verstrekte informatie juist en betrouwbaar is. ADI is echter niet verantwoordelijk voor het gebruik ervan en voor enige inbreuk op octrooien van derden of andere rechten die uit het gebruik kunnen voortvloeien. Specificaties kunnen zonder voorafgaande kennisgeving worden gewijzigd. Er wordt geen licentie verleend voor het gebruik van octrooien of octrooirechten van ADI, impliciet of anderszins.

Afbeelding 12: Hogere spanning omgekeerde batterijbescherming.

D1, D3 en R3 beschermen de poorten van MP2 en MP3 tegen schade door hoogspanning. Wanneer een omgekeerde batterij hot-swapped wordt, kan D2 voorkomen dat het MP3-raster en de batterijladeruitgang snel onder het aardpotentieel komen. Wanneer het circuit een omgekeerde batterij heeft of zich in een verkeerde ontkoppelingsblokkeringsstatus bevindt, kunnen MP1 en R1 worden gedetecteerd en de ontbrekende RT-functie van LTC4015 gebruiken om de batterijlader uit te schakelen.

tot slot

Het is mogelijk om een ​​sperspanningsbeveiligingscircuit te ontwikkelen voor op acculaders gebaseerde toepassingen. Mensen hebben een aantal circuits ontwikkeld en korte tests uitgevoerd, en de testresultaten zijn bemoedigend. Er is geen slimme truc voor het probleem van de omgekeerde batterij, maar ik hoop dat de methode die in dit artikel wordt geïntroduceerd voldoende verlichting kan bieden, dat wil zeggen dat er een eenvoudige, goedkope oplossing is.