Есть несколько известных методов борьбы с блоком питания. напряжение разворот. Самый очевидный метод - подключить диод между источником питания и нагрузкой, но из-за прямого напряжения диода этот подход приведет к дополнительному потреблению энергии. Хотя этот метод очень прост, диод бесполезен в портативных или резервных приложениях, потому что аккумулятор должен поглощать ток при зарядке и подавать ток, когда он не заряжается.
Стивен Мартин, менеджер по дизайну зарядных устройств
введение
Существует несколько хорошо известных методов решения проблемы изменения напряжения источника питания. Самый очевидный метод - подключить диод между источником питания и нагрузкой, но из-за прямого напряжения диода этот подход приведет к дополнительному потреблению энергии. Хотя этот метод очень прост, диод бесполезен в портативных или резервных приложениях, потому что аккумулятор должен поглощать ток при зарядке и подавать ток, когда он не заряжается.
Другой метод - использовать один из MOSFET схемы, показанные на рисунке 1.
Рисунок 1: Традиционная обратная защита на стороне нагрузки
Для цепей со стороны нагрузки этот метод лучше, чем использование диодов, поскольку напряжение источника питания (аккумулятора) повышает МОП-транзистор, что приводит к меньшему падению напряжения и существенно более высокой проводимости. Версия NMOS этого схема лучше, чем версия PMOS, потому что дискретные транзисторы NMOS имеют более высокую проводимость, более низкую стоимость и лучшее удобство использования. В обеих схемах полевой МОП-транзистор включается, когда напряжение батареи положительное, и отключается, когда напряжение батареи меняется на противоположное. Физический «сток» полевого МОП-транзистора становится источником питания, потому что он имеет более высокий потенциал в версии PMOS и более низкий потенциал в версии NMOS. С МОП-транзисторы электрически симметричны в области триода, они могут хорошо проводить ток в обоих направлениях. При использовании этого метода Транзистор должны иметь максимальные значения VGS и VDS, превышающие напряжение аккумулятора.
К сожалению, этот метод эффективен только для цепей на стороне нагрузки и не может работать с цепями, которые могут заряжать аккумулятор. Зарядное устройство вырабатывает энергию, повторно активирует полевой МОП-транзистор и восстанавливает соединение с обратной батареей. На рисунке 2 показан пример использования версии NMOS. Батарея, показанная на рисунке, находится в неисправном состоянии.
Рисунок 2: Схема защиты со стороны нагрузки с помощью зарядного устройства
Когда аккумулятор подключен, зарядное устройство находится в режиме ожидания, а нагрузка и зарядное устройство надежно отсоединены от задней аккумуляторной батареи. Однако, если зарядное устройство переходит в рабочее состояние (например, подключается входной силовой разъем), зарядное устройство генерирует напряжение между затвором и истоком NMOS, которое усиливает NMOS, тем самым реализуя токопроводимость. Это более наглядно на Рисунке 3.
Рисунок 3: Традиционная схема обратной защиты аккумулятора не подходит для схемы зарядного устройства.
Хотя нагрузка и зарядное устройство изолированы от обратного напряжения, основная проблема, с которой сталкивается защитный полевой МОП-транзистор, заключается в том, что он потребляет слишком много энергии. В этом случае зарядное устройство становится разрядным устройством. Когда зарядное устройство обеспечивает достаточную опору затвора для полевого МОП-транзистора, чтобы поглощать ток, подаваемый зарядным устройством, схема достигает равновесия. Например, если V мощного полевого МОП-транзистораTH Около 2 В, и зарядное устройство может обеспечивать ток ниже 2 В, выходное напряжение зарядного устройства стабилизируется на уровне 2 В (сток полевого МОП-транзистора находится на уровне 2 В + напряжение аккумулятора). Рассеиваемая мощность в полевом МОП-транзисторе составляет IЗАРЯД • (ВTH + VНИМ), так что полевой МОП-транзистор нагревается и выделяет тепло до тех пор, пока выделяемое тепло не рассеивается от печатной платы. То же самое верно и для версии этой схемы с PMOS.
Ниже будут представлены две альтернативы этому методу, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки.
N-канальный MOSFET дизайн
В первом решении используется изолирующее устройство NMOS, как показано на рисунке 4.
Алгоритм этой схемы следующий: если напряжение батареи превышает выходное напряжение зарядного устройства, изолирующий полевой МОП-транзистор должен быть отключен.
Как и в описанном выше методе NMOS, в этой схеме MN1 подключен к низковольтной стороне проводки между зарядным устройством/нагрузкой и клеммами аккумулятора. Однако транзисторы MP1 и Q1 теперь имеют схему обнаружения, которая отключит MN1 в случае обратного подключения батареи. При переворачивании батареи источник MP1 поднимается над сеткой, подключенной к положительной клемме зарядного устройства. Затем сток MP1 подает ток на базу Q1 через R1. Затем Q1 шунтирует затвор MN1 на землю, предотвращая протекание зарядного тока в MN1. R1 отвечает за управление током базы, поступающим на Q1 во время обратного обнаружения, а R2 обеспечивает отвод тока базы Q1 во время нормальной работы. R3 дает Q1 право заземлить затвор MN1. Делитель напряжения R3/R4 ограничивает напряжение на затворе MN1, так что напряжение затвора не должно сильно падать во время обратной горячей замены батареи. Худший случай — когда зарядное устройство аккумулятора уже работает, выдавая напряжение постоянного уровня, и подключен реверсивный аккумулятор. В этом случае необходимо как можно быстрее отключить МН1, чтобы ограничить время потребления большой мощности. Эта специальная версия схемы с R3 и R4 наиболее подходит для свинцово-кислотных аккумуляторов напряжением 12 В, но в приложениях с более низким напряжением, таких как одно- и двухэлементные литий-ионные аккумуляторы, R4 может быть исключен. Конденсатор C1 обеспечивает сверхбыструю подкачку заряда для понижения уровня затвора MN1 во время обратного подключения батареи. В худшем случае (при подключении обратной батареи зарядное устройство снова включилось) C1 очень полезен.
Недостатком этой схемы является то, что дополнительные компоненты являются обязательными. Делитель напряжения R3 / R4 создает небольшую, но постоянную нагрузку на аккумулятор.
Большинство этих компонентов тонкие. MP1 и Q1 не являются силовыми устройствами, и обычно доступны корпуса SOT23-3, SC70-3 или меньшего размера. MN1 должен иметь очень хорошую проводимость, потому что это передающее устройство, но размер не обязательно должен быть большим. Поскольку он работает в области глубокого триода и значительно усилен затвором, его энергопотребление очень низкое даже для устройств со средней проводимостью. Например, транзисторы ниже 100 мОм часто упаковываются в SOT23-3.
Рисунок 4: Возможная обратная схема батареи
Однако недостатком использования малого прохода Транзистор состоит в том, что дополнительный импеданс, включенный последовательно с зарядным устройством, увеличивает время зарядки во время фазы зарядки с постоянным напряжением. Например, если батарея и ее проводка имеют эквивалентное последовательное сопротивление 100 мОм и используется изолирующий транзистор 100 мОм, время зарядки во время фазы зарядки постоянным напряжением будет удвоено.
Схема обнаружения и деактивации, состоящая из MP1 и Q1, не особенно быстро дезактивирует MN1, и в этом нет необходимости. Хотя MN1 генерирует высокое энергопотребление при обратном подключении батареи, схема отключения должна только отключить MN1 «в конце». Он должен отключить MN1 до того, как MN1 нагреется настолько, что приведет к повреждению. Время отключения в десятки микросекунд может быть более подходящим. С другой стороны, очень важно отключить MN1 до того, как обратное соединение аккумулятора даст возможность подтянуть зарядное устройство и напряжение нагрузки к отрицательному значению, поэтому требуется C1. В основном, схема имеет один путь деактивации переменного тока и один постоянный ток.
Эта схема была протестирована со свинцово-кислотным аккумулятором и зарядным устройством LTC4015. Как показано на Рисунке 5, зарядное устройство находится в выключенном состоянии, когда батарея подключается к «горячей» замене в обратном направлении. Обратное напряжение не передается на зарядное устройство и нагрузку.
Рисунок 5: Схема защиты NMOS с зарядным устройством в выключенном состоянии
Стоит отметить, что для MN1 требуется напряжение V, равное напряжению батареи.DS Номинальное значение и В, равное 1/2 напряжения аккумуляторной батареи.GS Номинальное значение. MP1 необходим V, равный напряжению батареи.DS И VGS Номинальное значение.
На рис. 6 показана более серьезная ситуация, то есть зарядное устройство уже находится в нормальном режиме работы, когда обратная батарея заменена в горячем режиме. Обратное подключение батареи снизит напряжение на стороне зарядного устройства до тех пор, пока схема обнаружения и защиты не выйдет из строя, позволяя зарядному устройству безопасно вернуться к своему постоянному уровню напряжения. Динамические характеристики будут варьироваться от приложения к приложению, и емкость зарядного устройства будет играть большую роль в конечном результате. В этом тесте зарядное устройство имеет как керамический конденсатор с высокой добротностью, так и полимерный конденсатор с низкой добротностью.
Рисунок 6: Схема защиты NMOS при работающем зарядном устройстве
Одним словом, рекомендуется использовать алюминиевый полимер. Конденсаторы и алюминиевые электролитические конденсаторы на зарядном устройстве для улучшения характеристик при нормальном «горячем» подключении положительной батареи. Из-за крайней нелинейности чистые керамические конденсаторы будут вызывать чрезмерный выброс во время горячего подключения. Причина этого в том, что когда напряжение повышается от 0 В до номинального, емкость уменьшается на поразительные 80%. Эта нелинейность стимулирует протекание сильного тока в условиях низкого напряжения, и когда напряжение растет, емкость быстро уменьшается; это смертельная комбинация, вызывающая выброс очень высокого напряжения. Как показывает опыт, комбинация керамического конденсатора и низкодобротного, стабильного по напряжению алюминиевого конденсатора или даже танталового конденсатора кажется наиболее надежной комбинацией.
Конструкция P-канального MOSFET
На рисунке 7 показан второй метод, в котором в качестве защитного устройства используется транзистор PMOS.
Рисунок 7: Вариант передающего элемента на PMOS-транзисторе
В этой схеме MP1 - это устройство обнаружения обратной батареи, а MP2 - устройство обратной развязки. Используйте напряжение между источником и затвором MP1, чтобы сравнить положительный полюс батареи с выходом зарядного устройства. Если напряжение на клеммах зарядного устройства аккумулятора выше, чем напряжение аккумулятора, MP1 деактивирует главное передающее устройство MP2. Следовательно, если напряжение батареи подается ниже уровня земли, ясно, что устройство MP1 обнаружения переведет передающее устройство MP2 в выключенное состояние (создавая помехи его затвору источнику). Независимо от того, включено ли зарядное устройство аккумулятора и формирует напряжение зарядки или отключено (0 В), оно выполнит указанные выше операции.
Самым большим преимуществом этой схемы является то, что изолирующий транзистор MP2 PMOS не имеет права передавать отрицательное напряжение на схему зарядного устройства и нагрузку. Рисунок 8 иллюстрирует это более четко.
Рисунок 8: Диаграмма эффекта каскода
Наименьшее напряжение, которое может быть достигнуто на затворе MP2 через R1, составляет 0 В. Даже если сток MP2 опущен намного ниже потенциала земли, его исток не будет прикладывать значительного давления вниз. Как только напряжение источника упадет до V, когда транзистор находится над землейTH, Транзистор освободит собственное смещение, и его проводимость постепенно исчезнет. Чем ближе напряжение источника к потенциалу земли, тем выше степень смещения транзистора. Эта особенность в сочетании с простой топологией делает этот метод более популярным, чем метод NMOS, описанный выше. По сравнению с методом NMOS, он имеет недостатки, заключающиеся в более низкой проводимости и более высокой стоимости транзисторов PMOS.
Хотя эта схема проще, чем метод NMOS, она имеет большой недостаток. Хотя он всегда обеспечивает защиту от обратного напряжения, он не всегда может подключать цепь к батарее. Когда затвор перекрестно связан, как показано на рисунке, схема образует запоминающий элемент с защелкой, который может выбрать неправильное состояние. Хотя этого трудно добиться, существует ситуация, когда зарядное устройство вырабатывает напряжение (например, 12 В), и когда аккумулятор подключается с более низким напряжением (например, 8 В), цепь отключается.
В этом случае напряжение между истоком и затвором MP1 составляет +4 В, таким образом усиливая MP1 и деактивируя MP2. Эта ситуация показана на рисунке 9, и на узле указано стабильное напряжение.
Рисунок 9: Схема возможных состояний блокировки при использовании схемы защиты PMOS
Для достижения этого состояния зарядное устройство должно уже работать, когда аккумулятор подключен. Если аккумулятор подключен до включения зарядного устройства, напряжение затвора MP1 полностью поднимается аккумулятором, таким образом отключая MP1. Когда зарядное устройство включено, оно генерирует контролируемый ток (а не сильные выбросы тока), что снижает вероятность включения MP1 и выключения MP2.
С другой стороны, если зарядное устройство включается до того, как аккумулятор прикреплен, затвор MP1 просто следует за выходом зарядного устройства аккумулятора, потому что он подтягивается воздухоотводчиком. резистор R2. Когда аккумулятор не подключен, MP1 не имеет тенденции включаться и выводить MP2 из строя.
Когда зарядное устройство включено и работает, а аккумулятор прикреплен, возникает проблема. В этом случае существует кратковременная разница между выходом зарядного устройства и клеммами аккумулятора, из-за чего MP1 выводит MP2 из строя, потому что напряжение аккумулятора заставляет конденсатор зарядного устройства поглощать заряд. Это создает конкуренцию между способностью MP2 получать заряд от конденсатора зарядного устройства и способностью MP1 выводить MP2 из строя.
Схема также была протестирована со свинцово-кислотным аккумулятором и зарядным устройством LTC4015. Подключение высоконагруженного источника питания 6 В в качестве имитатора батареи к включенному зарядному устройству никогда не вызовет состояние «отключено». Проведенные тесты не являются исчерпывающими и должны быть протестированы более всесторонне и тщательно в ключевых приложениях. Даже если цепь действительно заблокирована, отключение зарядного устройства аккумулятора и его повторное включение всегда приведет к повторному подключению.
Состояние неисправности можно продемонстрировать, управляя схемой (установив временное соединение между верхним концом R1 и выходом зарядного устройства). Однако обычно считается, что схема более склонна к подключению. Если сбой подключения действительно становится проблемой, вы можете разработать схему, которая использует несколько устройств для отключения зарядного устройства. На рисунке 12 показан более полный пример схемы.
На рисунке 10 показано действие схемы защиты PMOS при отключенном зарядном устройстве.
Обратите внимание, что независимо от ситуации, отрицательной передачи напряжения между зарядным устройством аккумулятора и напряжением нагрузки не будет.
На рисунке 11 показано, что схема находится в неблагоприятной ситуации: «зарядное устройство перешло в рабочее состояние, когда аккумуляторная батарея подключена обратно для горячего подключения».
Эффект от схемы NMOS почти такой же. Перед отключением цепи, чтобы вывести из строя передаточный транзистор MP2, обратная батарея немного сбрасывает напряжение зарядного устройства и нагрузки.
В этом варианте схемы транзистор МР2 должен выдерживать удвоенное напряжение батареи В.DS (Один для зарядного устройства и один для обратного подключения аккумулятора) и V равняется напряжению аккумулятора.GS. С другой стороны, MP1 должен выдерживать напряжение V, равное напряжению батареи.DSИ V, что в два раза больше напряжения батареиGS. Это требование вызывает сожаление, потому что для MOSFET-транзисторов номинальное значение VDSВсегда превышать номинальное значение VGS. Может быть найдено с 30V VGS Допуск и 40 В ВDS Терпимые транзисторы подходят для свинцово-кислотных аккумуляторов. Для поддержки аккумуляторов с более высоким напряжением необходимо добавить стабилитроны и токоограничивающие резисторы для модификации схемы.
На рисунке 12 показан пример схемы, которая может работать с двумя последовательно соединенными свинцово-кислотными батареями.
Рисунок 10: Схема защиты PMOS с зарядным устройством в выключенном состоянии
Рисунок 11: Схема защиты PMOS при работающем зарядном устройстве
ADI считает, что предоставляемая информация является точной и надежной. Однако ADI не несет ответственности за его использование и любое нарушение патентов третьих лиц или других прав, которые могут возникнуть в результате его использования. Технические характеристики могут быть изменены без предварительного уведомления. Никакая лицензия на использование каких-либо патентов или патентных прав ADI не может быть предоставлена косвенно или иным образом.
Рисунок 12: Защита от обратного тока более высокого напряжения.
D1, D3 и R3 защищают ворота MP2 и MP3 от повреждения высоким напряжением. Когда перевернутая батарея заменяется в горячем режиме, D2 может предотвратить быстрое опускание сети MP3 и выходного напряжения зарядного устройства ниже потенциала земли. Когда схема имеет обратную батарею или находится в состоянии блокировки неправильного отключения, MP1 и R1 могут быть обнаружены и использовать отсутствующую функцию RT LTC4015 для отключения зарядного устройства батареи.
в заключение
Можно разработать схему защиты от обратного напряжения для приложений на базе зарядного устройства. Люди разработали несколько схем и провели краткие тесты, и результаты испытаний обнадеживают. Не существует хитроумного трюка для решения обратной проблемы с батареей, но я надеюсь, что метод, представленный в этой статье, может обеспечить достаточное понимание, то есть есть простое и недорогое решение.
Стивен Мартин, менеджер по дизайну зарядного устройства
введение
Существует несколько хорошо известных методов решения проблемы изменения напряжения источника питания. Самый очевидный метод - подключить диод между источником питания и нагрузкой, но из-за прямого напряжения диода этот подход приведет к дополнительному потреблению энергии. Хотя этот метод очень прост, диод бесполезен в портативных или резервных приложениях, потому что аккумулятор должен поглощать ток при зарядке и подавать ток, когда он не заряжается.
Другой метод - использовать одну из схем MOSFET, показанных на рисунке 1.
Рисунок 1: Традиционная обратная защита на стороне нагрузки
Для схем на стороне нагрузки этот метод лучше, чем использование диодов, потому что напряжение источника питания (батареи) увеличивает MOSFET, что приводит к меньшему падению напряжения и значительно более высокой проводимости. Версия этой схемы NMOS лучше, чем версия PMOS, потому что дискретные транзисторы NMOS имеют более высокую проводимость, более низкую стоимость и лучшее удобство использования. В обеих схемах полевой МОП-транзистор включается, когда напряжение батареи положительное, и отключается, когда напряжение батареи меняется на противоположное. Физический «сток» полевого МОП-транзистора становится источником питания, потому что он имеет более высокий потенциал в версии PMOS и более низкий потенциал в версии NMOS. Поскольку полевые МОП-транзисторы электрически симметричны в области триода, они могут хорошо проводить ток в обоих направлениях. При использовании этого метода транзистор должен иметь максимальные значения VGS и VDS, превышающие напряжение батареи.
К сожалению, этот метод эффективен только для цепей на стороне нагрузки и не может работать с цепями, которые могут заряжать аккумулятор. Зарядное устройство вырабатывает энергию, повторно активирует полевой МОП-транзистор и восстанавливает соединение с обратной батареей. На рисунке 2 показан пример использования версии NMOS. Батарея, показанная на рисунке, находится в неисправном состоянии.
Рисунок 2: Схема защиты со стороны нагрузки с помощью зарядного устройства
Когда аккумулятор подключен, зарядное устройство находится в режиме ожидания, а нагрузка и зарядное устройство надежно отсоединены от задней аккумуляторной батареи. Однако, если зарядное устройство переходит в рабочее состояние (например, подключается входной силовой разъем), зарядное устройство генерирует напряжение между затвором и истоком NMOS, которое усиливает NMOS, тем самым реализуя токопроводимость. Это более наглядно на Рисунке 3.
Рисунок 3: Традиционная схема обратной защиты аккумулятора не подходит для схемы зарядного устройства.
Хотя нагрузка и зарядное устройство изолированы от обратного напряжения, основная проблема, с которой сталкивается защитный полевой МОП-транзистор, заключается в том, что он потребляет слишком много энергии. В этом случае зарядное устройство становится разрядным устройством. Когда зарядное устройство обеспечивает достаточную опору затвора для полевого МОП-транзистора, чтобы поглощать ток, подаваемый зарядным устройством, схема достигает равновесия. Например, если V мощного полевого МОП-транзистораTH Около 2 В, и зарядное устройство может обеспечивать ток ниже 2 В, выходное напряжение зарядного устройства стабилизируется на уровне 2 В (сток полевого МОП-транзистора находится на уровне 2 В + напряжение аккумулятора). Рассеиваемая мощность в полевом МОП-транзисторе составляет IЗАРЯД • (ВTH + VНИМ), так что полевой МОП-транзистор нагревается и выделяет тепло до тех пор, пока выделяемое тепло не рассеивается от печатной платы. То же самое верно и для версии этой схемы с PMOS.
Ниже будут представлены две альтернативы этому методу, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки.
N-канальный MOSFET дизайн
В первом решении используется изолирующее устройство NMOS, как показано на рисунке 4.
Алгоритм этой схемы следующий: если напряжение батареи превышает выходное напряжение зарядного устройства, изолирующий полевой МОП-транзистор должен быть отключен.
Как и в методе NMOS, описанном выше, в этой схеме MN1 подключен к низковольтной стороне проводки между зарядным устройством / нагрузкой и клеммами аккумулятора. Однако транзисторы MP1 и Q1 теперь обеспечивают схему обнаружения, которая деактивирует MN1 в случае обратного подключения батареи. При переворачивании аккумулятора источник MP1 поднимается над сеткой, подключенной к положительной клемме зарядного устройства. Затем сток MP1 подает ток на базу Q1 через R1. Затем Q1 шунтирует затвор MN1 на землю, предотвращая протекание зарядного тока в MN1. R1 отвечает за управление базовым током, протекающим к Q1 во время обнаружения обратного хода, в то время как R2 обеспечивает утечку для базы Q1 во время нормальной работы. R3 дает Q1 право заземлять затвор MN1. Делитель напряжения R3 / R4 ограничивает напряжение на затворе MN1, так что напряжение затвора не должно сильно падать во время обратной «горячей» замены батареи. Худший случай - когда зарядное устройство уже работает, вырабатывая постоянный уровень напряжения, и подключена обратная батарея. В этом случае необходимо как можно быстрее выключить MN1, чтобы ограничить время потребления большой мощности. Эта специальная версия схемы с R3 и R4 наиболее подходит для свинцово-кислотных аккумуляторов 12 В, но для приложений с более низким напряжением, таких как одноэлементные и двухэлементные литий-ионные аккумуляторы, R4 может быть освобожден. Конденсатор C1 обеспечивает сверхбыструю накачку заряда, чтобы снизить уровень затвора MN1 во время обратного подключения батареи. В худшем случае (когда установлена обратная батарея, зарядное устройство снова включено) очень пригодится C1.
Недостаток этой схемы в том, что требуются дополнительные компоненты. Делитель напряжения R3 / R4 создает небольшую, но постоянную нагрузку на аккумулятор.
Большинство этих компонентов тонкие. MP1 и Q1 не являются силовыми устройствами, и обычно доступны корпуса SOT23-3, SC70-3 или меньшего размера. MN1 должен иметь очень хорошую проводимость, потому что это передающее устройство, но не обязательно большого размера. Поскольку он работает в области глубокого триода и значительно усилен затвором, его энергопотребление очень низкое даже для устройств со средней проводимостью. Например, транзисторы ниже 100 мОм часто упаковываются в SOT23-3.
Рисунок 4: Возможная обратная схема батареи
Однако недостатком использования транзистора с малым проходом является то, что дополнительный импеданс, включенный последовательно с зарядным устройством аккумулятора, увеличивает время зарядки во время фазы зарядки с постоянным напряжением. Например, если батарея и ее проводка имеют эквивалентное последовательное сопротивление 100 мОм и используется изолирующий транзистор 100 мОм, время зарядки во время фазы зарядки постоянным напряжением будет удвоено.
Схема обнаружения и деактивации, состоящая из MP1 и Q1, не особенно быстро дезактивирует MN1, и в этом нет необходимости. Хотя MN1 генерирует высокое энергопотребление при обратном подключении батареи, схема отключения должна только отключить MN1 «в конце». Он должен отключить MN1 до того, как MN1 нагреется настолько, что приведет к повреждению. Время отключения в десятки микросекунд может быть более подходящим. С другой стороны, очень важно отключить MN1 до того, как обратное соединение аккумулятора даст возможность подтянуть зарядное устройство и напряжение нагрузки к отрицательному значению, поэтому требуется C1. В основном, схема имеет один путь деактивации переменного тока и один постоянный ток.
Эта схема была протестирована со свинцово-кислотным аккумулятором и зарядным устройством LTC4015. Как показано на Рисунке 5, зарядное устройство находится в выключенном состоянии, когда батарея подключается к «горячей» замене в обратном направлении. Обратное напряжение не передается на зарядное устройство и нагрузку.
Рисунок 5: Схема защиты NMOS с зарядным устройством в выключенном состоянии
Стоит отметить, что для MN1 требуется напряжение V, равное напряжению батареи.DS Номинальное значение и В, равное 1/2 напряжения аккумуляторной батареи.GS Номинальное значение. MP1 необходим V, равный напряжению батареи.DS И VGS Номинальное значение.
На рис. 6 показана более серьезная ситуация, то есть зарядное устройство уже находится в нормальном режиме работы, когда обратная батарея заменена в горячем режиме. Обратное подключение батареи снизит напряжение на стороне зарядного устройства до тех пор, пока схема обнаружения и защиты не выйдет из строя, позволяя зарядному устройству безопасно вернуться к постоянному уровню напряжения. Динамические характеристики будут варьироваться от приложения к приложению, и емкость зарядного устройства будет играть большую роль в конечном результате. В этом тесте зарядное устройство имеет как керамический конденсатор с высокой добротностью, так и полимерный конденсатор с низкой добротностью.
Рисунок 6: Схема защиты NMOS при работающем зарядном устройстве
Короче говоря, рекомендуется использовать в зарядном устройстве алюминиево-полимерные конденсаторы и алюминиевые электролитические конденсаторы для улучшения характеристик при нормальном горячем подключении положительного аккумулятора. Из-за крайней нелинейности чистые керамические конденсаторы будут вызывать чрезмерный выброс во время горячего подключения. Причина этого в том, что когда напряжение повышается от 0 В до номинального, емкость уменьшается на поразительные 80%. Эта нелинейность стимулирует протекание больших токов в условиях низкого напряжения, и когда напряжение растет, емкость быстро уменьшается; это смертельная комбинация, которая приводит к очень высоким выбросам напряжения. Как показывает опыт, комбинация керамического конденсатора и низкодобротного, стабильного по напряжению алюминиевого конденсатора или даже танталового конденсатора кажется наиболее надежной комбинацией.
Конструкция P-канального MOSFET
На рисунке 7 показан второй метод, в котором в качестве защитного устройства используется транзистор PMOS.
Рисунок 7: Вариант передающего элемента на PMOS-транзисторе
В этой схеме MP1 - это устройство обнаружения обратной батареи, а MP2 - устройство обратной развязки. Используйте напряжение между источником и затвором MP1, чтобы сравнить положительный полюс батареи с выходом зарядного устройства. Если напряжение на клеммах зарядного устройства аккумулятора выше, чем напряжение аккумулятора, MP1 деактивирует главное передающее устройство MP2. Следовательно, если напряжение батареи подается ниже уровня земли, ясно, что устройство MP1 обнаружения переведет передающее устройство MP2 в выключенное состояние (создавая помехи его затвору источнику). Независимо от того, включено ли зарядное устройство аккумулятора и формирует напряжение зарядки или отключено (0 В), оно выполнит указанные выше операции.
Самым большим преимуществом этой схемы является то, что изолирующий транзистор MP2 PMOS не имеет права передавать отрицательное напряжение на схему зарядного устройства и нагрузку. Рисунок 8 иллюстрирует это более четко.
Рисунок 8: Схема эффекта каскода
Наименьшее напряжение, которое может быть достигнуто на затворе MP2 через R1, составляет 0 В. Даже если сток MP2 опущен намного ниже потенциала земли, его исток не будет прикладывать значительного давления вниз. Как только напряжение источника упадет до V, когда транзистор находится над землейTH, Транзистор освободит собственное смещение, и его проводимость постепенно исчезнет. Чем ближе напряжение источника к потенциалу земли, тем выше степень смещения транзистора. Эта особенность в сочетании с простой топологией делает этот метод более популярным, чем метод NMOS, описанный выше. По сравнению с методом NMOS, он имеет недостатки, заключающиеся в более низкой проводимости и более высокой стоимости транзисторов PMOS.
Хотя эта схема проще, чем метод NMOS, она имеет большой недостаток. Хотя он всегда обеспечивает защиту от обратного напряжения, он не всегда может подключать цепь к батарее. Когда затворы перекрестно соединены, как показано, схема образует запоминающий элемент с защелкой, который может выбрать неправильное состояние. Хотя этого трудно добиться, существует ситуация, когда зарядное устройство вырабатывает напряжение (например, 12 В), и когда аккумулятор подключается с более низким напряжением (например, 8 В), цепь отключается.
В этом случае напряжение между истоком и затвором MP1 составляет +4 В, таким образом усиливая MP1 и деактивируя MP2. Эта ситуация показана на рисунке 9, и на узле указано стабильное напряжение.
Рисунок 9: Схема возможных состояний блокировки при использовании схемы защиты PMOS
Для достижения этого состояния зарядное устройство должно уже работать, когда аккумулятор подключен. Если аккумулятор подключен до включения зарядного устройства, напряжение затвора MP1 полностью поднимается аккумулятором, таким образом отключая MP1. Когда зарядное устройство включено, оно генерирует контролируемый ток (а не сильные выбросы тока), что снижает вероятность включения MP1 и выключения MP2.
С другой стороны, если зарядное устройство включается до присоединения батареи, затвор MP1 просто следует за выходом зарядного устройства батареи, потому что он подтягивается спускным резистором R2. Когда аккумулятор не подключен, MP1 не имеет тенденции включаться и выводить MP2 из строя.
Когда зарядное устройство включено и работает, а аккумулятор прикреплен, возникает проблема. В этом случае существует кратковременная разница между выходом зарядного устройства и клеммами аккумулятора, из-за чего MP1 выводит MP2 из строя, потому что напряжение аккумулятора заставляет конденсатор зарядного устройства поглощать заряд. Это создает конкуренцию между способностью MP2 получать заряд от конденсатора зарядного устройства и способностью MP1 выводить MP2 из строя.
Схема также была протестирована со свинцово-кислотным аккумулятором и зарядным устройством LTC4015. Подключение высоконагруженного источника питания 6 В в качестве имитатора батареи к включенному зарядному устройству никогда не вызовет состояние «отключено». Проведенные тесты не являются исчерпывающими и должны быть протестированы более всесторонне и тщательно в ключевых приложениях. Даже если цепь действительно заблокирована, отключение зарядного устройства аккумулятора и его повторное включение всегда приведет к повторному подключению.
Состояние неисправности можно продемонстрировать, управляя схемой (установив временное соединение между верхним концом R1 и выходом зарядного устройства). Однако обычно считается, что схема более склонна к подключению. Если сбой подключения действительно становится проблемой, вы можете разработать схему, которая использует несколько устройств для отключения зарядного устройства. На рисунке 12 показан более полный пример схемы.
На рисунке 10 показано действие схемы защиты PMOS при отключенном зарядном устройстве.
Обратите внимание, что независимо от ситуации, отрицательной передачи напряжения между зарядным устройством аккумулятора и напряжением нагрузки не будет.
На рис. 11 показано, что схема находится в неблагоприятной ситуации: «зарядное устройство перешло в рабочее состояние, когда батарея подключена обратно для горячего подключения».
Эффект от схемы NMOS почти такой же. Перед отключением цепи, чтобы вывести из строя передаточный транзистор MP2, обратная батарея немного сбрасывает напряжение зарядного устройства и нагрузки.
В этом варианте схемы транзистор МР2 должен выдерживать удвоенное напряжение батареи В.DS (Один для зарядного устройства и один для обратного подключения аккумулятора) и V равняется напряжению аккумулятора.GS. С другой стороны, MP1 должен выдерживать напряжение V, равное напряжению батареи.DSИ V, что в два раза больше напряжения батареиGS. Это требование вызывает сожаление, потому что для MOSFET-транзисторов номинальное значение VDSВсегда превышать номинальное значение VGS. Может быть найдено с 30V VGS Допуск и 40 В ВDS Терпимые транзисторы подходят для свинцово-кислотных аккумуляторов. Для поддержки аккумуляторов с более высоким напряжением необходимо добавить стабилитроны и токоограничивающие резисторы для модификации схемы.
На рисунке 12 показан пример схемы, которая может работать с двумя последовательно соединенными свинцово-кислотными батареями.
Рисунок 10: Схема защиты PMOS с зарядным устройством в выключенном состоянии
Рисунок 11: Схема защиты PMOS при работающем зарядном устройстве
ADI считает, что предоставляемая информация является точной и надежной. Однако ADI не несет ответственности за его использование и любое нарушение патентов третьих лиц или других прав, которые могут возникнуть в результате его использования. Технические характеристики могут быть изменены без предварительного уведомления. Никакая лицензия на использование каких-либо патентов или патентных прав ADI не может быть предоставлена косвенно или иным образом.
Рисунок 12: Защита от обратного тока более высокого напряжения.
D1, D3 и R3 защищают ворота MP2 и MP3 от повреждения высоким напряжением. Когда перевернутая батарея заменяется в горячем режиме, D2 может предотвратить быстрое опускание сети MP3 и выходного напряжения зарядного устройства ниже потенциала земли. Когда схема имеет обратную батарею или находится в состоянии блокировки неправильного отключения, MP1 и R1 могут быть обнаружены и использовать отсутствующую функцию RT LTC4015 для отключения зарядного устройства батареи.
в заключение
Может быть разработана схема защиты от обратного напряжения для приложений на базе зарядного устройства. Люди разработали несколько схем и провели краткие тесты, и результаты испытаний обнадеживают. Не существует хитроумного трюка для решения обратной проблемы с батареей, но я надеюсь, что метод, представленный в этой статье, может обеспечить достаточное понимание, то есть есть простое и недорогое решение.
Ссылки: НЛ6448BC33-59D ФС450Р12КЕ3