"มีวิธีการที่รู้จักกันดีหลายวิธีในการจัดการกับแหล่งจ่ายไฟ แรงดันไฟฟ้า การกลับรายการ วิธีที่ชัดเจนที่สุดคือการเชื่อมต่อไดโอดระหว่างแหล่งจ่ายไฟกับโหลด แต่เนื่องจากแรงดันไปข้างหน้าของไดโอด วิธีนี้จะทำให้สิ้นเปลืองพลังงานเพิ่มขึ้น แม้ว่าวิธีนี้จะง่ายมาก แต่ไดโอดไม่มีประโยชน์ในการใช้งานแบบพกพาหรือสำรอง เนื่องจากแบตเตอรี่จะต้องดูดซับกระแสไฟเมื่อชาร์จและจ่ายกระแสไฟเมื่อไม่ได้ชาร์จ
"
Steven Martin ผู้จัดการฝ่ายออกแบบเครื่องชาร์จแบตเตอรี่
การแนะนำ
มีวิธีการที่รู้จักกันดีหลายวิธีในการจัดการกับการย้อนกลับของแรงดันไฟของแหล่งจ่ายไฟ วิธีที่ชัดเจนที่สุดคือการเชื่อมต่อไดโอดระหว่างแหล่งจ่ายไฟกับโหลด แต่เนื่องจากแรงดันไปข้างหน้าของไดโอด วิธีนี้จะทำให้สิ้นเปลืองพลังงานเพิ่มขึ้น แม้ว่าวิธีนี้จะง่ายมาก แต่ไดโอดไม่มีประโยชน์ในการใช้งานแบบพกพาหรือสำรอง เนื่องจากแบตเตอรี่จะต้องดูดซับกระแสไฟเมื่อชาร์จและจ่ายกระแสไฟเมื่อไม่ได้ชาร์จ
อีกวิธีหนึ่งคือใช้ตัวใดตัวหนึ่ง MOSFET วงจรที่แสดงในรูปที่ 1
รูปที่ 1: การป้องกันย้อนกลับด้านโหลดแบบดั้งเดิม
สำหรับวงจรด้านโหลด วิธีนี้ดีกว่าการใช้ไดโอด เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟ (แบตเตอรี่) จะเพิ่มค่า MOSFETส่งผลให้แรงดันไฟฟ้าตกน้อยลงและมีสื่อกระแสไฟฟ้าสูงขึ้นอย่างมาก เวอร์ชัน NMOS ของสิ่งนี้ วงจรไฟฟ้า ดีกว่ารุ่น PMOS เนื่องจากทรานซิสเตอร์ NMOS แบบแยกมีความนำสูงกว่า ต้นทุนต่ำกว่า และใช้งานได้ดีกว่า ในทั้งสองวงจร MOSFET จะเปิดขึ้นเมื่อแรงดันแบตเตอรี่เป็นบวก และตัดการเชื่อมต่อเมื่อแรงดันแบตเตอรี่ถูกย้อนกลับ "ท่อระบายน้ำ" ทางกายภาพของ MOSFET กลายเป็นแหล่งพลังงานเนื่องจากมีศักยภาพสูงกว่าในเวอร์ชัน PMOS และมีศักยภาพต่ำกว่าในเวอร์ชัน NMOS ตั้งแต่ มอสเฟต มีความสมมาตรทางไฟฟ้าในบริเวณไตรโอด สามารถนำกระแสไฟได้ดีทั้งสองทิศทาง เมื่อใช้วิธีนี้ ทรานซิสเตอร์ ต้องมีพิกัด VGS และ VDS สูงสุดที่สูงกว่าแรงดันแบตเตอรี่
น่าเสียดายที่วิธีนี้ได้ผลกับวงจรด้านโหลดเท่านั้นและไม่สามารถทำงานร่วมกับวงจรที่สามารถชาร์จแบตเตอรี่ได้ เครื่องชาร์จแบตเตอรี่จะสร้างพลังงาน เปิดใช้งาน MOSFET อีกครั้ง และสร้างการเชื่อมต่อกับแบตเตอรี่ย้อนกลับอีกครั้ง รูปที่ 2 แสดงตัวอย่างการใช้เวอร์ชัน NMOS แบตเตอรี่ที่แสดงในรูปอยู่ในสถานะผิดปกติ
รูปที่ 2: วงจรป้องกันด้านโหลดพร้อมเครื่องชาร์จแบตเตอรี่
เมื่อเชื่อมต่อแบตเตอรี่แล้ว เครื่องชาร์จแบตเตอรี่จะอยู่ในสถานะไม่ได้ใช้งาน และถอดโหลดและเครื่องชาร์จแบตเตอรี่ออกจากแบตเตอรี่ด้านหลังอย่างปลอดภัย อย่างไรก็ตาม หากเครื่องชาร์จเปลี่ยนเป็นสถานะการทำงาน (เช่น เสียบขั้วต่อไฟเข้า) เครื่องชาร์จจะสร้างแรงดันไฟฟ้าระหว่างเกตและแหล่งจ่ายของ NMOS ซึ่งช่วยปรับปรุง NMOS ซึ่งจะทำให้เกิดการนำกระแสไฟ นี้จะสดใสมากขึ้นในรูปที่ 3
รูปที่ 3: รูปแบบการป้องกันแบตเตอรี่ย้อนกลับแบบเดิมไม่ถูกต้องสำหรับวงจรเครื่องชาร์จแบตเตอรี่
แม้ว่าโหลดและเครื่องชาร์จจะถูกแยกออกจากแรงดันย้อนกลับ แต่ปัญหาสำคัญที่ต้องเผชิญกับ MOSFET ที่มีการป้องกันก็คือมันใช้พลังงานมากเกินไป ในกรณีนี้ เครื่องชาร์จแบตเตอรี่จะกลายเป็นตัวคายประจุแบตเตอรี่ เมื่อเครื่องชาร์จแบตเตอรี่รองรับเกตเพียงพอสำหรับ MOSFET เพื่อดูดซับกระแสไฟที่จ่ายโดยเครื่องชาร์จ วงจรจะเข้าสู่สมดุล ตัวอย่างเช่น ถ้า V ของ MOSFET . อันทรงพลังTH ประมาณ 2V และเครื่องชาร์จสามารถจ่ายกระแสไฟได้ต่ำกว่า 2V แรงดันไฟขาออกของเครื่องชาร์จแบตเตอรี่จะเสถียรที่ 2V (ท่อระบายน้ำของ MOSFET อยู่ที่ 2V + แรงดันแบตเตอรี่) การกระจายพลังงานใน MOSFET คือ ICHARGE • (วีTH + Vค้างคาว) เพื่อให้ MOSFET ร้อนขึ้นและสร้างความร้อนจนกว่าความร้อนที่สร้างขึ้นจะกระจายออกจากแผงวงจรพิมพ์ เช่นเดียวกับรุ่น PMOS ของวงจรนี้
เราจะแนะนำทางเลือกสองทางสำหรับวิธีนี้ด้านล่างนี้ ซึ่งแต่ละวิธีมีข้อดีและข้อเสีย
การออกแบบ N-channel MOSFET
โซลูชันแรกใช้อุปกรณ์แยก NMOS ดังแสดงในรูปที่ 4
อัลกอริธึมของวงจรนี้คือ: หากแรงดันไฟแบตเตอรี่เกินแรงดันเอาต์พุตของเครื่องชาร์จแบตเตอรี่ MOSFET แยกจะต้องปิดใช้งาน
เช่นเดียวกับวิธี NMOS ที่อธิบายไว้ข้างต้น ในวงจรนี้ MN1 เชื่อมต่อกับด้านแรงดันต่ำของสายไฟระหว่างเครื่องชาร์จ/โหลดและขั้วแบตเตอรี่ อย่างไรก็ตาม ขณะนี้ทรานซิสเตอร์ MP1 และ Q1 มีวงจรตรวจจับที่จะปิดใช้งาน MN1 ในกรณีที่มีการเชื่อมต่อแบตเตอรี่แบบย้อนกลับ การกลับแบตเตอรี่จะทำให้แหล่งกำเนิดของ MP1 อยู่เหนือเส้นตารางที่เชื่อมต่อกับขั้วบวกของเครื่องชาร์จ จากนั้นท่อระบายน้ำของ MP1 จะจ่ายกระแสไปที่ฐานของ Q1 ถึง R1 จากนั้น Q1 จะสับเกตของ MN1 ลงกราวด์ เพื่อป้องกันไม่ให้กระแสชาร์จไหลใน MN1 R1 มีหน้าที่ควบคุมกระแสฐานที่ไหลไปยัง Q1 ในระหว่างการตรวจจับแบบย้อนกลับ ในขณะที่ R2 จัดให้มีตัวไล่ลมสำหรับฐานของ Q1 ในระหว่างการทำงานปกติ R3 ให้สิทธิ์แก่ Q1 ในการดึงประตูของ MN1 ลงกราวด์ ตัวแบ่งแรงดัน R3/R4 จะจำกัดแรงดันไฟฟ้าบนเกตของ MN1 เพื่อให้แรงดันเกตไม่ต้องลดลงมากขนาดนั้นในระหว่างการสลับแบตเตอรี่แบบย้อนกลับ กรณีที่แย่ที่สุดคือเมื่อเครื่องชาร์จแบตเตอรี่ทำงานอยู่แล้ว ทำให้เกิดระดับแรงดันไฟฟ้าคงที่ และใส่แบตเตอรี่ถอยหลัง ในกรณีนี้จำเป็นต้องปิด MN1 โดยเร็วที่สุดเพื่อจำกัดเวลาการใช้พลังงานสูง วงจรเวอร์ชันพิเศษที่มี R3 และ R4 นี้เหมาะที่สุดสำหรับการใช้งานแบตเตอรี่ตะกั่วกรด 12V แต่ในการใช้งานที่มีแรงดันไฟฟ้าต่ำกว่า เช่น ผลิตภัณฑ์แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบเซลล์เดียวและสองเซลล์ R4 สามารถได้รับการยกเว้นได้ ตัวเก็บประจุ C1 มีปั๊มชาร์จที่รวดเร็วเป็นพิเศษเพื่อดึงระดับเกตของ MN1 ลงระหว่างการต่อแบตเตอรี่แบบถอยหลัง ในกรณีที่เลวร้ายที่สุด (เมื่อใส่แบตเตอรี่แบบย้อนกลับ เครื่องชาร์จถูกเปิดใช้งานอีกครั้ง) C1 มีประโยชน์มาก
ข้อเสียของวงจรนี้คือเพิ่มเติม ส่วนประกอบ จำเป็น ตัวแบ่งแรงดันไฟ R3/R4 สร้างภาระให้กับแบตเตอรี่เพียงเล็กน้อยแต่ต่อเนื่อง
ส่วนประกอบเหล่านี้ส่วนใหญ่บาง MP1 และ Q1 ไม่ใช่อุปกรณ์จ่ายไฟ และโดยปกติแล้วจะมีแพ็คเกจ SOT23-3, SC70-3 หรือเล็กกว่านั้นให้เลือก MN1 ควรมีการนำไฟฟ้าที่ดีมากเพราะเป็นอุปกรณ์ส่งสัญญาณ แต่ขนาดไม่ต้องใหญ่ เนื่องจากทำงานในพื้นที่ไตรโอดลึกและเกตได้รับการเสริมความแข็งแกร่งอย่างมาก การใช้พลังงานจึงต่ำมากแม้สำหรับอุปกรณ์ที่มีค่าการนำไฟฟ้าปานกลาง ตัวอย่างเช่น ทรานซิสเตอร์ที่ต่ำกว่า 100mΩ มักจะบรรจุอยู่ใน SOT23-3
รูปที่ 4: วงจรแบตเตอรี่ย้อนกลับที่เป็นไปได้
อย่างไรก็ตาม ข้อเสียของการใช้บัตรขนาดเล็ก ทรานซิสเตอร์ คือความต้านทานเพิ่มเติมในอนุกรมกับเครื่องชาร์จแบตเตอรี่จะขยายเวลาการชาร์จระหว่างเฟสการชาร์จด้วยแรงดันคงที่ ตัวอย่างเช่น หากแบตเตอรี่และสายไฟมีความต้านทานอนุกรมเทียบเท่า 100mΩ และใช้ทรานซิสเตอร์แยก 100mΩ เวลาในการชาร์จระหว่างเฟสการชาร์จด้วยแรงดันคงที่จะเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า
วงจรการตรวจจับและการปิดใช้งานที่ประกอบด้วย MP1 และ Q1 นั้นไม่ได้รวดเร็วเป็นพิเศษในการปิดใช้งาน MN1 และไม่จำเป็นต้องเป็นเช่นนั้น แม้ว่า MN1 จะสร้างการใช้พลังงานสูงในระหว่างการต่อพ่วงแบตเตอรี่แบบย้อนกลับ วงจรปิดเครื่องจำเป็นต้องตัดการเชื่อมต่อ MN1 "ในตอนท้าย" เท่านั้น ต้องตัดการเชื่อมต่อ MN1 ก่อนที่ MN1 จะร้อนขึ้นมากจนทำให้เกิดความเสียหาย เวลาในการตัดการเชื่อมต่อหลายสิบไมโครวินาทีอาจเหมาะสมกว่า ในทางกลับกัน การปิด MN1 เป็นสิ่งสำคัญก่อนที่การเชื่อมต่อแบบย้อนกลับของแบตเตอรี่จะมีโอกาสดึงเครื่องชาร์จและโหลดแรงดันไฟฟ้าให้เป็นค่าลบ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้ C1 โดยทั่วไป วงจรมีหนึ่งเส้นทางการปิดใช้งาน AC และ DC หนึ่งเส้นทาง
วงจรนี้ทดสอบด้วยแบตเตอรี่ตะกั่ว-กรดและเครื่องชาร์จแบตเตอรี่ LTC4015 ดังแสดงในรูปที่ 5 เครื่องชาร์จแบตเตอรี่อยู่ในสถานะปิดเมื่อเสียบแบตเตอรี่แบบร้อนในทิศทางย้อนกลับ แรงดันย้อนกลับจะไม่ถูกส่งไปยังเครื่องชาร์จและโหลด
รูปที่ 5: วงจรป้องกัน NMOS โดยที่เครื่องชาร์จอยู่ในสถานะปิด
เป็นที่น่าสังเกตว่า MN1 ต้องการ V เท่ากับแรงดันแบตเตอรี่DS ค่าพิกัดและ V เท่ากับ 1/2 แรงดันแบตเตอรี่GS ค่านิยม MP1 ต้องการ V เท่ากับแรงดันแบตเตอรี่DS และ VGS ค่านิยม
รูปที่ 6 แสดงสถานการณ์ที่ร้ายแรงกว่านั้น กล่าวคือ เครื่องชาร์จแบตเตอรี่ทำงานตามปกติแล้วเมื่อเปลี่ยนแบตเตอรี่แบบย้อนกลับ การเชื่อมต่อกลับด้านของแบตเตอรี่จะดึงแรงดันไฟด้านข้างของเครื่องชาร์จลง จนกว่าวงจรตรวจจับและป้องกันจะใช้งานไม่ได้ ทำให้เครื่องชาร์จกลับสู่ระดับแรงดันไฟคงที่ได้อย่างปลอดภัย ลักษณะไดนามิกจะแตกต่างกันไปตามแต่ละแอพพลิเคชั่น และความจุของเครื่องชาร์จแบตเตอรี่จะมีบทบาทสำคัญในผลลัพธ์สุดท้าย ในการทดสอบนี้ เครื่องชาร์จแบตเตอรี่มีทั้งตัวเก็บประจุแบบเซรามิก Q สูงและตัวเก็บประจุแบบโพลีเมอร์ Q ต่ำ
รูปที่ 6: วงจรป้องกัน NMOS ขณะใช้งานเครื่องชาร์จ
สรุปคือ แนะนำให้ใช้อะลูมิเนียมพอลิเมอร์ ตัวเก็บประจุ และตัวเก็บประจุอลูมิเนียมอิเล็กโทรไลต์บนเครื่องชาร์จแบตเตอรี่เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพในระหว่างการเสียบปลั๊กแบตเตอรี่แบบบวกตามปกติ เนื่องจากความไม่เป็นเชิงเส้นที่รุนแรง ตัวเก็บประจุเซรามิกบริสุทธิ์จะทำให้เกิดการโอเวอร์โหลดมากเกินไปในระหว่างการเสียบปลั๊กร้อน เหตุผลเบื้องหลังคือเมื่อแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้นจาก 0V เป็นแรงดันไฟฟ้าที่กำหนด ความจุจะลดลงอย่างน่าประหลาดใจ 80% ความไม่เป็นเชิงเส้นนี้กระตุ้นการไหลของกระแสสูงภายใต้สภาวะแรงดันไฟต่ำ และเมื่อแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้น ความจุจะลดลงอย่างรวดเร็ว นี่เป็นการรวมกันที่อันตรายถึงตายที่ทำให้เกิดการโอเวอร์โหลดของไฟฟ้าแรงสูง ตามกฎทั่วไปแล้ว การรวมกันของตัวเก็บประจุเซรามิกและตัวเก็บประจุอลูมิเนียมที่มีแรงดันไฟฟ้าต่ำ Q หรือแม้แต่ตัวเก็บประจุแทนทาลัมดูเหมือนจะเป็นการผสมผสานที่แข็งแกร่งที่สุด
การออกแบบ P-channel MOSFET
รูปที่ 7 แสดงวิธีที่สอง ซึ่งใช้ทรานซิสเตอร์ PMOS เป็นอุปกรณ์ป้องกัน
รูปที่ 7: รุ่นองค์ประกอบการส่งทรานซิสเตอร์ PMOS
ในวงจรนี้ MP1 เป็นอุปกรณ์ตรวจจับแบตเตอรี่แบบย้อนกลับ และ MP2 เป็นอุปกรณ์แยกแบบย้อนกลับ ใช้แรงดันไฟจากต้นทางถึงเกตของ MP1 เพื่อเปรียบเทียบขั้วบวกของแบตเตอรี่กับเอาท์พุตเครื่องชาร์จแบตเตอรี่ หากแรงดันขั้วของเครื่องชาร์จแบตเตอรี่สูงกว่าแรงดันแบตเตอรี่ MP1 จะปิดใช้งานอุปกรณ์ส่งสัญญาณหลัก MP2 ดังนั้น หากแรงดันแบตเตอรี่ถูกขับลงใต้พื้นดิน เป็นที่ชัดเจนว่าอุปกรณ์ตรวจจับ MP1 จะขับเคลื่อนอุปกรณ์ส่งสัญญาณ MP2 ให้อยู่ในสถานะปิด (ขัดขวางเกตไปยังแหล่งกำเนิด) ไม่ว่าจะเปิดใช้งานเครื่องชาร์จแบตเตอรี่และสร้างแรงดันไฟฟ้าในการชาร์จหรือปิดใช้งาน (0V) การดำเนินการข้างต้นจะเสร็จสมบูรณ์
ข้อได้เปรียบที่ใหญ่ที่สุดของวงจรนี้คือ MP2 ทรานซิสเตอร์แยก PMOS ไม่มีอำนาจในการส่งแรงดันลบไปยังวงจรเครื่องชาร์จและโหลด รูปที่ 8 แสดงสิ่งนี้อย่างชัดเจนยิ่งขึ้น
รูปที่ 8: ไดอะแกรมของเอฟเฟกต์คาสโคด
แรงดันไฟฟ้าต่ำสุดที่สามารถทำได้บนเกตของ MP2 ถึง R1 คือ 0V แม้ว่าท่อระบายน้ำของ MP2 จะถูกดึงให้ต่ำกว่าศักยภาพของกราวด์มาก แหล่งกำเนิดจะไม่ใช้แรงดันแรงดันลงอย่างมีนัยสำคัญ เมื่อแรงดันไฟต้นทางลดลงเป็น V โดยที่ทรานซิสเตอร์อยู่เหนือพื้นดินTH, ทรานซิสเตอร์จะปล่อยอคติของตัวเอง และค่าการนำไฟฟ้าจะค่อยๆ หายไป ยิ่งแรงดันแหล่งจ่ายเข้าใกล้ศักย์กราวด์มากเท่าใด ระดับของการปล่อยอคติของทรานซิสเตอร์ก็จะยิ่งสูงขึ้น คุณลักษณะนี้ ประกอบกับโทโพโลยีอย่างง่าย ทำให้วิธีนี้เป็นที่นิยมมากกว่าวิธี NMOS ที่อธิบายไว้ข้างต้น เมื่อเทียบกับวิธี NMOS ทรานซิสเตอร์ PMOS มีข้อเสียคือค่าการนำไฟฟ้าที่ต่ำกว่าและต้นทุนของทรานซิสเตอร์ PMOS ที่สูงขึ้น
แม้ว่าจะง่ายกว่าวิธี NMOS แต่วงจรนี้มีข้อเสียอย่างมาก แม้ว่ามันจะให้การป้องกันแรงดันย้อนกลับเสมอ แต่ก็อาจไม่ได้เชื่อมต่อวงจรกับแบตเตอรี่เสมอไป เมื่อเกตถูกเชื่อมขวางตามที่แสดงในรูป วงจรจะสร้างองค์ประกอบการจัดเก็บแบบสลัก ซึ่งอาจเลือกสถานะที่ไม่ถูกต้อง แม้ว่าจะทำได้ยาก แต่ก็มีสถานการณ์ที่เครื่องชาร์จสร้างแรงดันไฟฟ้า (เช่น 12V) และเมื่อต่อแบตเตอรี่ที่แรงดันไฟฟ้าต่ำกว่า (เช่น 8V) วงจรจะถูกตัดการเชื่อมต่อ
ในกรณีนี้ แรงดันไฟจากต้นทางถึงเกตของ MP1 คือ +4V ซึ่งทำให้ MP1 แข็งแกร่งขึ้นและปิดใช้งาน MP2 สถานการณ์นี้แสดงในรูปที่ 9 และแสดงแรงดันไฟฟ้าที่เสถียรบนโหนด
รูปที่ 9: ไดอะแกรมของสถานะการบล็อกที่เป็นไปได้เมื่อใช้วงจรป้องกัน PMOS
เพื่อให้บรรลุเงื่อนไขนี้ เครื่องชาร์จต้องทำงานอยู่แล้วเมื่อเชื่อมต่อแบตเตอรี่ หากเชื่อมต่อแบตเตอรี่ก่อนเปิดใช้งานเครื่องชาร์จ แรงดันเกตของ MP1 จะถูกดึงขึ้นโดยแบตเตอรี่จนสุด ซึ่งจะทำให้ MP1 ปิดใช้งาน เมื่อเปิดเครื่องชาร์จ จะสร้างกระแสควบคุม (แทนที่จะเป็นไฟกระชากสูง) ซึ่งช่วยลดความเป็นไปได้ที่ MP1 จะเปิดขึ้นและปิด MP2
ในทางกลับกัน หากเปิดใช้งานอุปกรณ์ชาร์จก่อนเสียบแบตเตอรี่ ประตูของ MP1 จะทำตามเอาต์พุตของเครื่องชาร์จแบตเตอรี่เพียงเพราะถูกดึงขึ้นโดยเครื่องไล่ลม ตัวต้านทาน ร2. เมื่อไม่ได้เชื่อมต่อแบตเตอรี่ MP1 จะไม่มีแนวโน้มที่จะเปิดและทำให้ MP2 ไม่ทำงาน
เมื่อเครื่องชาร์จเริ่มทำงานและเสียบแบตเตอรี่ ปัญหาจะเกิดขึ้น ในกรณีนี้ จะมีความแตกต่างชั่วขณะระหว่างเอาต์พุตของเครื่องชาร์จและขั้วแบตเตอรี่ ซึ่งจะทำให้ MP1 เลิกใช้งาน MP2 เนื่องจากแรงดันแบตเตอรี่บังคับให้ตัวเก็บประจุของเครื่องชาร์จดูดซับ สิ่งนี้ทำให้เกิดการแข่งขันระหว่างความสามารถของ MP2 ในการดึงประจุจากตัวเก็บประจุเครื่องชาร์จและความสามารถของ MP1 ในการเลิกใช้งาน MP2
วงจรได้รับการทดสอบด้วยแบตเตอรี่ตะกั่วกรดและเครื่องชาร์จแบตเตอรี่ LTC4015 การเชื่อมต่อแหล่งจ่ายไฟ 6V ที่รับภาระหนักเป็นเครื่องจำลองแบตเตอรี่กับเครื่องชาร์จแบตเตอรี่ที่เปิดใช้งานจะไม่ทำให้เกิดสถานะ "ตัดการเชื่อมต่อ" การทดสอบที่ทำนั้นไม่ครอบคลุมและควรทดสอบอย่างละเอียดถี่ถ้วนยิ่งขึ้นในการใช้งานหลัก แม้ว่าวงจรจะถูกล็อคจริงๆ ก็ตาม การปิดใช้งานเครื่องชาร์จแบตเตอรี่และการเปิดใช้งานใหม่จะทำให้มีการเชื่อมต่อใหม่เสมอ
สถานะความผิดปกติสามารถแสดงได้โดยการจัดการวงจร (สร้างการเชื่อมต่อชั่วคราวระหว่างด้านบนของ R1 กับเอาต์พุตเครื่องชาร์จแบตเตอรี่) อย่างไรก็ตาม เชื่อกันโดยทั่วไปว่าวงจรมีแนวโน้มที่จะเชื่อมต่อมากกว่า หากความล้มเหลวในการเชื่อมต่อกลายเป็นปัญหา คุณสามารถออกแบบวงจรที่ใช้อุปกรณ์หลายเครื่องเพื่อปิดใช้งานเครื่องชาร์จแบตเตอรี่ได้ รูปที่ 12 แสดงตัวอย่างวงจรที่สมบูรณ์ยิ่งขึ้น
รูปที่ 10 แสดงผลของวงจรป้องกัน PMOS เมื่อปิดใช้งานเครื่องชาร์จ
โปรดทราบว่าไม่ว่าสถานการณ์จะเป็นอย่างไร จะไม่มีการถ่ายโอนแรงดันลบระหว่างเครื่องชาร์จแบตเตอรี่และแรงดันโหลด
รูปที่ 11 แสดงว่าวงจรอยู่ในสถานการณ์ที่ไม่เอื้ออำนวยของ "เครื่องชาร์จเข้าสู่สถานะการทำงานเมื่อแบตเตอรี่ถูกเชื่อมต่อแบบย้อนกลับสำหรับการเสียบแบบร้อน"
ผลกระทบของวงจร NMOS เกือบจะเหมือนกัน ก่อนถอดวงจรเพื่อให้ทรานสสิสเตอร์ MP2 ไม่ทำงาน แบตเตอรีย้อนกลับจะดึงเครื่องชาร์จและแรงดันโหลดลงเล็กน้อย
ในวงจรรุ่นนี้ ทรานซิสเตอร์ MP2 จะต้องสามารถทนต่อแรงดันไฟของแบตเตอรี่ V . ได้สองเท่าDS (หนึ่งอันสำหรับเครื่องชาร์จและอีกอันสำหรับการเชื่อมต่อย้อนกลับของแบตเตอรี่) และ V เท่ากับแรงดันแบตเตอรี่GS. ในทางกลับกัน MP1 จะต้องสามารถทนต่อ V ได้เท่ากับแรงดันแบตเตอรี่DSและ V ซึ่งเป็นสองเท่าของแรงดันแบตเตอรี่GS. ข้อกำหนดนี้เป็นเรื่องที่น่าเสียดายเพราะสำหรับทรานซิสเตอร์ MOSFET พิกัดVDSเกินพิกัดV .เสมอGS. สามารถพบได้กับ 30V VGS ความคลาดเคลื่อนและ 40V VDS ทรานซิสเตอร์ที่ทนทานเหมาะสำหรับการใช้งานแบตเตอรี่ตะกั่วกรด เพื่อรองรับแบตเตอรี่ไฟฟ้าแรงสูง ต้องเพิ่มไดโอดซีเนอร์และตัวต้านทานจำกัดกระแสเพื่อปรับเปลี่ยนวงจร
รูปที่ 12 แสดงตัวอย่างวงจรที่สามารถรองรับแบตเตอรี่ตะกั่วกรดสองก้อนที่ซ้อนกันเป็นชุด
รูปที่ 10: วงจรป้องกัน PMOS โดยที่เครื่องชาร์จอยู่ในสถานะปิด
รูปที่ 11: วงจรป้องกัน PMOS ขณะใช้งานเครื่องชาร์จ
ADI เชื่อว่าข้อมูลที่ให้นั้นถูกต้องและเชื่อถือได้ อย่างไรก็ตาม ADI จะไม่รับผิดชอบต่อการใช้งานและการละเมิดสิทธิบัตรของบุคคลที่สามหรือสิทธิ์อื่นๆ ที่อาจเป็นผลมาจากการใช้งาน ข้อมูลจำเพาะอาจมีการเปลี่ยนแปลงโดยไม่ต้องแจ้งให้ทราบล่วงหน้า. ไม่อนุญาตให้ใช้สิทธิบัตรหรือสิทธิ์ในสิทธิบัตรของ ADI โดยปริยายหรืออย่างอื่น
รูปที่ 12: การป้องกันแบตเตอรี่ย้อนกลับด้วยแรงดันสูง
D1, D3 และ R3 ปกป้องประตูของ MP2 และ MP3 จากความเสียหายจากไฟฟ้าแรงสูง เมื่อแบตเตอรี่แบบย้อนกลับถูกเปลี่ยนโดย Hot Swap D2 สามารถป้องกันตาราง MP3 และเครื่องชาร์จแบตเตอรี่ไม่ให้เคลื่อนที่อย่างรวดเร็วภายใต้ศักยภาพของกราวด์ เมื่อวงจรมีแบตเตอรี่แบบย้อนกลับหรืออยู่ในสถานะปิดการตัดการเชื่อมต่อที่ไม่ถูกต้อง สามารถตรวจจับ MP1 และ R1 ได้ และใช้คุณสมบัติ RT ที่ขาดหายไปของ LTC4015 เพื่อปิดใช้งานเครื่องชาร์จแบตเตอรี่
โดยสรุป
เป็นไปได้ที่จะพัฒนาวงจรป้องกันแรงดันย้อนกลับสำหรับการใช้งานที่ใช้เครื่องชาร์จแบตเตอรี่ ผู้คนได้พัฒนาวงจรบางอย่างและทำการทดสอบสั้นๆ และผลการทดสอบก็น่ายินดี ไม่มีเคล็ดลับที่ฉลาดสำหรับปัญหาแบตเตอรี่ย้อนกลับ แต่ฉันหวังว่าวิธีการที่นำมาใช้ในบทความนี้สามารถให้ความกระจ่างที่เพียงพอ นั่นคือมีวิธีแก้ปัญหาที่เรียบง่ายและราคาประหยัด
Steven Martin ผู้จัดการฝ่ายออกแบบเครื่องชาร์จแบตเตอรี่
การแนะนำ
มีวิธีการที่รู้จักกันดีหลายวิธีในการจัดการกับการย้อนกลับของแรงดันไฟของแหล่งจ่ายไฟ วิธีที่ชัดเจนที่สุดคือการเชื่อมต่อไดโอดระหว่างแหล่งจ่ายไฟกับโหลด แต่เนื่องจากแรงดันไปข้างหน้าของไดโอด วิธีนี้จะทำให้สิ้นเปลืองพลังงานเพิ่มขึ้น แม้ว่าวิธีนี้จะง่ายมาก แต่ไดโอดไม่มีประโยชน์ในการใช้งานแบบพกพาหรือสำรอง เนื่องจากแบตเตอรี่จะต้องดูดซับกระแสไฟเมื่อชาร์จและจ่ายกระแสไฟเมื่อไม่ได้ชาร์จ
อีกวิธีหนึ่งคือการใช้วงจร MOSFET ตัวใดตัวหนึ่งที่แสดงในรูปที่ 1
รูปที่ 1: การป้องกันย้อนกลับด้านโหลดแบบดั้งเดิม
สำหรับวงจรด้านโหลด วิธีนี้ดีกว่าการใช้ไดโอด เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟ (แบตเตอรี่) ช่วยเพิ่ม MOSFET ส่งผลให้แรงดันไฟฟ้าตกน้อยลงและมีค่าการนำไฟฟ้าสูงขึ้นอย่างมาก รุ่น NMOS ของวงจรนี้ดีกว่ารุ่น PMOS เนื่องจากทรานซิสเตอร์ NMOS แบบแยกมีความนำสูงกว่า ต้นทุนต่ำกว่า และใช้งานได้ดีกว่า ในทั้งสองวงจร MOSFET จะเปิดขึ้นเมื่อแรงดันแบตเตอรี่เป็นบวก และตัดการเชื่อมต่อเมื่อแรงดันแบตเตอรี่ถูกย้อนกลับ "ท่อระบายน้ำ" ทางกายภาพของ MOSFET กลายเป็นแหล่งพลังงานเนื่องจากมีศักยภาพสูงกว่าในเวอร์ชัน PMOS และมีศักยภาพต่ำกว่าในเวอร์ชัน NMOS เนื่องจาก MOSFET มีความสมมาตรทางไฟฟ้าในบริเวณไตรโอด จึงสามารถนำกระแสได้ดีทั้งสองทิศทาง เมื่อใช้วิธีนี้ ทรานซิสเตอร์ต้องมีพิกัด VGS และ VDS สูงสุดที่สูงกว่าแรงดันแบตเตอรี่
น่าเสียดายที่วิธีนี้ได้ผลกับวงจรด้านโหลดเท่านั้นและไม่สามารถทำงานร่วมกับวงจรที่สามารถชาร์จแบตเตอรี่ได้ เครื่องชาร์จแบตเตอรี่จะสร้างพลังงาน เปิดใช้งาน MOSFET อีกครั้ง และสร้างการเชื่อมต่อกับแบตเตอรี่ย้อนกลับอีกครั้ง รูปที่ 2 แสดงตัวอย่างการใช้เวอร์ชัน NMOS แบตเตอรี่ที่แสดงในรูปอยู่ในสถานะผิดปกติ
รูปที่ 2: วงจรป้องกันด้านโหลดพร้อมเครื่องชาร์จแบตเตอรี่
เมื่อเชื่อมต่อแบตเตอรี่แล้ว เครื่องชาร์จแบตเตอรี่จะอยู่ในสถานะไม่ได้ใช้งาน และถอดโหลดและเครื่องชาร์จแบตเตอรี่ออกจากแบตเตอรี่ด้านหลังอย่างปลอดภัย อย่างไรก็ตาม หากเครื่องชาร์จเปลี่ยนเป็นสถานะการทำงาน (เช่น เสียบขั้วต่อไฟเข้า) เครื่องชาร์จจะสร้างแรงดันไฟฟ้าระหว่างเกตและแหล่งจ่ายของ NMOS ซึ่งช่วยปรับปรุง NMOS ซึ่งจะทำให้เกิดการนำกระแสไฟ นี้จะสดใสมากขึ้นในรูปที่ 3
รูปที่ 3: รูปแบบการป้องกันแบตเตอรี่ย้อนกลับแบบเดิมไม่ถูกต้องสำหรับวงจรเครื่องชาร์จแบตเตอรี่
แม้ว่าโหลดและเครื่องชาร์จจะถูกแยกออกจากแรงดันย้อนกลับ แต่ปัญหาสำคัญที่ต้องเผชิญกับ MOSFET ที่มีการป้องกันก็คือมันใช้พลังงานมากเกินไป ในกรณีนี้ เครื่องชาร์จแบตเตอรี่จะกลายเป็นตัวคายประจุแบตเตอรี่ เมื่อเครื่องชาร์จแบตเตอรี่รองรับเกตเพียงพอสำหรับ MOSFET เพื่อดูดซับกระแสไฟที่จ่ายโดยเครื่องชาร์จ วงจรจะเข้าสู่สมดุล ตัวอย่างเช่น ถ้า V ของ MOSFET . อันทรงพลังTH ประมาณ 2V และเครื่องชาร์จสามารถจ่ายกระแสไฟได้ต่ำกว่า 2V แรงดันไฟขาออกของเครื่องชาร์จแบตเตอรี่จะเสถียรที่ 2V (ท่อระบายน้ำของ MOSFET อยู่ที่ 2V + แรงดันแบตเตอรี่) การกระจายพลังงานใน MOSFET คือ ICHARGE • (วีTH + Vค้างคาว) เพื่อให้ MOSFET ร้อนขึ้นและสร้างความร้อนจนกว่าความร้อนที่สร้างขึ้นจะกระจายออกจากแผงวงจรพิมพ์ เช่นเดียวกับรุ่น PMOS ของวงจรนี้
เราจะแนะนำทางเลือกสองทางสำหรับวิธีนี้ด้านล่างนี้ ซึ่งแต่ละวิธีมีข้อดีและข้อเสีย
การออกแบบ N-channel MOSFET
โซลูชันแรกใช้อุปกรณ์แยก NMOS ดังแสดงในรูปที่ 4
อัลกอริธึมของวงจรนี้คือ: หากแรงดันไฟแบตเตอรี่เกินแรงดันเอาต์พุตของเครื่องชาร์จแบตเตอรี่ MOSFET แยกจะต้องปิดใช้งาน
เช่นเดียวกับวิธี NMOS ที่อธิบายข้างต้น ในวงจรนี้ MN1 เชื่อมต่อกับสายไฟด้านแรงดันต่ำระหว่างเครื่องชาร์จ/โหลดและขั้วแบตเตอรี่ อย่างไรก็ตาม ทรานซิสเตอร์ MP1 และ Q1 มีวงจรตรวจจับที่จะปิดใช้งาน MN1 ในกรณีที่มีการเชื่อมต่อแบตเตอรี่แบบย้อนกลับ การย้อนกลับของแบตเตอรี่จะเพิ่มแหล่งที่มาของ MP1 เหนือกริดที่เชื่อมต่อกับขั้วบวกของเครื่องชาร์จ จากนั้นระบายของ MP1 จะส่งกระแสไปยังฐานของ Q1 ผ่าน R1 จากนั้น Q1 จะแบ่งเกตของ MN1 ลงกับพื้น ป้องกันไม่ให้กระแสไฟชาร์จไหลใน MN1 R1 รับผิดชอบในการควบคุมกระแสฐานที่ไหลไปยัง Q1 ระหว่างการตรวจจับย้อนกลับ ในขณะที่ R2 จะให้เลือดออกสำหรับฐานของ Q1 ระหว่างการทำงานปกติ R3 ให้สิทธิ์ Q1 ในการดึงประตูของ MN1 ลงกับพื้น ตัวแบ่งแรงดันไฟ R3/R4 จะจำกัดแรงดันไฟที่เกทของ MN1 เพื่อให้แรงดันเกทไม่ต้องตกมากนักในระหว่างการสลับร้อนของแบตเตอรี่แบบย้อนกลับ กรณีที่เลวร้ายที่สุดคือเมื่อเครื่องชาร์จแบตเตอรี่ทำงานอยู่แล้ว สร้างระดับแรงดันไฟคงที่ และใส่แบตเตอรี่ย้อนกลับ ในกรณีนี้ จำเป็นต้องปิด MN1 โดยเร็วที่สุดเพื่อจำกัดเวลาที่ใช้พลังงานสูง วงจรรุ่นพิเศษที่มี R3 และ R4 นี้เหมาะที่สุดสำหรับการใช้งานแบตเตอรี่ตะกั่วกรด 12V แต่ในการใช้งานที่มีแรงดันไฟฟ้าต่ำกว่า เช่น ผลิตภัณฑ์แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเซลล์เดียวและสองเซลล์ R4 สามารถยกเว้นได้ Capacitor C1 ให้ปั๊มชาร์จแบบเร็วพิเศษเพื่อดึงระดับเกทของ MN1 ลงระหว่างการติดตั้งแบตเตอรี่แบบย้อนกลับ สำหรับกรณีที่เลวร้ายที่สุด (เมื่อใส่แบตเตอรี่แบบย้อนกลับ เครื่องชาร์จถูกเปิดใช้งานอีกครั้ง) C1 มีประโยชน์มาก
ข้อเสียของวงจรนี้คือจำเป็นต้องมีส่วนประกอบเพิ่มเติม ตัวแบ่งแรงดันไฟ R3/R4 สร้างภาระให้กับแบตเตอรี่เพียงเล็กน้อยแต่ต่อเนื่อง
ส่วนประกอบเหล่านี้ส่วนใหญ่บาง MP1 และ Q1 ไม่ใช่อุปกรณ์จ่ายไฟ และโดยปกติแล้วจะมีแพ็คเกจ SOT23-3, SC70-3 หรือเล็กกว่านั้นให้เลือก MN1 ควรมีการนำไฟฟ้าที่ดีมากเพราะเป็นอุปกรณ์ส่งสัญญาณ แต่ไม่จำเป็นต้องมีขนาดใหญ่ เนื่องจากทำงานในพื้นที่ไตรโอดลึกและเกตได้รับการเสริมความแข็งแกร่งอย่างมาก การใช้พลังงานจึงต่ำมากแม้สำหรับอุปกรณ์ที่มีค่าการนำไฟฟ้าปานกลาง ตัวอย่างเช่น ทรานซิสเตอร์ที่ต่ำกว่า 100mΩ มักจะบรรจุอยู่ใน SOT23-3
รูปที่ 4: วงจรแบตเตอรี่ย้อนกลับที่เป็นไปได้
อย่างไรก็ตาม ข้อเสียของการใช้ทรานซิสเตอร์แบบส่งผ่านขนาดเล็กก็คือ อิมพีแดนซ์เพิ่มเติมในอนุกรมกับเครื่องชาร์จแบตเตอรี่จะช่วยยืดเวลาในการชาร์จระหว่างเฟสการชาร์จด้วยแรงดันไฟคงที่ ตัวอย่างเช่น หากแบตเตอรี่และสายไฟมีความต้านทานอนุกรมเทียบเท่า 100mΩ และใช้ทรานซิสเตอร์แยก 100mΩ เวลาในการชาร์จระหว่างเฟสการชาร์จด้วยแรงดันคงที่จะเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า
วงจรการตรวจจับและการปิดใช้งานที่ประกอบด้วย MP1 และ Q1 นั้นไม่ได้รวดเร็วเป็นพิเศษในการปิดใช้งาน MN1 และไม่จำเป็นต้องเป็นเช่นนั้น แม้ว่า MN1 จะสร้างการใช้พลังงานสูงในระหว่างการต่อพ่วงแบตเตอรี่แบบย้อนกลับ วงจรปิดเครื่องจำเป็นต้องตัดการเชื่อมต่อ MN1 "ในตอนท้าย" เท่านั้น ต้องตัดการเชื่อมต่อ MN1 ก่อนที่ MN1 จะร้อนขึ้นมากจนทำให้เกิดความเสียหาย เวลาในการตัดการเชื่อมต่อหลายสิบไมโครวินาทีอาจเหมาะสมกว่า ในทางกลับกัน การปิด MN1 เป็นสิ่งสำคัญก่อนที่การเชื่อมต่อแบบย้อนกลับของแบตเตอรี่จะมีโอกาสดึงเครื่องชาร์จและโหลดแรงดันไฟฟ้าให้เป็นค่าลบ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้ C1 โดยทั่วไป วงจรมีหนึ่งเส้นทางการปิดใช้งาน AC และ DC หนึ่งเส้นทาง
วงจรนี้ทดสอบด้วยแบตเตอรี่ตะกั่ว-กรดและเครื่องชาร์จแบตเตอรี่ LTC4015 ดังแสดงในรูปที่ 5 เครื่องชาร์จแบตเตอรี่อยู่ในสถานะปิดเมื่อเสียบแบตเตอรี่แบบร้อนในทิศทางย้อนกลับ แรงดันย้อนกลับจะไม่ถูกส่งไปยังเครื่องชาร์จและโหลด
รูปที่ 5: วงจรป้องกัน NMOS โดยที่เครื่องชาร์จอยู่ในสถานะปิด
เป็นที่น่าสังเกตว่า MN1 ต้องการ V เท่ากับแรงดันแบตเตอรี่DS ค่าพิกัดและ V เท่ากับ 1/2 แรงดันแบตเตอรี่GS ค่านิยม MP1 ต้องการ V เท่ากับแรงดันแบตเตอรี่DS และ VGS ค่านิยม
รูปที่ 6 แสดงสถานการณ์ที่ร้ายแรงกว่านั้น กล่าวคือ เครื่องชาร์จแบตเตอรี่ทำงานตามปกติแล้วเมื่อเปลี่ยนแบตเตอรี่แบบย้อนกลับ การเชื่อมต่อกลับด้านของแบตเตอรี่จะดึงแรงดันไฟที่ด้านเครื่องชาร์จลงมา จนกว่าวงจรตรวจจับและป้องกันจะทำให้ไม่ทำงาน ทำให้เครื่องชาร์จกลับสู่ระดับแรงดันไฟคงที่ได้อย่างปลอดภัย ลักษณะไดนามิกจะแตกต่างกันไปตามแต่ละแอพพลิเคชั่น และความจุของเครื่องชาร์จแบตเตอรี่จะมีบทบาทสำคัญในผลลัพธ์สุดท้าย ในการทดสอบนี้ เครื่องชาร์จแบตเตอรี่มีทั้งตัวเก็บประจุแบบเซรามิก Q สูงและตัวเก็บประจุแบบโพลีเมอร์ Q ต่ำ
รูปที่ 6: วงจรป้องกัน NMOS ขณะใช้งานเครื่องชาร์จ
กล่าวโดยย่อ ขอแนะนำให้ใช้ตัวเก็บประจุอลูมิเนียมโพลีเมอร์และตัวเก็บประจุอลูมิเนียมอิเล็กโทรไลต์บนเครื่องชาร์จแบตเตอรี่ เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการทำงานในระหว่างการเสียบปลั๊กแบตเตอรี่ที่เป็นบวกตามปกติ เนื่องจากความไม่เป็นเชิงเส้นที่รุนแรง ตัวเก็บประจุเซรามิกบริสุทธิ์จะทำให้เกิดการโอเวอร์โหลดมากเกินไปในระหว่างการเสียบปลั๊กแบบร้อน เหตุผลเบื้องหลังคือเมื่อแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้นจาก 0V เป็นแรงดันไฟฟ้าที่กำหนด ความจุจะลดลงอย่างน่าประหลาดใจ 80% ความไม่เป็นเชิงเส้นนี้กระตุ้นการไหลของกระแสสูงภายใต้สภาวะแรงดันไฟต่ำ และเมื่อแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้น ความจุจะลดลงอย่างรวดเร็ว นี่เป็นการรวมกันที่ร้ายแรงซึ่งนำไปสู่การเกิดไฟฟ้าเกินกำลังสูงมาก ตามกฎทั่วไปแล้ว การรวมกันของตัวเก็บประจุเซรามิกและตัวเก็บประจุอลูมิเนียมที่มีแรงดันไฟฟ้า Q ต่ำ หรือแม้แต่ตัวเก็บประจุแทนทาลัมดูเหมือนจะเป็นการผสมผสานที่แข็งแกร่งที่สุด
การออกแบบ P-channel MOSFET
รูปที่ 7 แสดงวิธีที่สอง ซึ่งใช้ทรานซิสเตอร์ PMOS เป็นอุปกรณ์ป้องกัน
รูปที่ 7: รุ่นองค์ประกอบการส่งทรานซิสเตอร์ PMOS
ในวงจรนี้ MP1 เป็นอุปกรณ์ตรวจจับแบตเตอรี่แบบย้อนกลับ และ MP2 เป็นอุปกรณ์แยกแบบย้อนกลับ ใช้แรงดันไฟจากต้นทางถึงเกตของ MP1 เพื่อเปรียบเทียบขั้วบวกของแบตเตอรี่กับเอาท์พุตเครื่องชาร์จแบตเตอรี่ หากแรงดันขั้วของเครื่องชาร์จแบตเตอรี่สูงกว่าแรงดันแบตเตอรี่ MP1 จะปิดใช้งานอุปกรณ์ส่งสัญญาณหลัก MP2 ดังนั้น หากแรงดันแบตเตอรี่ถูกขับลงใต้พื้นดิน เป็นที่ชัดเจนว่าอุปกรณ์ตรวจจับ MP1 จะขับเคลื่อนอุปกรณ์ส่งสัญญาณ MP2 ให้อยู่ในสถานะปิด (ขัดขวางเกตไปยังแหล่งกำเนิด) ไม่ว่าจะเปิดใช้งานเครื่องชาร์จแบตเตอรี่และสร้างแรงดันไฟฟ้าในการชาร์จหรือปิดใช้งาน (0V) การดำเนินการข้างต้นจะเสร็จสมบูรณ์
ข้อได้เปรียบที่ใหญ่ที่สุดของวงจรนี้คือ MP2 ทรานซิสเตอร์แยก PMOS ไม่มีอำนาจในการส่งแรงดันลบไปยังวงจรเครื่องชาร์จและโหลด รูปที่ 8 แสดงสิ่งนี้อย่างชัดเจนยิ่งขึ้น
รูปที่ 8: ไดอะแกรมของเอฟเฟกต์คาสโคด
แรงดันไฟฟ้าต่ำสุดที่สามารถทำได้บนเกตของ MP2 ถึง R1 คือ 0V แม้ว่าท่อระบายน้ำของ MP2 จะถูกดึงให้ต่ำกว่าศักยภาพของกราวด์มาก แหล่งกำเนิดจะไม่ใช้แรงดันแรงดันลงอย่างมีนัยสำคัญ เมื่อแรงดันไฟต้นทางลดลงเป็น V โดยที่ทรานซิสเตอร์อยู่เหนือพื้นดินTH, ทรานซิสเตอร์จะปล่อยอคติของตัวเองและค่าการนำไฟฟ้าจะค่อยๆ หายไป ยิ่งแรงดันแหล่งจ่ายเข้าใกล้ศักย์กราวด์มากเท่าใด ระดับของการปล่อยอคติของทรานซิสเตอร์ก็จะยิ่งสูงขึ้น คุณลักษณะนี้ ประกอบกับโทโพโลยีอย่างง่าย ทำให้วิธีนี้เป็นที่นิยมมากกว่าวิธี NMOS ที่อธิบายไว้ข้างต้น เมื่อเทียบกับวิธี NMOS ทรานซิสเตอร์ PMOS มีข้อเสียคือค่าการนำไฟฟ้าที่ต่ำกว่าและต้นทุนของทรานซิสเตอร์ PMOS ที่สูงขึ้น
แม้ว่าจะง่ายกว่าวิธี NMOS แต่วงจรนี้มีข้อเสียอย่างมาก แม้ว่ามันจะให้การป้องกันแรงดันย้อนกลับเสมอ แต่ก็อาจไม่ได้เชื่อมต่อวงจรกับแบตเตอรี่เสมอไป เมื่อประตูเชื่อมต่อกันตามที่แสดง วงจรจะสร้างองค์ประกอบการจัดเก็บแบบสลัก ซึ่งอาจเลือกสถานะที่ไม่ถูกต้อง แม้ว่าจะทำได้ยาก แต่ก็มีสถานการณ์ที่เครื่องชาร์จสร้างแรงดันไฟฟ้า (เช่น 12V) และเมื่อต่อแบตเตอรี่ที่แรงดันไฟฟ้าต่ำกว่า (เช่น 8V) วงจรจะถูกตัดการเชื่อมต่อ
ในกรณีนี้ แรงดันไฟจากต้นทางถึงเกตของ MP1 คือ +4V ซึ่งทำให้ MP1 แข็งแกร่งขึ้นและปิดใช้งาน MP2 สถานการณ์นี้แสดงในรูปที่ 9 และแสดงแรงดันไฟฟ้าที่เสถียรบนโหนด
รูปที่ 9: ไดอะแกรมของสถานะการบล็อกที่เป็นไปได้เมื่อใช้วงจรป้องกัน PMOS
เพื่อให้บรรลุเงื่อนไขนี้ เครื่องชาร์จต้องทำงานอยู่แล้วเมื่อเชื่อมต่อแบตเตอรี่ หากเชื่อมต่อแบตเตอรี่ก่อนเปิดใช้งานเครื่องชาร์จ แรงดันเกตของ MP1 จะถูกดึงขึ้นโดยแบตเตอรี่จนสุด ซึ่งจะทำให้ MP1 ปิดใช้งาน เมื่อเปิดเครื่องชาร์จ จะสร้างกระแสควบคุม (แทนที่จะเป็นไฟกระชากสูง) ซึ่งช่วยลดความเป็นไปได้ที่ MP1 จะเปิดขึ้นและปิด MP2
ในทางกลับกัน หากอุปกรณ์ชาร์จถูกเปิดใช้งานก่อนที่จะต่อแบตเตอรี่ ประตูของ MP1 จะทำตามเอาต์พุตของเครื่องชาร์จแบตเตอรี่เพียงเพราะถูกดึงขึ้นโดยตัวต้านทานไล่ลม R2 เมื่อไม่ได้เชื่อมต่อแบตเตอรี่ MP1 จะไม่มีแนวโน้มที่จะเปิดและทำให้ MP2 ไม่ทำงาน
เมื่อเครื่องชาร์จเริ่มทำงานและเสียบแบตเตอรี่ ปัญหาจะเกิดขึ้น ในกรณีนี้ จะมีความแตกต่างชั่วขณะระหว่างเอาต์พุตของเครื่องชาร์จและขั้วแบตเตอรี่ ซึ่งจะทำให้ MP1 เลิกใช้งาน MP2 เนื่องจากแรงดันแบตเตอรี่บังคับให้ตัวเก็บประจุของเครื่องชาร์จดูดซับ สิ่งนี้ทำให้เกิดการแข่งขันระหว่างความสามารถของ MP2 ในการดึงประจุจากตัวเก็บประจุเครื่องชาร์จและความสามารถของ MP1 ในการเลิกใช้งาน MP2
วงจรได้รับการทดสอบด้วยแบตเตอรี่ตะกั่วกรดและเครื่องชาร์จแบตเตอรี่ LTC4015 การเชื่อมต่อแหล่งจ่ายไฟ 6V ที่รับภาระหนักเป็นเครื่องจำลองแบตเตอรี่กับเครื่องชาร์จแบตเตอรี่ที่เปิดใช้งานจะไม่ทำให้เกิดสถานะ "ตัดการเชื่อมต่อ" การทดสอบที่ทำนั้นไม่ครอบคลุมและควรทดสอบอย่างละเอียดถี่ถ้วนยิ่งขึ้นในการใช้งานหลัก แม้ว่าวงจรจะถูกล็อคจริงๆ ก็ตาม การปิดใช้งานเครื่องชาร์จแบตเตอรี่และการเปิดใช้งานใหม่จะทำให้มีการเชื่อมต่อใหม่เสมอ
สถานะความผิดปกติสามารถแสดงได้โดยการจัดการวงจร (สร้างการเชื่อมต่อชั่วคราวระหว่างด้านบนของ R1 กับเอาต์พุตเครื่องชาร์จแบตเตอรี่) อย่างไรก็ตาม เชื่อกันโดยทั่วไปว่าวงจรมีแนวโน้มที่จะเชื่อมต่อมากกว่า หากความล้มเหลวในการเชื่อมต่อกลายเป็นปัญหา คุณสามารถออกแบบวงจรที่ใช้อุปกรณ์หลายเครื่องเพื่อปิดใช้งานเครื่องชาร์จแบตเตอรี่ได้ รูปที่ 12 แสดงตัวอย่างวงจรที่สมบูรณ์ยิ่งขึ้น
รูปที่ 10 แสดงผลของวงจรป้องกัน PMOS เมื่อปิดใช้งานเครื่องชาร์จ
โปรดทราบว่าไม่ว่าสถานการณ์จะเป็นอย่างไร จะไม่มีการถ่ายโอนแรงดันลบระหว่างเครื่องชาร์จแบตเตอรี่และแรงดันโหลด
รูปที่ 11 แสดงว่าวงจรอยู่ในสถานการณ์ที่ไม่เอื้ออำนวยของ "เครื่องชาร์จเข้าสู่สถานะการทำงานเมื่อแบตเตอรี่ถูกเชื่อมต่อแบบย้อนกลับสำหรับการเสียบปลั๊กร้อน"
ผลกระทบของวงจร NMOS เกือบจะเหมือนกัน ก่อนถอดวงจรเพื่อให้ทรานสสิสเตอร์ MP2 ไม่ทำงาน แบตเตอรีย้อนกลับจะดึงเครื่องชาร์จและแรงดันโหลดลงเล็กน้อย
ในวงจรรุ่นนี้ ทรานซิสเตอร์ MP2 จะต้องสามารถทนต่อแรงดันไฟของแบตเตอรี่ V . ได้สองเท่าDS (หนึ่งอันสำหรับเครื่องชาร์จและอีกอันสำหรับการเชื่อมต่อย้อนกลับของแบตเตอรี่) และ V เท่ากับแรงดันแบตเตอรี่GS. ในทางกลับกัน MP1 จะต้องสามารถทนต่อ V ได้เท่ากับแรงดันแบตเตอรี่DSและ V ซึ่งเป็นสองเท่าของแรงดันแบตเตอรี่GS. ข้อกำหนดนี้เป็นเรื่องที่น่าเสียดายเพราะสำหรับทรานซิสเตอร์ MOSFET พิกัดVDSเกินพิกัดV .เสมอGS. สามารถพบได้กับ 30V VGS ความคลาดเคลื่อนและ 40V VDS ทรานซิสเตอร์ที่ทนทานเหมาะสำหรับการใช้งานแบตเตอรี่ตะกั่วกรด เพื่อรองรับแบตเตอรี่ไฟฟ้าแรงสูง ต้องเพิ่มไดโอดซีเนอร์และตัวต้านทานจำกัดกระแสเพื่อปรับเปลี่ยนวงจร
รูปที่ 12 แสดงตัวอย่างวงจรที่สามารถรองรับแบตเตอรี่ตะกั่วกรดสองก้อนที่ซ้อนกันเป็นชุด
รูปที่ 10: วงจรป้องกัน PMOS โดยที่เครื่องชาร์จอยู่ในสถานะปิด
รูปที่ 11: วงจรป้องกัน PMOS ขณะใช้งานเครื่องชาร์จ
ADI เชื่อว่าข้อมูลที่ให้นั้นถูกต้องและเชื่อถือได้ อย่างไรก็ตาม ADI จะไม่รับผิดชอบต่อการใช้งานและการละเมิดสิทธิบัตรของบุคคลที่สามหรือสิทธิ์อื่นๆ ที่อาจเป็นผลมาจากการใช้งาน ข้อมูลจำเพาะอาจมีการเปลี่ยนแปลงโดยไม่ต้องแจ้งให้ทราบล่วงหน้า. ไม่อนุญาตให้ใช้สิทธิบัตรหรือสิทธิ์ในสิทธิบัตรของ ADI โดยปริยายหรืออย่างอื่น
รูปที่ 12: การป้องกันแบตเตอรี่ย้อนกลับด้วยแรงดันสูง
D1, D3 และ R3 ปกป้องประตูของ MP2 และ MP3 จากความเสียหายจากไฟฟ้าแรงสูง เมื่อแบตเตอรี่แบบย้อนกลับถูกเปลี่ยนโดย Hot Swap D2 สามารถป้องกันตาราง MP3 และเครื่องชาร์จแบตเตอรี่ไม่ให้เคลื่อนที่อย่างรวดเร็วภายใต้ศักยภาพของกราวด์ เมื่อวงจรมีแบตเตอรี่แบบย้อนกลับหรืออยู่ในสถานะปิดการตัดการเชื่อมต่อที่ไม่ถูกต้อง สามารถตรวจจับ MP1 และ R1 ได้ และใช้คุณสมบัติ RT ที่ขาดหายไปของ LTC4015 เพื่อปิดใช้งานเครื่องชาร์จแบตเตอรี่
โดยสรุป
สามารถพัฒนาวงจรป้องกันแรงดันไฟย้อนกลับสำหรับการใช้งานที่ใช้เครื่องชาร์จแบตเตอรี่ได้ ผู้คนได้พัฒนาวงจรบางอย่างและทำการทดสอบสั้นๆ และผลการทดสอบก็น่ายินดี ไม่มีเคล็ดลับที่ชาญฉลาดสำหรับปัญหาแบตเตอรี่ย้อนกลับ แต่ฉันหวังว่าวิธีการที่นำมาใช้ในบทความนี้สามารถให้ความกระจ่างที่เพียงพอ นั่นคือมีวิธีแก้ปัญหาที่เรียบง่ายและราคาประหยัด
ลิงค์: NL6448BC33-59 ด FS450R12KE3