Akü şarj cihazının ters voltaj koruması

"Güç kaynağıyla ilgilenmek için iyi bilinen birkaç yöntem vardır. Voltaj tersine çevirme. En belirgin yöntem, güç kaynağı ile yük arasına bir diyot bağlamaktır, ancak diyotun ileri voltajı nedeniyle bu yaklaşım ek güç tüketimi yaratacaktır. Bu yöntem çok basit olmasına rağmen, pilin şarj sırasında akımı emmesi ve şarj olmadığında akım sağlaması gerektiğinden diyot taşınabilir veya yedek uygulamalarda kullanışlı değildir.

"

Steven Martin, Pil Şarj Cihazı Tasarım Müdürü

giriş

Güç kaynağı voltajının ters çevrilmesiyle başa çıkmak için iyi bilinen birkaç yöntem vardır. En belirgin yöntem, güç kaynağı ile yük arasına bir diyot bağlamaktır, ancak diyotun ileri voltajı nedeniyle bu yaklaşım ek güç tüketimi yaratacaktır. Bu yöntem çok basit olmasına rağmen, pilin şarj sırasında akımı emmesi ve şarj olmadığında akım sağlaması gerektiğinden diyot taşınabilir veya yedek uygulamalarda kullanışlı değildir.

Diğer bir yöntem ise aşağıdakilerden birini kullanmaktır. mosfet Şekil 1'de gösterilen devreler.

Şekil 1: Geleneksel yük tarafı ters koruması

Yük tarafındaki devreler için bu yöntem diyot kullanmaktan daha iyidir çünkü güç kaynağı (akü) voltajı voltajı artırır. MOSFETdaha az voltaj düşüşü ve önemli ölçüde daha yüksek iletkenlik ile sonuçlanır. Bunun NMOS versiyonu devre PMOS versiyonundan daha iyidir çünkü ayrık NMOS transistörler daha yüksek iletkenliğe, daha düşük maliyete ve daha iyi kullanılabilirliğe sahiptir. Her iki devrede de akü voltajı pozitif olduğunda MOSFET açılır, akü voltajı ters olduğunda bağlantısı kesilir. MOSFET'in fiziksel "boşalması" güç kaynağı haline gelir çünkü PMOS versiyonunda daha yüksek bir potansiyele ve NMOS versiyonunda daha düşük bir potansiyele sahiptir. O zamandan beri mosfetler Triyot bölgesinde elektriksel olarak simetriktirler, akımı her iki yönde de iyi iletebilirler. Bu yöntemi kullanırken, Transistor akü voltajından daha yüksek bir maksimum VGS ve VDS derecesine sahip olmalıdır.

Ne yazık ki bu yöntem yalnızca yük tarafındaki devreler için etkilidir ve aküyü şarj edebilen devrelerle çalışamaz. Akü şarj cihazı güç üretecek, MOSFET'i yeniden etkinleştirecek ve ters aküyle bağlantıyı yeniden kuracaktır. Şekil 2, NMOS sürümünün kullanımına ilişkin bir örneği göstermektedir. Şekilde gösterilen pil arızalı durumdadır.

Şekil 2: Akü şarj cihazıyla yük tarafı koruma devresi

Akü bağlandığında akü şarj cihazı boş durumdadır ve yük ve akü şarj cihazı ters aküden güvenli bir şekilde ayrılır. Bununla birlikte, şarj cihazı çalışma durumuna geçerse (örneğin, bir giriş gücü konektörü takılıysa), şarj cihazı NMOS'un kapısı ile kaynağı arasında bir voltaj üretir, bu da NMOS'u güçlendirir ve böylece akım iletimini gerçekleştirir. Bu durum Şekil 3'te daha canlı olarak görülmektedir.

Şekil 3: Geleneksel ters akü koruma şeması, akü şarj cihazı devresi için geçersizdir

Yük ve şarj cihazı ters voltajdan izole edilmiş olmasına rağmen koruyucu MOSFET'in karşılaştığı en büyük sorun, çok fazla güç tüketmesidir. Bu durumda akü şarj cihazı, akü deşarj cihazı haline gelir. Akü şarj cihazı, MOSFET'in şarj cihazı tarafından iletilen akımı absorbe etmesi için yeterli geçit desteğini sağladığında devre dengeye ulaşacaktır. Örneğin, güçlü bir MOSFET'in V'si_TH Yaklaşık 2V ve şarj cihazı 2V voltajın altında akım sağlayabilir, akü şarj cihazının çıkış voltajı 2V'de sabitlenecektir (MOSFET'in drenajı 2V + akü voltajındadır). MOSFET'teki güç dağılımı I_{ŞARJ ETMEK} • (V_TH + V_BAT), böylece MOSFET ısınır ve üretilen ısı baskılı devre kartından uzaklaşıncaya kadar ısı üretir. Aynı durum bu devrenin PMOS versiyonu için de geçerlidir.

Aşağıda bu yöntemin her birinin avantaj ve dezavantajları olan iki alternatifi tanıtılacaktır.

N-kanallı MOSFET tasarımı

İlk çözüm, Şekil 4'te gösterildiği gibi bir NMOS izolasyon cihazı kullanır.

Bu devrenin algoritması şu şekildedir: Akü voltajı akü şarj cihazı çıkış voltajını aşarsa izolasyon MOSFET'i devre dışı bırakılmalıdır.

Yukarıda açıklanan NMOS yönteminde olduğu gibi, bu devrede MN1, şarj cihazı/yük ile akü terminalleri arasındaki kabloların düşük voltaj tarafına bağlanır. Ancak MP1 ve Q1 transistörleri artık ters akü bağlantısı durumunda MN1'i devre dışı bırakacak bir algılama devresi sağlıyor. Pilin ters çevrilmesi, MP1 kaynağını şarj cihazının pozitif terminaline bağlı olan şebekenin üzerine yükseltir. Daha sonra MP1'in drenajı, Q1'den R1'e kadar olan tabanına akım iletir. Ardından Q1, MN1'in kapısını toprağa yönlendirerek şarj akımının MN1'de akmasını engeller. R1, ters algılama sırasında Q1'e akan taban akımını kontrol etmekten sorumludur, R2 ise normal çalışma sırasında Q1'in tabanı için tahliye sağlar. R3, Q1'e MN1'in kapısını yere çekme yetkisi verir. R3/R4 voltaj bölücü, MN1'in kapısındaki voltajı sınırlar, böylece ters akü çalışırken değiştirildiğinde kapı voltajının çok fazla düşmesine gerek kalmaz. En kötü durum, akü şarj cihazının zaten çalışır durumda olması, sabit voltaj seviyesini üretmesi ve ters akü takılmasıdır. Bu durumda yüksek gücün tüketildiği süreyi sınırlamak için MN1'in mümkün olduğu kadar hızlı kapatılması gerekir. Devrenin R3 ve R4'lü bu özel versiyonu, 12V kurşun-asit akü uygulamaları için en uygun olanıdır ancak tek hücreli ve iki hücreli lityum-iyon akü ürünleri gibi daha düşük voltajlı uygulamalarda R4 muaf tutulabilir. Kapasitör C1, ters akü takılması sırasında MN1'in geçit seviyesini aşağı çekmek için ultra hızlı bir şarj pompası sağlar. En kötü durumda (ters akü takıldığında şarj cihazı yeniden etkinleştirilmiştir), C1 çok kullanışlıdır.

Bu devrenin dezavantajı ek bileşenler gerekmektedir. R3/R4 voltaj bölücü akü üzerinde küçük ama sürekli bir yük oluşturur.

Bu bileşenlerin çoğu incedir. MP1 ve Q1 güç cihazları değildir ve genellikle SOT23-3, SC70-3 veya daha küçük paketler mevcuttur. MN1 bir iletim cihazı olduğundan çok iyi iletkenliğe sahip olmalıdır, ancak boyutunun büyük olması gerekmez. Derin triyot bölgesinde çalıştığı ve geçit tarafından büyük ölçüde güçlendirildiği için orta iletkenliğe sahip cihazlarda bile güç tüketimi oldukça düşüktür. Örneğin, 100 mΩ'un altındaki transistörler genellikle SOT23-3'te paketlenir.

Şekil 4: Uygun bir ters akü devresi

Ancak küçük geçiş kullanmanın dezavantajı Transistor akü şarj cihazıyla seri bağlı ek empedansın, sabit voltajlı şarj aşaması sırasında şarj süresini uzatmasıdır. Örneğin, pil ve kablolarının 100mΩ eşdeğer seri direnci varsa ve 100mΩ izolasyon transistörü kullanılıyorsa, sabit voltajlı şarj aşaması sırasında şarj süresi iki katına çıkacaktır.

MP1 ve Q1'den oluşan tespit ve devre dışı bırakma devresi, MN1'i devre dışı bırakmak için özellikle hızlı değildir ve öyle olmalarına da gerek yoktur. MN1 ters akü takılması sırasında yüksek güç tüketimi oluştursa da, kapatma devresinin MN1'in bağlantısını yalnızca "sonda" kesmesi gerekir. MN1 hasara yol açacak kadar ısınmadan önce MN1'in bağlantısını kesmesi gerekir. Onlarca mikrosaniyelik bir bağlantı kesme süresi daha uygun olabilir. Öte yandan, akünün ters bağlanmasının şarj cihazını ve yük voltajını negatif değere çekme fırsatı bulmasından önce MN1'in devre dışı bırakılması kritik öneme sahiptir, bu nedenle C1 gereklidir. Temel olarak devrenin bir AC ve bir DC devre dışı bırakma yolu vardır.

Bu devre kurşun asitli akü ve LTC4015 akü şarj cihazıyla test edildi. Şekil 5'te gösterildiği gibi, pil ters yönde çalışırken takıldığında pil şarj cihazı KAPALI durumdadır. Ters voltaj şarj cihazına ve yüke iletilmez.

Şekil 5: Şarj cihazı kapalı durumdayken NMOS koruma devresi

MN1'in akü voltajına eşit bir V'ye ihtiyacı olduğunu belirtmekte fayda var._DS Nominal değer ve 1/2 akü voltajına eşit bir V_GS Nominal değer. MP1'in akü voltajına eşit bir V'ye ihtiyacı var_DS Ve V_GS Nominal değer.

Şekil 6 daha ciddi bir durumu göstermektedir; yani, ters akü çalışırken değiştirildiğinde akü şarj cihazı zaten normal çalışma halindedir. Akünün ters bağlanması, algılama ve koruma devresi devre dışı bırakılıncaya kadar şarj cihazı tarafındaki voltajı düşürerek şarj cihazının güvenli bir şekilde sabit voltaj seviyesine dönmesine olanak tanır. Dinamik özellikler uygulamadan uygulamaya değişecektir ve akü şarj cihazının kapasitansı nihai sonuçta büyük rol oynayacaktır. Bu testte, pil şarj cihazı hem yüksek Q'lu bir seramik kapasitöre hem de düşük Q'lu bir polimer kapasitöre sahiptir.

Şekil 6: Şarj cihazı çalışırken NMOS koruma devresi

Kısaca alüminyum polimer kullanılması tavsiye edilir. Kondansatörler ve normal pozitif akünün çalışırken takılması sırasında performansı artırmak için akü şarj cihazında alüminyum elektrolitik kapasitörler. Aşırı doğrusal olmama nedeniyle, saf seramik kapasitörler çalışırken takma sırasında aşırı aşım üretecektir. Bunun nedeni, voltaj 0V'tan nominal voltaja yükseldiğinde kapasitansın şaşırtıcı bir şekilde %80 oranında azalmasıdır. Bu doğrusal olmama, düşük voltaj koşullarında yüksek akımın akışını uyarır ve voltaj yükseldiğinde kapasitans hızla azalır; bu çok yüksek voltaj aşımına neden olan ölümcül bir kombinasyondur. Genel bir kural olarak, seramik bir kapasitör ile düşük Q'lu, voltaja dayanıklı bir alüminyum kapasitör veya hatta bir tantal kapasitör kombinasyonu en sağlam kombinasyon gibi görünmektedir.

P-kanalı MOSFET tasarımı

Şekil 7, koruma cihazı olarak PMOS transistörünü kullanan ikinci yöntemi göstermektedir.

Şekil 7: PMOS transistör iletim elemanı versiyonu

Bu devrede MP1 bir ters pil tespit cihazıdır ve MP2 bir ters izolasyon cihazıdır. Akünün pozitif terminalini akü şarj cihazı çıkışıyla karşılaştırmak için MP1'in kaynak-geçit voltajını kullanın. Akü şarj cihazı terminal voltajı akü voltajından yüksekse, MP1 ana iletim cihazı MP2'yi devre dışı bırakacaktır. Bu nedenle, pil voltajı toprağın altına sürülürse, MP1 algılama cihazının MP2 iletim cihazını kapalı duruma getireceği (kaynağının kapısına müdahale ederek) açıktır. Akü şarj cihazının aktif olup şarj voltajı oluşturmasına veya devre dışı (0V) olmasına bakılmaksızın yukarıdaki işlemleri tamamlayacaktır.

Bu devrenin en büyük avantajı PMOS izolasyon transistörü MP2'nin negatif voltajı şarj devresine ve yüke iletme yetkisinin olmamasıdır. Şekil 8 bunu daha açık bir şekilde göstermektedir.

Şekil 8: Kaskod etkisinin diyagramı

MP2'den R1'e kadar olan kapıda elde edilebilecek en düşük voltaj 0V'dur. MP2'nin drenajı toprak potansiyelinin çok altına çekilse bile kaynağı önemli miktarda aşağıya doğru voltaj basıncı uygulamayacaktır. Transistörün toprak üstünde olduğu yerde kaynak voltajı V'ye düştüğünde_TH, Transistör kendi önyargısını serbest bırakacak ve iletkenliği yavaş yavaş kaybolacaktır. Kaynak voltajı toprak potansiyeline ne kadar yakınsa, transistörün öngerilme derecesi o kadar yüksek olur. Bu özellik, basit topolojiyle birleştiğinde bu yöntemi yukarıda açıklanan NMOS yönteminden daha popüler hale getirir. NMOS yöntemiyle karşılaştırıldığında, daha düşük iletkenlik ve PMOS transistörlerinin daha yüksek maliyeti gibi dezavantajları vardır.

NMOS yöntemine göre daha basit olmasına rağmen bu devrenin büyük bir dezavantajı bulunmaktadır. Her ne kadar ters voltaja karşı koruma sağlasa da her zaman devreyi aküye bağlamayabilir. Kapı şekilde gösterildiği gibi çapraz bağlandığında devre, yanlış durumu seçebilecek mandallı bir depolama elemanı oluşturur. Bunu başarmak zor olsa da şarj cihazının voltaj ürettiği (örneğin 12V) ve daha düşük bir voltajda (örneğin 8V) akü takıldığında devrenin bağlantısının kesildiği bir durum vardır.

Bu durumda, MP1'in kaynak-geçit voltajı +4V'tur, dolayısıyla MP1'i güçlendirir ve MP2'yi devre dışı bırakır. Bu durum Şekil 9'da gösterilmekte ve düğümde kararlı bir voltaj listelenmektedir.

Şekil 9: PMOS koruma devresini kullanırken olası engelleme durumlarının şeması

Bu koşulu sağlamak için akü bağlandığında şarj cihazının çalışır durumda olması gerekir. Akü, şarj cihazı etkinleştirilmeden önce bağlanırsa, MP1'in geçit voltajı akü tarafından tamamen yukarı çekilir, böylece MP1 devre dışı kalır. Şarj cihazı açıldığında, MP1'in açılma ve MP2'nin kapanma olasılığını azaltan kontrollü bir akım üretir (yüksek akım dalgalanması yerine).

Öte yandan, şarj cihazı pil takılmadan önce etkinleştirilirse MP1'in kapısı, hava alma cihazı tarafından yukarı çekildiği için pil şarj cihazı çıkışını takip eder. rezistans R2. Pil bağlı olmadığında MP1'in açılma ve MP2'yi devre dışı bırakma eğilimi yoktur.

Şarj cihazı çalışır durumdayken ve pil takıldığında bir sorun oluşur. Bu durumda şarj cihazı çıkışı ile akü terminalleri arasında anlık bir fark oluşur ve bu durum MP1'in MP2'yi devre dışı bırakmasına neden olur, çünkü akü voltajı şarj cihazı kondansatörünü emmeye zorlar. Bu, MP2'nin şarj cihazı kapasitöründen yük çekme yeteneği ile MP1'in MP2'yi devre dışı bırakma yeteneği arasında bir rekabet yaratır.

Devre ayrıca kurşun asitli akü ve LTC4015 akü şarj cihazıyla da test edildi. Ağır yüklü bir 6V güç kaynağının akü simülatörü olarak etkinleştirilmiş bir akü şarj cihazına bağlanması hiçbir zaman "bağlantısız" durumunu tetiklemez. Yapılan testler kapsamlı değildir ve temel uygulamalarda daha kapsamlı ve kapsamlı bir şekilde test edilmelidir. Devre gerçekten kilitli olsa bile, pil şarj cihazının devre dışı bırakılması ve yeniden etkinleştirilmesi her zaman yeniden bağlanmayla sonuçlanacaktır.

Arıza durumu, devre değiştirilerek (R1'in üst kısmı ile akü şarj cihazı çıkışı arasında geçici bir bağlantı kurularak) gösterilebilir. Ancak genel olarak devrenin bağlanmaya daha yatkın olduğuna inanılıyor. Bağlantı hatası bir sorun haline gelirse, pil şarj cihazını devre dışı bırakmak için birden fazla cihazı kullanan bir devre tasarlayabilirsiniz. Şekil 12 daha eksiksiz bir devre örneğini göstermektedir.

Şekil 10, şarj cihazı devre dışıyken PMOS koruma devresinin etkisini göstermektedir.

Durum ne olursa olsun, akü şarj cihazı ile yük voltajı arasında negatif voltaj aktarımı olmayacağını lütfen unutmayın.

Şekil 11'de devrenin "akü çalışırken takmak için ters bağlandığında şarj cihazı çalışma durumuna girmiştir" şeklinde olumsuz bir durumda olduğu görülmektedir.
NMOS devresinin etkisi hemen hemen aynıdır. Transfer transistörü MP2'yi devre dışı bırakmak için devrenin bağlantısını kesmeden önce, ters akü şarj cihazını ve yük voltajını hafifçe aşağı çeker.

Devrenin bu versiyonunda, MP2 transistörü pilin V voltajının iki katına dayanabilmelidir._DS (Biri şarj cihazı için, diğeri akünün ters bağlanması için) ve V akü voltajına eşittir_GS. Öte yandan MP1'in akü voltajına eşit V'ye dayanabilmesi gerekir._DSVe akü voltajının iki katı olan V_GS. Bu gereklilik üzücüdür çünkü MOSFET transistörleri için nominal V_DSHer zaman nominal V'yi aş_GS. 30V V ile bulunabilir_GS Tolerans ve 40V V_DS Toleranslı transistörler kurşun-asit akü uygulamaları için uygundur. Daha yüksek voltajlı pilleri desteklemek amacıyla devreyi değiştirmek için Zener diyotlar ve akım sınırlayıcı dirençler eklenmelidir.

Şekil 12, seri olarak istiflenmiş iki kurşun-asit aküyü idare edebilen bir devre örneğini göstermektedir.

Şekil 10: Şarj cihazı kapalı durumdayken PMOS koruma devresi

Şekil 11: Şarj cihazı çalışırken PMOS koruma devresi

ADI sağladığı bilgilerin doğru ve güvenilir olduğuna inanmaktadır. Ancak ADI, kullanımından ve üçüncü taraf patentlerinin veya kullanımından kaynaklanabilecek diğer hakların ihlalinden sorumlu değildir. Teknik özellikler önceden bildirilmeksizin değiştirilebilir. ADI'nin herhangi bir patentini veya patent hakkını kullanma lisansı, zımnen veya başka bir şekilde verilmeyecektir.

Şekil 12: Yüksek voltajlı ters akü koruması.

D1, D3 ve R3, MP2 ve MP3 kapılarını yüksek voltaj hasarından korur. Ters çevrilmiş bir pil çalışırken değiştirildiğinde D2, MP3 ızgarasının ve pil şarj cihazı çıkışının hızlı bir şekilde toprak potansiyelinin altına düşmesini engelleyebilir. Devrede ters akü olduğunda veya yanlış bağlantı kesme kilitleme durumunda olduğunda, MP1 ve R1 tespit edilebilir ve akü şarj cihazını devre dışı bırakmak için LTC4015'in eksik RT özelliği kullanılabilir.

sonuç olarak

Akü şarj cihazı tabanlı uygulamalar için ters voltaj koruma devresi geliştirmek mümkündür. İnsanlar bazı devreler geliştirdiler ve kısa testler yaptılar; test sonuçları cesaret verici. Ters pil sorununun akıllıca bir hilesi yok ama umarım bu yazıda tanıtılan yöntem yeterli aydınlatmayı sağlayabilir, yani basit, düşük maliyetli bir çözüm bulunur.