再谈高端开关

  • 分类:应用
  • 作者:航晶微电子
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  • 发布时间:2022-02-16
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在控制系统中,经常会遇到在特定时刻对某一个/多个有效载荷配电。这就需要在电源汇流条下端加开关完成。常见的开关有两种模态,如下图所示:

在控制系统中,经常会遇到在特定时刻对某一个/多个有效载荷配电。这就需要在电源汇流条下端加开关完成。常见的开关有两种模态,如下图所示:

这两种都有用场。高端开关主要用于高/中压场合;低端开关主要用于5V/3.3V应用场合。

高端开关

下面主要分析高端开关。

原则上,高端开关用继电器实现最为方便,且继电器的接触电阻很小(一般为几个毫欧,视触点面积大小而定)。但现代电子系统中一般均尽量避免用继电器。原因是在继电器吸合瞬间/断瞬间(两触点间距在um级时)容易“拉弧”(尤其是中/高压场合),影响系统工作寿命。

故现代电子系统中,一般均采用MOS-FET作为开关元件,也叫“无触点开关”。相对于继电器来说它的导通损耗大(因为MOS管的导通电阻不可能做得那么小),但优点是没有机械动作,因而寿命长。再就是可以快速切换(对有些负载这点很关键)用MOS管作高端开关又分为两种情况:

P-MOS:易于实现。但由于“空穴”的迁移率低,故一般只能适合于中压(10V~100V)、中功率(≤10A)场合。

N-MOS:需要“浮栅”驱动,难实现。但由于“电子”的迁移率高,故适用于高压(≥200V),大功率(≥50A)的应用场合。

这两种开关均能任意控制开/关的速度,以适应不同的ZL负载需求。图中△V为MOS管的导通压降。

 

由于有导通损耗和开关损耗,应用中要根据系统控制要求和负载情况,对MOS管的控制策略作出调整,并对MOS管加相应散热。

高端开关的实现方式

那么,一个完成的高端开关应该有哪几部分组成呢?下面以P-MOS管为例来说明。(见下框图)

由以上框图可以看出,典型的中电压、中功率高端开关由开关管(M1),电流采样(Ro),高共模电压仪表放大器(INA),比较器(COMP),延时、温度传感器、与逻辑门、电平转换以及控制开/关速率的RC网络等构成。“OVL”为过流指示,“So”为输出指示,“EN”为开/关控制信号。这样的组合比较适合航空28V电源系统。因为组成不复杂,体积小,易于实现。

这个系统几个核心点需要特别说明如下:

l 功耗。主要取决于M1的导通电阻Ron(在不计开关损耗情况下)和电流采样电阻Ro的大小。一般情况下均选Ron和Ro尽可能小。

l 开关速率控制。通过调节R1、R2、C1完成,要以负载的特性而定。假若负载呈现纯电阻特性,则适合于快速开关控制,以减少M1的动态功耗。若负载呈现容性/感性负载,则只能采用慢速开关控制策略。因为电容上的电压不能突变,电感上的电流不能突变。若切换速率太快的话,容易使过流检测误动作,也会对电源供电系统造成污染。

l 过流打嗝态(hiccup),通过调节比较输出延时和控制M1的上升/下降时间共同完成。打嗝态是电源供电系统均应具备的一个功能。符合下图所示特质。

就是说,在上送机发出EN信号时,高端开关应该处于正常供电状态。但由于负载ZL出现了超负荷(比如短路)则电流采样电阻R0检测到这个过电流,进而当地控制M1截止。M1截止后,过电流态消失,又能正常供电了。但由于过流态还在,于是系统又尝试关断M1。这样周而复始,就会出现类似于上图所示波形,俗称“打嗝态”。

它的重要性体现在两个方面,一是通过当地断续关断开关管M1以保护管子不被烧毁。二是上位机检测过流指示信号“OVL”打嗝一定次数后发EN命令远程关断M1

l 电平转换,主要是为了与上位中控计算机的信号电平兼容而设的。有时由于中控计算机与+VS电源系统不共地,还需要加隔离。

l D1的作用是保护M1的栅源不击穿。D2的作用是M1断开时为负载续流。

以上谈的是中压中功率高端开关的实现方式。

高压大功率高端开关的实现策略

 

下面简单介绍一款高压大功率高端开关的实现策略。

高压大功率高端开关设计的首要考虑就是要减小功耗。因此上面介绍的“Shunt”型电流采样就不能用了。另外由于P-MOS管的迁移率问题和制造工艺因素,很难做到≥200V以上的耐压和小的导通电阻Ron,必须要换成N-MOS管来完成;其次是考虑到功率地(PGND)上的串扰会影响/烧毁上位中控计算机,则OVL,EN,SO信号必须要加隔离;再者就是散热,有时风冷已不可靠,得采用油冷/水冷对M1散热。(见下框图)

由上图可以看出,采用N-MOS管作为开关元件,采用磁惠斯通桥来作为电流采样,采用HJ393A来驱动N-MOS,加入温度传感器测量N-MOS的结温,要引入控制电源VDD。这样的组合有利于减小功耗(无上述的Ro),能够完成N-MOS的浮栅驱动也能完成过温保护。

作为一个完善的高端开关设计,除要考虑上基本组成外,还要考虑负载(即上图中的ZL)的特性。纯阻性负载是不存在的,一般负载都是一个电阻R、电容C、电感L的组合体。电容的储能作用会造成开关管M1导通瞬间的电流浪涌,电感的续流作用会造成M1关断时要承受负电压脉冲,这些因素均会对功率管M1的长期可靠工作造成负面影响。

最后,作为在恶劣环境下应用的高端开关。还应考虑环境应力(比如温度应力、冲击/振动应力、电磁环境应力等)的适应性。

 

 

 

 

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