《再談高端開關》
在控制系統中,經常會遇到在特定時刻對某一個/多個有效載荷配電。
這就需要在電源匯流條下端加開關完成。常見的開關有兩種模態,如下圖所示:
高端開關 低端開關
這兩種都有用場。高端開關主要用于高/中壓場合;低端開關主要用于5V/3.3V應用場合。下面主要分析高端開關。
原則上,高端開關用繼電器實現最為方便,且繼電器的接觸電阻很小(一般為幾個毫歐,視觸電面積大小而定)。但現代電子系統中一般均盡量避免用繼電器。原因是在繼電器吸合瞬間/斷瞬間(兩觸點間距在um級時)容易“拉弧”(尤其是中/高壓場合),影響系統工作壽命。
故現代電子系統中,一般均采用MOS-FET作為開關元件,也叫“無觸點開關”。相對于繼電器來說它的導通損耗大(因為MOS管的導通電阻不可能做得那么小),但優點是沒有機械動作,因而壽命長。再就是可以快速切換(對有些負載這點很關鍵)用MOS管作高端開關又分為兩種情況:
P-MOS:易于實現。但由于“空穴”的遷移率低,故一般只能適合于中壓(10V~100V)、中功率(≤10A)場合。
N-MOS:需要“浮柵”驅動,難實現。但由于“電子”的遷移率高,故適用于高壓(≥200V),大功率(≥50A)的應用場合。
這兩種開關均能任意控制開/關的速度,以適應不同的ZL負載需求。圖中△V為MOS管的導通壓降。
快速開關:只有導通損耗。適用于高頻應用。
慢速開關:除了的靜態損耗外,還有開關損耗。適用于開關不太頻繁的場合。
由于有導通損耗和開關損耗,應用中要根據系統控制要求和負載情況,對MOS管加相應散熱。
那么,一個完成的高端開關應該有哪幾部分組成呢?下面以P-MOS管為例來說明。(見下框圖)
由以上框圖可以看出,典型的中電壓、中功率高端開關由開關管(M1),電流采樣(R0),高共模電壓儀表放大器(INA),比較器(COMP),延時、與邏輯門、電平轉換以及控制開/關速率的RC網絡等構成。“OVL”為過流指示,“SO”為輸出指示,“EN”為開/關控制信號。這樣的組合比較適合航空28V電源系統。因為組成不復雜,體積小,易于實現。
這個系統幾個核心點需要特別說明如下:
- 功耗。主要取決于M1的導通電阻RON(在不計開關損耗情況下)和電流采樣電阻RO的大小。一般情況下均選RON和RO盡可能小。
- 開關速率控制。通過調節R1、R2、C1完成,要以負載的特性而定。假若負載呈現純電阻特性,則適合于快速開關控制,以減少M1的動態功耗。若負載呈現容性/感性負載,則只能采用慢速開關控制策略。因為電容上的電壓不能突變,電感上的電流不能突變。若切換速率太快的話,容易使過流檢測誤動作,也會對電源供電系統造成污染。
- 過流打嗝態(hiccup),通過調節比較輸出延時和控制M1的上升/下降時間共同完成。打嗝態是電源供電系統均應具備的一個功能。符合下圖所示特質。
就是說,在上送機發出EN信號時,高端開關應該處于正常供電狀態。但由于負載ZL出現了超負荷(比如短路)則電流采樣電阻R0檢測到這個過電流,進而當地控制M1截止。M1截止后,過電流態消失,又能正常供電了。但由于過流態還在,于是系統又嘗試關斷M1。這樣周而復始,就會出現類似于上圖所示波形,俗稱“打嗝態”。
它的重要性體現在兩個方面,一是通過當地斷續關斷開關管M1以保護管子不被燒毀。二是上位機檢測過流指示信號“OVL”打嗝一定次數后發EN命令遠程關斷M1。
- 電平轉換,主要是為了與上位中控計算機的信號電平兼容而設的。有時由于中控計算機與+VS電源系統不共地,還需要加隔離。
- D1的作用是保護M1的柵源不擊穿。D2的作用是M1斷開時為負載續流。
以上談的是中壓中功率高端開關的實現方式。
下面簡單介紹一款高壓大功率高端開關的實現策略。(見下框圖)
由上圖可以看出,采用N-MOS管作為開關元件,采用磁惠斯通橋來作為電流采樣,采用HJ393A來驅動 N-MOS,加入溫度傳感器測量N-MOS的結溫,要引入控制電源VDD。這樣的組合有利于減小功耗(無上述的 RO),能夠完成N-MOS的浮柵驅動也能完成過溫保護。
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