7种典型电源保护器件

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    安全稳定的电源是我们电源工程师对职业和客户的承诺,如何设计好电源的保护电路是我们电源工程师都会面对的一个问题。

   理想二极管控制器

我们在电源系统设计和应用中经常会看到比如保险丝,负载开关,热插拔控制器,ORing控制器等电源开关保护器件。大家对这些器件的作用,分类是否清楚,几个问题考考大家:

l  在我们的电源系统中需不需要它们

l  这些电源开关器件特点和功能分别是什么

l  在什么场合和应用中分别需要用到它们

l  应该选用哪种电源开关器件

l  如何挑选合适的参数

这些问题不知道答案?今天我们会来给大家简单做一个概述来介绍一下这些电源系统中的保护伞

先来看一个最典型的电源开关应用中电源开关器件可能出现的位置:

 

1. 常见电源系统

大家从上面的应用图中就可以看到很多常见的电源开关器件:负载开关(Load Switch),电子保险丝(eFuse),理想的二极管和ORing控制器,高边开关(High Side Switch),低边开关(Low Side Switch)

这几种具有不同功能的电源开关拓扑结构可满足不同的应用需求,下面先简单介绍这几款器件:

分类

负载开关,

通过提供安全可靠的电源分配来建立电源开关基础。通常使用负载开关的应用包括电源分配,电源排序,浪涌电流控制和减小泄漏电流。集成PowerMUX (功率复用开关)设备类似于负载开关,但允许多个输入源。这种电子开关用于选择两个或更多输入功率路径并在其间转换为单个输出,同时还提供输入的功率保护。

eFuse(电子保险丝)

和热插拔控制器,提供附加的输入功率路径保护功能,例如电流检测监控,电流限制,欠压和过压保护以及热关断等。这使得这些设备非常适合热插拔和瞬态事件,否则会损坏系统组件这些好处有助于降低系统维护成本并最大程度地延长设备的正常运行时间。

理想的二极管,ORing控制器,

可通过监视外部FET来提供反极性条件的保护,从而显着降低功耗并阻止反向电流。每当发生瞬态事件时,控制器都会监视并调整外部FET,以防止损坏上游组件。

高边开关,

用于板外负载保护。它们提供了附加的诊断遥测功能,可监视输出负载电流并检测短路和开路负载事件等。高边开关具有可调节的电流限制,从而可以更可靠地使用到具有大浪涌电流启动曲线或低峰值电流的应用中。在设计中添加一个高边开关,可以为驱动电容,电感和LED负载提供更智能,更强大的解决方案。

低边开关

将负载接地,而不是在电源和负载之间提供连接。通过包含一个集成的反激二极管,低边开关通过在电路环路中耗散电流来帮助消除电感性负载瞬变。这使他们能够驱动电感性负载,例如螺线管,继电器和电动机。

 

说了这么多,来一张TI官方的对比表格,一目了然就可以看出这些电源开关的作用和特点:

 

1. 常见电源开关对比

下面对这些常见的电源保护开关器件分别做一个简单介绍:

负载开关

2.负载开关框图

负载开关是可打开和关闭电源轨的电子开关。当内部FET导通时,电流从输入流向输出,并将功率传递至下游电路。使能该器件后,可以通过调节外部引脚(CT引脚)上的电容来控制输出电压(VOUT)的上升时间。禁用该器件时,可通过快速输出放电(QOD)控制VOUT的下降时间。每当关闭供电电源时,QOD都会将输出拉至地,以防止输出浮动或进入不确定状态。

l 负载开关的一些常见功能包括省电,电源排序和浪涌电流控制。在希望最大程度地减少电流耗散和提高电源效率的应用如电池供电应用中,节电至关重要。通过断开负载或子系统的电源,该开关可将非活动负载的功率降至最低。

l 电源排序对于需要按特定顺序打开和关闭各个电压轨的应用非常重要。通过配置CTQOD引脚,可以调整上升和掉电时序。

l 浪涌电流控制可保护在负载附近包含大容量电容器的系统。最初给系统供电时,对这些电容器进行充电会导致较大的浪涌电流,超过额定负载电流。如果不加以解决,这可能会导致电压轨由于压降而掉落至不规范状态,从而导致系统进入不良状态。负载开关可以通过使用CT引脚管理电源轨的上升时间来减轻浪涌电流。这导致线性输出摆率,不会造成电压突降或不需要外部稳压器。

Power Mux(电源多路复用开关)

 

3.多路复用开关框图

l PowerMUX开关允许系统在不同电源之间无缝转换。如果主电源出现故障,则电源多路复用允许系统切换到备用电源(例如电池),以保持工作条件。

l 功率复用开关还可以为在两个不同电压下工作的子系统提供两个不同电压电平之间的切换。在这种情况下,为防止反向电流从VOUT流入VIN通道,反向电流保护电路会阻止电流流回通过体二极管。

l 多路复用开关还包含可调节的电流限制。如果电流超过开关设置的阈值,则开关会钳位通道并防止电流超过限制。

l 此外,如果电流限制迫使设备达到更高的温度,则热关断将关闭开关,直到它可以再次在安全条件下运行。与负载开关类似,电源MUX开关也包含浪涌电流控制,以防止发生大的瞬态电流事件。

Power MUX设备可以通过三种通用方式在不同的电源轨之间切换:手动,自动或两者。手动切换通过外部GPIO进行,每当用户想要在电源轨之间切换时,使能引脚就会切换,并且输出将由另一个电源轨供电。每当主电源出现故障或断开连接时,就会发生自动切换。当设备检测到电压降时,它将自动切换到备用电源轨。有一些Power MUX解决方案提供了灵活性,可用于自动配置并由手动控制信号控制。此方法可以具有默认(自动)优先级,但是如果需要,可以由外部微控制器覆盖。

eFuse(电子保险丝)

4. 电子保险丝框图

eFuse是集成的电源保护开关,可在故障事件期间提供电压和电流保护。其中包括短路,过流,过压,欠压和过温等事件,否则可能会损坏下游负载。在短路瞬变事件期间,通过eFuse的电流会非常迅速地增加。eFuse启用了快速跳闸电流阈值,该阈值可在不到200ns的时间内终止这种快速增加,从而保护了电源。如果输入(VIN)上发生过压事件,则eFuse监视内部FET两端的电压并钳位输出电压,直到输入降至过压阈值以下。eFuses还带有内置的过热保护,如果结温超过150°C(典型值),该过热保护会关闭FET。结温降低后,eFuse保持关闭状态(闩锁版本)或尝试重新启动设备(自动重试版本)。eFuse提供了许多类似于负载开关的附加功能,包括可调的浪涌电流控制和反向电流保护。

如何安全高效的管理从有功功率母线到辅助系统的电流是一项艰巨的任务。在将设备插入带电电源或从带电电源中拔出时,可能会在初始电容器充电期间看到非常大的电流尖峰。eFuse或下一节中介绍的热插拔控制器可确保安全插入和操作这些系统。与热插拔控制器不同,eFuse包含一个集成FET,可最大程度地减小整体解决方案的尺寸。这允许eFuse在诸如功率复用之类的应用中使用。通过使用两个eFuse,每个eFuse可以控制电源轨,同时为其各自的电源提供反向电流保护。

Hot Sweep(热插拔控制器)

5.热插拔控制器框图

热插拔控制器驱动一个外部MOSFET,以保护系统免受热插拔事件的影响。热插拔控制器不像eFuse那样集成MOSFET。外部MOSFET允许热插拔控制器在比eFuse器件更高的电压和电流下工作。控制器监视外部FET的栅极电压,并根据情况调整电压。将设备插入带电系统后,控制器会测量RSNS上的浪涌电流。如果该值超过可编程电流极限,则栅极电压会降低并限制流向下游的电流。如果跨FET消耗的功率超过了可编程功率极限,则降低栅极电压以降低流经RSNS的电流。只要输入电压不在规定的阈值之内,过压和欠压引脚也会切断输出电压。

为了确保外部MOSFET保持在安全工作区内,热插拔控制器在较高VDS电压下调节电流限制。该设备还包括各种遥测,可监控运行状况。只要电源轨达到稳压状态,电源就绪(PG)信号就会打开,并且某些热插拔控制器包含PMBus监视,该监视允许对设备状态进行实时反馈。

由于热插拔控制器通过控制外部RSNSMOSFET进行操作,因此它们不包含固有电流限制。外部组件允许用户自定义解决方案的大小和电源要求,以适合他们的应用。

理想二极管,ORing控制器

6.理想二极管框图

主要作用:

l  低功耗

l  反向浪涌

l  反接保护

l  电源冗余

理想的二极管控制器控制外部FET,并且与常规二极管类似,只要发生反向电压事件,就可以阻止反向电流。每当发生这些事件之一时,控制器就会关闭FET并使用体二极管来防止任何瞬变损坏上游组件。控制器还可以使用相同的方法来防止输入(VIN)上的接地短路。

理想的二极管控制器还可以防止极性接反的情况,这种情况通常是由于电池连接错误或电源接线错误引起的。如果用户不小心将VIN上的极性切换了,则可以包括一个从控制器到地的附加二极管,以防止损坏IC或电源。该控制器还大大降低了通常在二极管上发现的功耗。通过驱动外部FET而不是二极管,可以将二极管解决方案中常见的压降降至最低。

理想二极管也可以用作控制器。基本电源冗余体系结构包含连接到单个负载的两个或多个电源。ORing解决方案允许系统在一个电源发生故障时在电源之间进行切换,甚至可以并行连接电源。这允许不间断的电源并节省冗余电源成本。

高边开关:

主要作用:

  • 限流保护
  • 短路保护
  • 浪涌保护
  • 故障上报

7.高边开关框图

高边开关可可靠地驱动离板负载。这些开关包含高度可调和可选的电流限制,使系统可以针对特定的负载进行最佳设计。通过连接一个外部电阻器来设置电流限制阈值,该开关可以保护负载和电源在短路到地事件或上电条件下不会过应力。通过最小化瞬态电流和电源下降,可以实现更可靠的设计。达到阈值时,闭环将激活并将输出电流钳位到设定值,然后在CS引脚上报告故障。

这些开关还提供高精度的电流感应,以提供对系统的实时诊断。电流镜从VIN获得电流,并将其反映为电流检测(CS)引脚上的电压。CS引脚不需要校准,可以用作诊断报告引脚。每当发生开路负载或短路时,CS引脚上的电压就会降至0V。每当发生电流限制,热事件,或者在关断状态下发生开路负载或短路时,电压都会上拉至其最大阈值。高精度电流监控和可调电流限制非常适合工业应用,例如可编程逻辑控制器,电机阀,伺服驱动器和控制单元。

高边开关的另一功能是负载突降兼容性,它使这些设备可以直接连接到12V电池,而无需担心典型的电压和电流瞬变。额外的保护措施包括减轻大的浪涌电流事件,否则会损坏下游组件。

低边开关

主要作用:

  • 断开负载
  • 瞬变保护
  • 反激保护