DC-voedingsrails veilig beheren en beveiligen met geavanceerde lastschakelaars

In bijna alle systeemontwerpen is het van cruciaal belang zowel de DC-voedingsrails te beheren als deze te beschermen tegen diverse interne en externe foutmodi. De uitdaging wordt nog ingewikkelder wanneer er meerdere rails zijn, zoals steeds meer het geval is in de systemen van vandaag, met inbegrip van kleine ontwerpen met laag vermogen en batterijvoeding.

Het beheer van de stroomrail(s) begint met een vermogensbeheer-IC (PMIC) die de stroom naar de rail(s) naar behoefte in- en uitschakelt. De PMIC is ook verantwoordelijk voor het beheer van de timing en de sequencing tussen meerdere rails. De feitelijke regeling van de stroomrail op fysisch niveau is echter de taak van de belastingschakelaar, een op een MOSFET gebaseerde regeling die kan worden gericht om stroom door te laten of te blokkeren.

Naast basisfuncties zoals de regeling van de inschakelstroom en bescherming tegen te hoge temperaturen, wordt nu steeds vaker van lastschakelaar verlangd dat zij ook andere functies en kenmerken hebben, zoals gecontroleerde uitschakeling, snelle ontlading van de uitgang en echte blokkering van omgekeerde stromen, die alle moeilijk te realiseren zijn met discrete FET-gebaseerde ontwerpen.

Om deze complexiteit te omzeilen en tegelijkertijd de kosten te drukken en de ruimte op de printplaat te beperken die nodig is voor een discrete implementatie, kunnen ontwerpers kiezen voor load-switch IC's die de vereiste capaciteiten in één enkel pakket met de schakelaar verenigen. Deze geïntegreerde lastschakelaars lossen veel operationele stroomrailproblemen op of voorkomen ze, en helpen ook te voldoen aan veel mobiele of op batterijen werkende ontwerpvereisten.

In dit artikel wordt ingegaan op de rol van lastschakelaars, hun basisfuncties, aanvullende functionaliteit en geavanceerde kenmerken, waardoor zij meer zijn dan betrekkelijk eenvoudige, elektronisch geregelde aan/uit-schakelaars voor stroomrails. In het artikel worden drie nieuwe lastschakelaar IC's uit de TCK12xBG-serie van Toshiba Electronic Devices & Storage Corporation (Toshiba) gebruikt om deze punten te illustreren en te laten zien hoe ze worden toegepast om te voldoen aan de behoeften van de nieuwste productontwerpen.

De grondbeginselen van lastschakelaars

Een basis lastschakelaar heeft slechts vier pennen: ingangsspanning, uitgangsspanning, vrijgave en aarde (figuur 1). Wanneer een stuursignaal van logisch niveau wordt toegepast op de ON/OFF-controlepen (die actief hoog of actief laag kan zijn), wordt het apparaat ingeschakeld en wordt de pass FET ingeschakeld. Hierdoor kan stroom vloeien van de ingangspen V_IN naar de uitgangspen V_OUT, waardoor stroom wordt geleverd aan de belastingschakelingen.

Afbeelding 1: De lastschakelaar is een op een FET gebaseerde doorlaatinrichting die de stroom van een gelijkstroomvoeding naar de belasting kan doorlaten/blokkeren via een elektronisch stuursignaal. (Bron afbeelding: Bill Schweber)

Een lastschakelaar is meer dan alleen een verpakte pass FET. Het omvat ten minste ook de besturingslogica, de FET-driver, level shifters en diverse circuitbeschermingsfuncties zoals overstroombeveiliging en terugstroompreventie (ook wel omgekeerde stroom genoemd), die beide het systeem en zijn componenten kunnen beschadigen. Zij kunnen ook andere nuttige functies uitvoeren, zoals slewrate-regeling bij het inschakelen van de voedingsrail en bescherming tegen te hoge temperatuur.

In zijn eenvoudigste toepassing wordt de lastschakelaar gebruikt tussen een voeding en de voedingsrail van een enkele belasting, zodat deze indien nodig via de PMIC kan worden ingeschakeld, of in een rusttoestand kan worden gezet om stroom te besparen (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: In zijn eenvoudigste toepassing wordt de lastschakelaar aangestuurd door de PMIC en regelt hij de stroom naar de belasting. (Bron afbeelding: Toshiba)

Parameters van de lastschakelaar

De lastschakelaar heeft verschillende belangrijke parameters die de ontwerpers moeten beoordelen. De drie belangrijkste zijn de maximale ingangsspanning en uitgangsstroom die hij kan verdragen, samen met zijn "aan"-weerstand. Andere parameters die, afhankelijk van de toepassing, eveneens kritisch kunnen zijn, zijn onder meer:

• Ruststroom (I_Q): De stroom die nodig is om de lastschakelaar van stroom te voorzien, zonder dat er stroom op de uitgang staat.
• Uitschakelstroom (standby) (I_SD): De stroom die in V_IN vloeit wanneer het apparaat is uitgeschakeld.
• ON pin ingangs-lekstroom (I_ON): De stroom die in de ON/OFF-controlespeld vloeit wanneer deze is ingeschakeld.

Lage ruststroom en uitschakelstroom worden steeds belangrijker in batterijgevoede toepassingen zoals wearables, smartphones en IoT-modules, waar ze een grote impact hebben op de levensduur van de batterij en de werkingsduur.

Beveiliging tegen te hoge stroomsterkte (OCP)

De overstroombeveiliging van een lastschakelaar dient niet alleen ter bescherming tegen duidelijke storingen, zoals een tijdelijke of permanente kortsluiting bij de belasting. Hij kan ook nodig zijn om de gevolgen te verzachten van een daling van de uitgangsspanning die in sommige gevallen optreedt wanneer een rail verschillende belastingen voedt, en één belasting sneller wordt ingeschakeld (Afbeelding 3). Door de plotselinge toename van de stroomvraag daalt de output van de voeding tijdelijk tot onder de nominale waarde. Deze vertraging, of herstelperiode, wordt bepaald door de belastingstransient prestaties van de voeding en de belastingspecificaties.

Afbeelding 3: Een enkele lastschakelaar kan meerdere belastingen voeden die niet gelijktijdig mogen oplopen en inschakelen. (Bron afbeelding: Toshiba)

Dit verlies kan er op zijn beurt toe leiden dat de tweede belasting niet goed opstart of zich onregelmatig gedraagt. Om deze redenen is de stroombegrenzende functie van een belastingsschakelaar nuttig, aangezien deze de daling van de uitgangsspanning matigt die wordt veroorzaakt door de grotere vraag naar stroom door de eerste belasting.

Veel systemen moeten ervoor zorgen dat hun meervoudige belastingen in een specifieke volgorde van stroom worden voorzien, en met een welbepaalde timing tussen elke stroomrail die actief wordt. In deze gevallen worden meerdere lastschakelaars gebruikt onder controle van de PMIC, die hun sequentie en relatieve timing beheert (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: Door meerdere lastschakelaars te gebruiken, kunnen de volgorde en timing van het inschakelen van de verschillende belastingen worden geregeld zoals nodig voor een goede werking van het systeem. (Bron afbeelding: Bill Schweber)

Omgekeerde stroomblokkering

De sperstroomblokkering van een lastschakelaar is precies wat de naam impliceert: hij voorkomt dat er stroom terugvloeit wanneer de spanning aan de uitgangszijde hoger wordt dan aan de ingangszijde.

Dit kan het gevolg zijn van twee veel voorkomende situaties. Ten eerste kan de voeding, zoals een auto-accu, per ongeluk achterwaarts worden aangesloten doordat de accupolen per ongeluk worden geschampt door de losgekoppelde kabels, of zelfs door een vergissing bij het opnieuw aansluiten. Het kan zelfs iets eenvoudigs zijn als een gemiddelde gebruiker die batterijen achterstevoren plaatst.

De tweede situatie is iets minder voor de hand liggend. Neem het geval waarin twee voedingen van verschillende spanning worden gemultiplexed naar een belasting (Afbeelding 5). De spanning aan de gedeelde uitgangszijde kan hoger worden dan de spanning aan de ingangszijde van de lagere spanningsbron. In dit scenario kan er stroom vloeien van de kant met de hogere spanning naar de kant met de lagere spanning, waardoor de voeding met de lagere spanning wordt beschadigd.

Afbeelding 5: Problemen met omgekeerde stroom kunnen zich voordoen, zelfs wanneer multiplex-voedingen via hun eigen lastschakelaars zijn aangesloten. (Bron afbeelding: Toshiba)

Er zijn drie manieren om met sperstroomblokkering om te gaan:

• De eenvoudigste manier is om een diode in serie met de uitgang te plaatsen. De spanningsval over de diode (0,6 volt tot 0,8 volt voor een standaard siliciumdiode) verlaagt echter de toegevoerde railspanning, en de diode moet een vermogen hebben dat voldoende is om de bijbehorende warmte af te voeren.
• De tweede manier is om een MOSFET in serie met de rail te gebruiken, maar zijn weerstand (R_ON) veroorzaakt ook een spanningsdaling, en hij heeft thermische dissipatie die moet worden opgevangen.
• De derde optie is het gebruik van een belastingsschakelaar met een blokkeerfunctie voor tegenstroom, waarmee de vereiste tegenmaatregel tegen terugstroming zonder nadelige gevolgen kan worden genomen.

De ontladingsfunctie

Normaal verbindt een automatische ontladingsfunctie V_OUT en GND wanneer de vermogensmultiplexer wordt uitgeschakeld. Er zijn veel voordelen verbonden aan deze snelle afvoer:

• De uitgang wordt niet zwevend gelaten en is altijd in een bekende toestand.
• Stroomafwaartse modules worden altijd volledig uitgeschakeld.

Er zijn echter situaties waarin een snelle ontlading niet wenselijk is:

• Als de uitgang van de lastschakelaar op een accu is aangesloten, kan een snelle ontlading van de uitgang ertoe leiden dat de accu leegloopt wanneer de lastschakelaar via de ON-pin is uitgeschakeld.
• Als twee lastschakelaars worden gebruikt in een multiplexer met twee ingangen en één uitgang (waarbij de uitgangen met elkaar verbonden zijn), wordt voortdurend stroom verspild door de snelle ontlading van de uitgangen, omdat er stroom loopt door de interne weerstand naar de aarde telkens als de lastschakelaar via de ON-pin wordt uitgeschakeld.

Daarom moet bij de configuratie van de vermogensmultiplexer met het lastschakelaar-IC een lastschakelaarworden gekozen die geen ontladingsfunctie heeft. Dit is waar een lastschakelaar nodig is die echte sperstroomblokkering heet. Hij voorkomt dat er omgekeerde stroom vloeit van de uitgangsklem naar de ingangsklem, ongeacht de AAN/UIT-status van de lastschakelaar.

Een lastschakelaar met deze functie vergelijkt de ingangsspanning V_IN met de uitgangsspanning V_OUT in het IC, en het circuit ter voorkoming van terugstroming wordt geactiveerd wanneer V_OUT>V_IN (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: Echte sperstroomblokkering voorkomt dat er stroom van de uitgangsklem naar de ingangsklem loopt, ongeacht of de lastschakelaar AAN of UIT staat. (Bron afbeelding: Toshiba)

Er zijn nog andere subtiliteiten die verband houden met echte blokkering van de omgekeerde stroom en de automatische ontladingsfunctie; deze worden uitvoeriger besproken in de toepassingsnota van Toshiba "Overstroombeveiligingsfunctie en omgekeerde stroombeveiligingsfunctie van het lastschakelaar-IC".

Nieuwe IC's zijn gericht op snelgroeiende toepassingen

Lastschakelaars zijn niet nieuw, maar ze worden steeds meer afgestemd op de eisen van specifieke toepassingen. Dit wordt duidelijk aangetoond door de Toshiba TCK12xBG-familie van lastschakelaars van de volgende generatie, die uit drie apparaten bestaat: de TCK126BG, TCK127BG en TCK128BG (Afbeelding 7).

Afbeelding 7: Het interne blokschema van apparaten in de TCK12xBG-familie toont hun functionele eenvoud; afgebeeld is de TCK128BG. (Bron afbeelding: Toshiba)

De drie IC's, die geschikt zijn voor een spanning van 1,0 tot 5,5 volt en een stroomsterkte tot 1 A, lijken sterk op elkaar, met enkele bescheiden verschillen om ze optimaal af te stemmen op specifieke toepassingsprioriteiten en -behoeften. Veel van hun specificaties zijn superieur aan die van hun voorgangers en de beschikbare concurrerende toestellen.

Het meest dramatisch is de vermindering van de ruststroom (I_Q) van 110 nano-ampère (nA) tot slechts 0,8 nA, een vermindering met 99,9%, of iets meer dan twee orden van grootte. Bovendien bedraagt de stand-by stroom slechts 13 nA. De typische aan-weerstand R_ON is 46 mΩ bij 5,0 volt, 58 mΩ bij 3,3 volt, 106 mΩ bij 1,8 volt, en 210 mΩ bij 1,2 volt.

Andere kenmerken van deze lastschakelaars gaan verder dan de elektrische specificaties. Zij zijn ook veel kleiner dan andere beschikbare toestellen van Toshiba en andere leveranciers in dezelfde spannings-/stroomklasse. Ze zijn beschikbaar in een vier-lead WCSP4G-pakket van 0,645 × 0,645 × 0,465 mm, met een kogelafstand van 0,35 mm. Dit betekent een verkleining van de voetafdruk met 34% ten opzichte van de vorige belastingschakelaars in een 0,79 × 0,79 × 0,55 mm pakket met een pitch van 0,4 mm (Afbeelding 8).

Afbeelding 8: De kleinere afmetingen van de TCK12xBG-apparaten in vergelijking met hun voorgangers zorgen voor een vermindering van 34% van de vereiste ruimte op de printplaat. (Bron afbeelding: Toshiba, bewerkt door auteur)

Dit kleine formaat biedt ontwerpers een aanzienlijke besparing op printplaatruimte, een kenmerk dat van cruciaal belang is voor ultracompacte toepassingen, zoals draagbare apparaten. Bovendien is de verpakking voorzien van een coating aan de achterzijde van 25 micrometer (μm) die fysieke schokken en schade beperkt en afbrokkeling voorkomt.

De drie lastschakelaars in de familie zijn voorzien van ingebouwde slewrate-regelingdrivers met een stijgtijd van 363 microseconden (µs) bij 3,3 volt. De verschillen tussen de schakelaars zitten in de aan- of afwezigheid van de snelle uitgangsontladingsfunctie, en de actieve toestand van de ON/OFF-pin (Afbeelding 9).

Conclusie

Lastschakelaars met sterk geïntegreerde functionaliteit zijn van cruciaal belang als ontwerpers willen voldoen aan de vraag naar een lager stroomverbruik, een kleinere voetafdruk en lagere kosten voor kleine, door batterijen gevoede apparaten, zoals wearables en smartphones en IoT-apparaten. De TCK12xBG-reeks van lastschakelaars van Toshiba wordt gekenmerkt door een lage ruststroom en kleinere afmetingen, heeft geïntegreerde elementen om te voldoen aan functionele en beveiligingsvereisten, en vereenvoudigt het ontwerp.

Verwante inhoud

1. Toshiba "Trainingsmodule lastschakelaar"