Реализация схемы монтажного «ИЛИ» с помощью контроллера LM74610-Q1

В высококачественной электронике и в автомобильных приложениях часто используется схема резервирования питания с двумя и более источниками питания, работающими на одну нагрузку. При этом использование в монтажном «ИЛИ» диодов Шоттки значительно снижает КПД системы. Предпочтительнее использовать MOSFETs под управлением контроллера LM74610-Q1, обеспечивающего быстрое выключение транзисторов при возникновении обратных токов.

В статье рассматриваются особенности применения контроллеров LM74610-Q1 в схеме с несколькими источниками питания, включенными по схеме монтажного «ИЛИ». Также анализируются основные преимущества микросхем LM74610-Q1: высокая эффективность, простота использования и уникальная схема включения при использовании вместо традиционных диодов Шоттки.

LM74610-Q1 – специализированный контроллер, который управляет N-канальным МДП-транзистором (MOSFET) в схеме защиты от обратной полярности. В этой схеме транзистор включен последовательно с источником питания и работает как идеальный выпрямитель вместо традиционного диода. Достоинства такого решения — отсутствие необходимости в общем земляном выводе и нулевой ток потребления в неактивном состоянии.

LM74610-Q1 имеет в своем составе встроенный драйвер с повышающим преобразователем для управления внешним силовым MOSFET и сверхбыструю схему выключения, срабатывающую при возникновении напряжений обратной полярности. Этот контроллер может использоваться с различными силовыми транзисторами и не имеет ограничений по величине входных напряжений и выходных токов. Кроме того, он защищает нагрузку от обратных напряжений вплоть до -45 В. При таком включении прямое падение напряжения зависит от активного сопротивления открытого канала MOSFET. При этом 98% времени ток течет через сам транзистор и лишь 2% – через встроенный диод с типовым падением 0,6 В.

Требования к контроллеру схемы монтажного «ИЛИ»

В системах с резервированием используется не менее двух источников питания, работающих на одну нагрузку. Такая схема применяется как в высококачественной технике, так и во многих автомобильных приложениях. Некоторые системы требуют возможности выбора между несколькими параллельно включенными источниками для повышения общей надежности. Активная схема монтажного «ИЛИ» также используется в системах, где требуется наличие нескольких номинальных напряжений питания. При этом диапазон напряжений может иметь как низкие значения (5, 3,3 и 2,5 В), так и значения из среднего диапазона вплоть до 48 В включительно.

В системах с резервированием общее выходное сопротивление источников питания мало. Все они работают одновременно. При этом требуется обеспечить одностороннее протекание токов. Это делается для того чтобы источники с низким напряжением не оказывались под действием источников с высоким напряжением.

Способы реализации схемы монтажного «ИЛИ»

Рис. 1. Схема монтажного «ИЛИ » с использова-нием диодов Шоттки

В самом простом случае схема монтажного «ИЛИ» с несколькими источниками питания использует последовательные диоды Шоттки для предотвращения аварийных ситуаций (рисунок 1). Они гарантируют защиту источников от обратных (втекающих) токов. При этом система продолжит свою работу, даже если один из источников выйдет из строя. Достоинствами такой схемы являются простота и низкая стоимость реализации. Однако значительное падение напряжения на диодах резко сказывается на общей эффективности системы. Возникающие при этом потери мощности требуют дополнительных усилий по отводу тепла и приводят к увеличению площади печатной платы. Эти потери особенно велики при высоких выходных токах. В современных системах потери на диодах вызывают существенные проблемы и снижают эффективность других окружающих компонентов.

Если рассмотреть пример системы 12 В с выходным током 8 А, несложно рассчитать, что при прямом падении на диоде в 0,4 В суммарная выделяемая на нем мощность составит 3,2 Вт. Это неизбежно приводит к снижению КПД системы питания. Кроме того, в обязательном порядке придется искать способы рассеивать эту тепловую мощность.

Реализация схемы монтажного «ИЛИ» с помощью LM74610-Q1

Одним из способов снижения потерь мощности является замена диодов Шоттки полевыми MOSFET, управляемыми специальным контроллером. Прямое падение напряжения на транзисторе в открытом состоянии незначительно и зависит от величины сопротивления канала RDSON. При этом мощность потерь оказывается существенно меньше, чем в схеме с диодами при одинаковых протекающих токах. Схема с MOSFET более сложная, зато она не требует дополнительных радиаторов или, в случае мощных приложений, массивных теплоотводящих полигонов заливки на печатной плате. Схема с транзисторами демонстрирует десятикратное сокращение потерь мощности по сравнению со схемой монтажного «ИЛИ» на диодах.

N-канальный полевой транзистор под управлением LM74610-Q1 выполняет роль идеального выпрямителя в схеме монтажного «ИЛИ» (рисунок 2). Напряжение «сток-исток» VDS каждого MOSFET контролируется с помощью входов ANODE и CATODE микросхемы LM74610-Q1. Встроенный повышающий регулятор используется для формирования напряжения на затворе транзистора. Так как 98% времени ток течет непосредственно через MOSFET, то большую часть времени падение напряжения оказывается существенно меньшим, чем прямое падение на диоде. Обратный диод транзистора проводит ток только 2% времени, в течение которого производится полный заряд конденсатора повышающего преобразователя.

Рис. 2. Схема монтажного «ИЛИ » на базе LM74610-Q1

При первоначальной подаче питания токи нагрузки от источников (Id) будут течь через обратные диоды обоих транзисторов. Это приведет к появлению на них падения напряжения (Vf). Если это положительное напряжение — то оно используется для зарядки конденсатора повышающего преобразователя Vcap. Когда напряжение на Vcap достигает верхнего порогового значения 6,1 В, происходит открытие транзистора. До тех пор, пока конденсатор Vcap не разрядится до нижнего порогового напряжения около 5,1 В, на затворе сохранится высокий потенциал, а ток будет протекать через ключ.

Если в схеме монтажного «ИЛИ» источники питания имеют различные выходные напряжения, то напряжение общей точки будет соответствовать наибольшему из них на данный момент. В таком случае возможно протекание обратных токов от общей точки к наиболее низковольтному источнику. Диоды Шоттки показывают высокую эффективность при блокировке таких токов. А вот у схемы с транзисторами в некоторых случаях имеется недостаток. Когда полевой транзистор открыт, он может проводить ток в обоих направлениях. Если один из источников имеет наиболее высокое напряжение, из-за чего происходит авария, например, короткое замыкание на землю, то через соответствующий транзистор начнет протекать значительный обратный ток до тех пор, пока на затворе присутствует отпирающее напряжение. Если такая ситуация сохраняется длительное время — то на выходе монтажного «ИЛИ» будет наблюдаться просадка напряжения и конечная система останется без питания.

Быстрое выключение в схеме монтажного «ИЛИ» на основе LM74610-Q1

В схеме монтажного «ИЛИ» требуется максимально быстро отключать полевой транзистор при возникновении обратных токов, чтобы минимизировать длительность их протекания. Микросхемы LM74610-Q1 постоянно контролируют разницу потенциалов на выводах ANODE и CATHODE – напряжение между выходами источников питания (PS1, PS2) и общей точкой схемы монтажного «ИЛИ». Если выходное напряжение любого из источников оказывается ниже, чем напряжение общей точки, то на выводе CATHODE будет больший потенциал, чем на выводе ANODE. При обнаружении этого отрицательного напряжения вывод Pull-Down уже через 2 мкс (типовое значение) формирует запирающий сигнал на затворе транзистора. Эта функция быстрого выключения ограничивает длительность протекания обратного тока. Ток утечки LM74610-Q1 не превышает 110 мкА, что гораздо меньше, чем значение обратного тока диода Шоттки (15 мА). На рисунке 3 представлена осциллограмма отклика LM74610-Q1 при возникновении отрицательного напряжения между выводами ANODE и CATHODE.

Рис. 3. Осциллограмма работы отклика LM74610-Q1 при возникновении обратного напряжения

На осцилограмме видно высокоскоростное выключение внешнего MOSFET после аварии на источнике питания, вызвавшей возникновение обратных токов через транзистор.

Преимущества использования LM74610-Q1

Использование LM74610-Q1 в схемах монтажного «ИЛИ» дает следующие преимущества:

• Прямое падение напряжения гораздо меньше, чем при использовании диодов Шоттки. Оно зависит от сопротивления канала используемых MOSFET-транзисторов.
• Меньшее значение прямого падения напряжения приводит к меньшим потерям мощности по сравнению со схемой на диодах Шоттки.
• высочайший КПД LM74610-Q1, который не зависит от организации теплоотвода в схеме.
• Высокая точность при измерении обратных токов через MOSFET.
• Схема быстрого выключения ограничивает импульсы токов обратной полярности при возникновении аварийных ситуаций на источниках питания.
• Суммарные габариты 8-выводного корпуса VSSOP, внешнего транзистора и конденсатора повышающего преобразователя сопоставимы с размерами диода Шоттки в корпусном исполнении D2PAK.

Типовая схема включения LM74610-Q1 показана на рисунке 4.

Рис. 4. Схема монтажного «ИЛИ » с использованием LM74610-Q1

Результаты испытаний

Отказ источника питания 1. На рисунке 5 изображена осциллограмма работы системы монтажного «ИЛИ» с использованием LM74610-Q1 при токе 5 А и напряжении питания 12 В.

Рис. 5. Осциллограмма работы схемы монтажного «ИЛИ » при отказе источника питания PS1

Отказ источника питания 2. На рисунке 6 изображена осциллограмма работы системы монтажного «ИЛИ» с использованием LM74610-Q1 при токе 5 А и напряжении питания 12 В.

Рис. 6. Осциллограмма работы схемы монтажного «ИЛИ » при отказе источника питания PS2

Повышение напряжения источника 2. На рисунке 7 изображена осциллограмма работы системы монтажного «ИЛИ» с использованием LM74610-Q1 при токе 5 А и напряжении питания 12 В.

Рис. 7. Осциллограмма работы схемы монтажного «ИЛИ » при увеличении напряжения источникапитания PS2

Флуктуации выходных напряжений источников питания. На рисунке 8 изображена осциллограмма работы системы монтажного «ИЛИ» с использованием LM74610-Q1 при токе 5 А и напряжении питания 12 В.

Рис. 8. Осциллограмма работы схемы монтажного «ИЛИ » при росте напряжения источника питания PS2

Отклик системы при прерывистом напряжении источников питания. На рисунке 9 изображена осциллограмма работы системы монтажного «ИЛИ» с использованием LM74610-Q1 при токе 5 А и напряжении питания 12 В.

Рис. 9. Осциллограмма работы схемы монтажного «ИЛИ » при прерывистом питающем напряженииисточника питания