จัดการและปกป้องรางไฟ DC อย่างปลอดภัยโดยใช้สวิตช์โหลดขั้นสูง

ในการออกแบบระบบเกือบทั้งหมด การจัดการรางไฟ DC และการป้องกันจากโหมดความผิดพลาดภายในและภายนอกต่าง ๆ ถือเป็นสิ่งสำคัญ ความท้าทายมีความซับซ้อนเมื่อมีรางหลายราง เช่นเดียวกับระบบในปัจจุบันที่มีมากขึ้นเรื่อยๆ ซึ่งรวมถึงการออกแบบขนาดเล็ก ใช้พลังงานต่ำ และใช้พลังงานจากแบตเตอรี่

การจัดการรางพลังงานเริ่มต้นด้วย IC การจัดการพลังงาน (PMIC) ซึ่งกำหนดทิศทางการเปิดและปิดการไหลของกระแสไฟไปยังรางตามความจำเป็น PMIC ยังรับผิดชอบในการจัดการเวลาและการจัดลำดับระหว่างรางหลายราง อย่างไรก็ตาม การควบคุมระดับกายภาพที่แท้จริงของรางจ่ายไฟเป็นหน้าที่ของสวิตช์โหลด ซึ่งเป็นการจัดเรียงแบบ MOSFET ที่สามารถกำหนดทิศทางเพื่อให้กระแสไฟผ่านหรือปิดกั้นได้

นอกเหนือจากพื้นฐาน เช่น การควบคุมอัตราการหมุนของกระแสไฟกระชากและการป้องกันอุณหภูมิเกิน สวิตช์โหลดยังมีความจำเป็นมากขึ้นเรื่อย ๆ ในการรวมฟังก์ชันและคุณสมบัติอื่น ๆ เช่น การควบคุมกำลังไฟลง การปล่อยเอาต์พุตอย่างรวดเร็ว และการบล็อกกระแสไฟย้อนกลับที่แท้จริง ซึ่งทั้งหมดนี้คือ ยากที่จะนำไปใช้โดยใช้การออกแบบที่ใช้ FET แบบแยกส่วน

เพื่อหลีกเลี่ยงความซับซ้อนนี้ ในขณะที่ลดต้นทุนและพื้นที่บอร์ดที่จำเป็นสำหรับการใช้งานแบบแยกส่วน นักออกแบบสามารถเลือกไอซีสวิตช์โหลดที่รวมเอาความสามารถที่จำเป็นไว้ในแพ็คเกจเดียวด้วยสวิตช์ สวิตช์โหลดแบบรวมเหล่านี้ช่วยแก้ปัญหาหรือหลีกเลี่ยงปัญหารางส่งกำลังในการดำเนินงานจำนวนมาก และยังช่วยตอบสนองความต้องการด้านการออกแบบแบบเคลื่อนที่หรือแบบใช้พลังงานจากแบตเตอรี่จำนวนมาก

บทความนี้จะกล่าวถึงบทบาทของสวิตช์โหลด ฟังก์ชันพื้นฐาน ฟังก์ชันเพิ่มเติม และคุณลักษณะขั้นสูง ซึ่งทำให้เป็นมากกว่าสวิตช์เปิด/ปิดที่ควบคุมด้วยระบบอิเล็กทรอนิกส์สำหรับรางไฟฟ้า บทความนี้จะใช้ไอซีสวิตช์โหลดใหม่สามชุดในซีรีส์ TCK12xBG จาก Toshiba Electronic Devices & Storage Corporation (Toshiba) เพื่อแสดงจุดเหล่านี้และแสดงวิธีการนำไปใช้เพื่อตอบสนองความต้องการของการออกแบบผลิตภัณฑ์ล่าสุด

พื้นฐานของสวิตช์โหลด

สวิตช์โหลดพื้นฐานมีเพียงสี่พิน: แรงดันอินพุต แรงดันเอาต์พุต เปิดใช้งาน และกราวด์ (รูปที่ 1) เมื่อใช้สัญญาณควบคุมระดับลอจิกกับพินควบคุมการเปิด/ปิด (ซึ่งสามารถแอ็คทีฟ high หรือแอ็คทีฟ low) อุปกรณ์จะเปิดใช้งานและผ่าน FET จะเปิดขึ้น ซึ่งช่วยให้กระแสไหลจากขาอินพุต V_IN ไปยังขาขาออก V_OUT จึงส่งกำลังไปยังวงจรโหลด

รูปที่ 1: สวิตช์โหลดเป็นอุปกรณ์ส่งผ่านที่ใช้ FET ซึ่งสามารถอนุญาต/บล็อกกระแสไฟจากแหล่งจ่ายกระแสตรงไปยังโหลดผ่านสัญญาณควบคุมอิเล็กทรอนิกส์ (ที่มาของภาพ: Bill Schweber)

สวิตช์โหลดเป็นมากกว่าแค่แพ็กผ่าน FET อย่างน้อยที่สุดก็ยังรวมถึงลอจิกการควบคุม ไดรเวอร์ FET ตัวเลื่อนระดับ และฟังก์ชันป้องกันวงจรต่างๆ เช่น การป้องกันกระแสเกินและการป้องกันกระแสย้อนกลับ (หรือที่เรียกว่ากระแสย้อนกลับ) ซึ่งอาจทำให้ระบบและส่วนประกอบเสียหายได้ พวกเขายังสามารถใช้ฟังก์ชันที่มีประโยชน์อื่น ๆ เช่น การควบคุมอัตราการหมุนเมื่อเปิดรางไฟฟ้าและการป้องกันอุณหภูมิเกิน

ในแอปพลิเคชันที่ง่ายที่สุด สวิตช์โหลดจะใช้ระหว่างแหล่งจ่ายและรางจ่ายไฟของโหลดเดี่ยวเพื่อให้สามารถเปิดผ่าน PMIC เมื่อจำเป็น หรือทำให้อยู่ในสถานะสงบเพื่อประหยัดพลังงาน (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: ในแอปพลิเคชันที่ง่ายที่สุด สวิตช์โหลดจะถูกควบคุมโดย PMIC และควบคุมการไหลของกระแสไปยังโหลด (แหล่งที่มาของภาพ: Toshiba)

พารามิเตอร์สวิตช์โหลด

สวิตช์โหลดมีพารามิเตอร์สำคัญหลายประการที่ผู้ออกแบบต้องประเมิน สามระดับบนสุดคือแรงดันอินพุตและกระแสไฟขาออกสูงสุดที่สามารถรองรับได้พร้อมกับความต้านทาน "เปิด" พารามิเตอร์อื่นๆ ที่อาจมีความสำคัญ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับแอปพลิเคชัน ได้แก่:

• ปัจจุบันนิ่ง (I_Q): กระแสไฟที่จำเป็นในการจ่ายไฟให้กับสวิตช์โหลด โดยไม่มีกระแสที่เอาต์พุต
• ปิดเครื่อง (สแตนด์บาย) ปัจจุบัน (I_SD): กระแสน้ำไหลเข้า V_IN เมื่ออุปกรณ์ถูกปิดใช้งาน
• ON ขาอินพุต - กระแสไฟรั่ว (I_ON): กระแสไหลเข้าสู่พินควบคุมเปิด/ปิดเมื่อเปิดใช้งาน

กระแสไฟที่นิ่งต่ำและกระแสไฟขณะปิดเครื่องมีความสำคัญมากขึ้นเรื่อย ๆ ในแอพพลิเคชั่นที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ เช่น อุปกรณ์สวมใส่ สมาร์ทโฟน และโมดูล IoT ซึ่งมีผลกระทบอย่างมากต่ออายุการใช้งานแบตเตอรี่และระยะเวลาในการใช้งาน

ป้องกันกระแสเกิน

คุณลักษณะการป้องกันกระแสเกินของสวิตช์โหลดไม่ได้มีไว้สำหรับการป้องกันความล้มเหลวที่ชัดเจน เช่น การลัดวงจรชั่วคราวหรือถาวรที่โหลด นอกจากนี้ยังอาจจำเป็นต้องบรรเทาผลของแรงดันไฟขาออกที่ลดลงซึ่งเกิดขึ้นในบางกรณีเมื่อรางป้อนโหลดหลายรายการ และโหลดหนึ่งครั้งจะเปิดขึ้นเร็วขึ้น (รูปที่ 3) อุปสงค์ในปัจจุบันที่เพิ่มขึ้นอย่างกะทันหันทำให้ผลผลิตของอุปทานลดลงต่ำกว่าค่าปกติชั่วขณะ ความล่าช้าหรือระยะเวลาการกู้คืนนี้กำหนดโดยประสิทธิภาพการโหลดชั่วคราวของอุปทานและข้อกำหนดเฉพาะของโหลด

รูปที่ 3: สวิตช์โหลดตัวเดียวอาจจ่ายโหลดหลายตัวซึ่งอาจไม่เพิ่มและเปิดพร้อมกัน (แหล่งที่มาของภาพ: Toshiba)

ในทางกลับกัน การหลุดนี้อาจทำให้การโหลดครั้งที่สองเริ่มทำงานไม่ถูกต้องหรือทำงานผิดปกติ ด้วยเหตุผลเหล่านี้ คุณลักษณะจำกัดกระแสของสวิตช์โหลดจึงมีประโยชน์ เนื่องจากช่วยลดแรงดันไฟขาออกที่เกิดจากความต้องการกระแสไฟที่เพิ่มขึ้นจากการโหลดครั้งแรก

หลายระบบจำเป็นต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าโหลดหลายรายการของพวกเขาได้รับพลังงานในลำดับเฉพาะ และด้วยจังหวะเวลาที่กำหนดไว้ระหว่างรางไฟฟ้าแต่ละอันจะทำงาน ในกรณีเหล่านี้ สวิตช์โหลดหลายตัวจะถูกใช้ภายใต้การควบคุมของ PMIC ซึ่งจัดการลำดับและเวลาที่เกี่ยวข้อง (รูปที่ 4)

รูปที่ 4: โดยใช้สวิตช์โหลดหลายตัว ลำดับและระยะเวลาของการเปิดโหลดต่างๆ สามารถควบคุมได้ตามความจำเป็นสำหรับการทำงานของระบบที่เหมาะสม (ที่มาของภาพ: Bill Schweber)

ย้อนกลับการบล็อกปัจจุบัน

การบล็อกกระแสย้อนกลับของสวิตช์โหลดเป็นสิ่งที่ชื่อหมายถึง: ป้องกันไม่ให้กระแสไหลย้อนกลับเมื่อแรงดันไฟฟ้าที่ด้านเอาต์พุตสูงกว่าด้านอินพุต

สิ่งนี้สามารถเกิดขึ้นได้เนื่องจากสองสถานการณ์ทั่วไป ประการแรก แหล่งจ่ายไฟ เช่น แบตเตอรี่รถยนต์ อาจเชื่อมต่อย้อนกลับโดยไม่ได้ตั้งใจอันเป็นผลมาจากการเล็มหญ้าที่ขั้วแบตเตอรี่โดยไม่ได้ตั้งใจด้วยสายเคเบิลที่ถอดออก หรือแม้แต่ทำผิดพลาดเมื่อเชื่อมต่อใหม่ อาจเป็นเรื่องพื้นฐานพอๆ กับที่ผู้ใช้ทั่วไปใส่แบตเตอรี่กลับด้าน

สถานการณ์ที่สองค่อนข้างชัดเจนน้อยกว่า พิจารณากรณีที่อุปกรณ์จ่ายไฟสองตัวที่มีแรงดันไฟฟ้าต่างกันถูกมัลติเพล็กซ์กับโหลด (รูปที่ 5) แรงดันไฟฟ้าที่ด้านเอาต์พุตที่ใช้ร่วมกันอาจสูงกว่าแรงดันไฟฟ้าที่ด้านอินพุตของแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่า ในสถานการณ์สมมตินี้ กระแสสามารถไหลจากด้านที่มีแรงดันไฟฟ้าสูงกว่าไปยังด้านแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่า ซึ่งทำให้แหล่งจ่ายแรงดันไฟต่ำเสียหาย

รูปที่ 5: ปัญหาของกระแสย้อนกลับสามารถเกิดขึ้นได้แม้ว่าอุปกรณ์จ่ายไฟแบบมัลติเพล็กซ์จะเชื่อมต่อผ่านสวิตช์โหลดของตัวเอง (แหล่งที่มาของภาพ: Toshiba)

มีสามวิธีในการจัดการกับการบล็อกกระแสย้อนกลับ:

• วิธีที่ง่ายที่สุดคือการเพิ่มไดโอดแบบอนุกรมที่มีเอาต์พุต อย่างไรก็ตาม แรงดันตกคร่อมไดโอด (0.6 โวลต์ถึง 0.8 โวลต์สำหรับไดโอดซิลิคอนมาตรฐาน) จะลดแรงดันไฟฟ้ารางที่ให้มา และไดโอดต้องมีระดับพลังงานเพียงพอที่จะกระจายความร้อนที่เกี่ยวข้อง
• วิธีที่สองคือการใช้ MOSFET แบบอนุกรมกับราง แต่มีความต้านทาน (R_ON) ยังทำให้เกิดแรงดันตกและมีการกระจายความร้อนซึ่งต้องรองรับ
• ตัวเลือกที่สามคือการใช้สวิตช์โหลดที่มีฟังก์ชันการบล็อกกระแสย้อนกลับซึ่งใช้มาตรการตอบโต้การป้องกันการไหลย้อนกลับที่จำเป็นโดยไม่มีการประนีประนอม

ฟังก์ชั่นการปลดปล่อย

โดยปกติ ฟังก์ชันการคายประจุอัตโนมัติจะเชื่อมต่อ V_OUT และ GND เมื่อปิดเครื่องมัลติเพล็กเซอร์กำลัง มีประโยชน์มากมายในการระบายออกอย่างรวดเร็วนี้:

• เอาต์พุตไม่ปล่อยให้ลอยตัวและอยู่ในสถานะที่ทราบเสมอ
• โมดูลดาวน์สตรีมจะปิดโดยสมบูรณ์เสมอ

อย่างไรก็ตาม มีบางสถานการณ์ที่ไม่ต้องการการปล่อยเอาต์พุตอย่างรวดเร็ว:

• หากเอาต์พุตของสวิตช์โหลดเชื่อมต่อกับแบตเตอรี่ การคายประจุไฟออกอย่างรวดเร็วอาจทำให้แบตเตอรี่หมดเมื่อปิดสวิตช์โหลดผ่านพิน ON
• หากมีการใช้สวิตช์โหลดสองตัวในมัลติเพล็กเซอร์แบบสองอินพุตและเอาต์พุตหนึ่งตัว (โดยที่เอาต์พุตถูกเชื่อมโยงเข้าด้วยกัน) พลังงานจะสูญเสียไปอย่างต่อเนื่องผ่านการคายประจุออกอย่างรวดเร็ว เนื่องจากกระแสจะไหลผ่านตัวต้านทานภายในไปยังกราวด์เมื่อใดก็ตามที่ สวิตช์โหลดถูกปิดใช้งานผ่านพิน ON

ดังนั้นเมื่อกำหนดค่าเพาเวอร์มัลติเพล็กเซอร์ด้วยสวิตช์โหลด IC จำเป็นต้องเลือกสวิตช์โหลดที่ไม่มีฟังก์ชั่นการคายประจุ นี่คือจุดที่ต้องการคุณสมบัติสวิตช์โหลดที่เรียกว่าการบล็อกกระแสย้อนกลับที่แท้จริง ป้องกันกระแสไฟย้อนกลับจากขั้วเอาต์พุตไปยังขั้วอินพุตโดยไม่คำนึงถึงสถานะเปิด/ปิดของสวิตช์โหลด

สวิตช์โหลดพร้อมฟังก์ชันนี้เปรียบเทียบแรงดันไฟฟ้าขาเข้า V_IN ด้วยแรงดันไฟขาออก V_OUT ใน IC และวงจรป้องกันการไหลย้อนกลับจะทำงานเมื่อ V_OUT > V_IN (รูปที่ 6)

รูปที่ 6: การบล็อกกระแสย้อนกลับแบบ True ช่วยป้องกันกระแสไหลไปยังขั้วอินพุตจากขั้วเอาต์พุตโดยไม่คำนึงว่าสวิตช์โหลดเปิดอยู่หรือปิดอยู่ (แหล่งที่มาของภาพ: Toshiba)

มีรายละเอียดปลีกย่อยเพิ่มเติมที่เกี่ยวข้องกับการบล็อกกระแสย้อนกลับที่แท้จริงและฟังก์ชั่นการปล่อยอัตโนมัติ พวกเขาจะกล่าวถึงในรายละเอียดเพิ่มเติมในบันทึกการใช้งานของโตชิบา “ฟังก์ชันป้องกันกระแสเกินและฟังก์ชันป้องกันกระแสย้อนกลับของสวิตช์โหลดIC”

ไอซีใหม่ตั้งเป้าการใช้งานที่มีการเติบโตสูง

สวิตช์โหลดไม่ใช่ของใหม่ แต่ได้รับการปรับแต่งให้เข้ากับความต้องการของแอพพลิเคชั่นเฉพาะมากขึ้น สิ่งนี้แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนโดยตระกูลโตชิบา TCK12xBG ของสวิตช์โหลดรุ่นต่อไปซึ่งประกอบด้วยอุปกรณ์สามตัว:TCK126BG, TCK127BG และ TCK128BG (รูปที่ 7)

รูปที่ 7: บล็อกไดอะแกรมภายในของอุปกรณ์ในตระกูล TCK12xBG แสดงความเรียบง่ายในการใช้งาน แสดงเป็น TCK128BG (แหล่งที่มาของภาพ: Toshiba)

ไอซีทั้งสามซึ่งได้รับการจัดอันดับสำหรับการทำงานตั้งแต่ 1.0 ถึง 5.5 โวลต์และกระแสไฟถึง 1 A มีความคล้ายคลึงกันมากโดยมีความแตกต่างที่ชัดเจนเล็กน้อยเพื่อให้ตรงกับลำดับความสำคัญและความต้องการของแอปพลิเคชันเฉพาะ ข้อมูลจำเพาะหลายอย่างของพวกเขาเหนือกว่ารุ่นก่อนและอุปกรณ์การแข่งขันที่มีอยู่

ที่น่าทึ่งที่สุดคือการลดลงของกระแสนิ่ง (I_Q ) จาก 110 นาโนแอมป์ (nA) ลงเหลือเพียง 0.8 nA สำหรับการลดลง 99.9% หรือมากกว่าสองคำสั่งของขนาดเล็กน้อย นอกจากนี้กระแสไฟสแตนด์บายเพียง 13 nA ความต้านทานทั่วไป R_ON คือ 46 mΩ ที่ 5.0 โวลต์, 58 mΩ ที่ 3.3 โวลต์, 106 mΩ ที่ 1.8 โวลต์ และ 210 mΩ ที่ 1.2 โวลต์

คุณลักษณะอื่น ๆ ของสวิตช์โหลดเหล่านี้มีมากกว่าข้อกำหนดทางไฟฟ้า พวกเขายังมีขนาดเล็กกว่าหน่วยอื่นๆ ที่มีจำหน่ายจาก Toshiba และซัพพลายเออร์อื่น ๆ ในระดับแรงดัน/กระแสเดียวกัน มีจำหน่ายในแพ็คเกจ WCSP4G แบบสี่สายวัด 0.645 × 0.645 × 0.465 มม. พร้อมระยะพิทช์ของลูกบอล 0.35 มม. ซึ่งแสดงถึงการลดขนาดลง 34% จากสวิตช์โหลดรุ่นก่อนในแพ็คเกจ 0.79 × 0.79 × 0.55 มม. ที่มีระยะห่าง 0.4 มม. (รูปที่ 8)

รูปที่ 8: ขนาดที่เล็กกว่าของอุปกรณ์ TCK12xBG เมื่อเทียบกับรุ่นก่อนทำให้พื้นที่แผงวงจรที่ต้องการลดลง 34% (ที่มาของภาพ: Toshiba แก้ไขโดยผู้เขียน)

ขนาดที่เล็กนี้ช่วยให้นักออกแบบสามารถประหยัดพื้นที่บอร์ดได้อย่างมาก ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่สำคัญสำหรับการใช้งานที่มีขนาดกะทัดรัดเป็นพิเศษ เช่น อุปกรณ์สวมใส่ได้ นอกจากนี้ บรรจุภัณฑ์ยังมีการเคลือบด้านหลังขนาด 25 ไมโครเมตร (ไมโครเมตร) ซึ่งช่วยลดแรงกระแทกและความเสียหายทางกายภาพ และป้องกันการบิ่น

สวิตช์โหลดสามตัวในตระกูลนี้มีไดรเวอร์ควบคุมอัตราสลูว์ในตัวด้วยเวลาที่เพิ่มขึ้น 363 ไมโครวินาที (µs) ที่ 3.3 โวลต์ ความแตกต่างระหว่างสวิตช์อยู่ที่การมีหรือไม่มีฟังก์ชันการคายประจุเอาต์พุตอย่างรวดเร็ว และสถานะแอ็คทีฟของพินเปิด/ปิด (ภาพที่ 9)

บทสรุป

สวิตช์โหลดที่มีฟังก์ชันการทำงานแบบบูรณาการขั้นสูงเป็นสิ่งสำคัญหากนักออกแบบต้องตอบสนองความต้องการด้านการใช้พลังงานลดลง พื้นที่และขนาดเล็กลง และต้นทุนที่ต่ำลงสำหรับอุปกรณ์ขนาดเล็กที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ เช่น อุปกรณ์สวมใส่และสมาร์ทโฟน ตลอดจนอุปกรณ์ IoT ดังที่แสดง สวิตช์โหลดตระกูล TCK12xBG จากโตชิบามีกระแสไฟนิ่งต่ำและขนาดที่เล็กกว่า มีองค์ประกอบแบบบูรณาการเพื่อตอบสนองความต้องการด้านการทำงานและการป้องกัน และทำให้การออกแบบง่ายขึ้น

เนื้อหาที่เกี่ยวข้อง

1. Toshiba “โมดูลการฝึกอบรมสวิตช์โหลด”