Автоматическое переключение источников питания с помощью схемы на ОУ

Журнал РАДИОЛОЦМАН, сентябрь 2011

Bob Zwicker, Analog Devices

EDN

Питание многих систем должно переключаться между несколькими источниками постоянного напряжения, например, между сетевым AC/DC адаптером, портом USB и встроенной батареей. Это переключение можно производить просто вручную, но, конечно же, предпочтительнее вариант, когда переключение происходит автоматически. В простейшем случае задача решается с помощью показанной на Рисунке 1 схемы «ИЛИ», собранной на диодах Шоттки. К сожалению, прямое падение напряжение на диодах Шоттки может лежать в диапазоне от 300 до 600 мВ. Из-за этого теряется лишняя мощность, греется схема, а до потребителя доходит меньшее напряжение.

Рисунок 1.	Схема «ИЛИ» на диодах Шоттки подключает к нагрузке источник с наибольшим напряжением.

Эффективную замену диодной схеме «ИЛИ» можно сделать, используя P- или N-канальные MOSFET транзисторы, подходящий ОУ и несколько пассивных компонентов. Ниже описывается такая схема, предназначенная для переключения положительных шин питания. Конструкция с P-канальными MOSFET транзисторами пригодна для систем с напряжением питания 3.3 В и выше, в то время, как для схем с меньшими напряжениями и бóльшими токами, при наличии подходящего источника смещения для ОУ, лучше подходят N-канальные транзисторы.

Положительный ток в схеме с N-канальными MOSFET транзисторами течет из стока, а в схеме с P-канальными транзисторами – из истока. Внутренний диод транзистора при нормальном режиме на работу схемы влияния не оказывает.

Самая первая наша задача при конструировании схемы – выбор подходящего MOSFET транзистора. Для наихудшего случая, сопротивление канала R открытого транзистора должно быть достаточно малым, чтобы при максимальном токе I прямое падение напряжение I×R было настолько низким, чтобы удовлетворять требованиям, предъявляемым к конструкции. На транзисторе с сопротивлением канала 0.01 Ом при токе 5 А падает напряжение 50 мВ. Нельзя упускать из рассмотрения и рассеиваемую транзистором мощность, равную R×I², а также, результирующее повышение температуры транзистора.

Вторая задача – выбор операционного усилителя, способного работать от существующих в системе напряжений и адекватно управлять затворами MOSFET транзисторов. Для схемы с P-канальными транзисторами необходим ОУ с rail-to-rail входами и выходами. Для схемы с N-канальными транзисторами подойдут многие ОУ, основное требование к которым – возможность питания от однополярного источника. Большое значение, также, имеет напряжение смещения нуля усилителя, обозначаемое V_OS. Суммарная ширина окна ±V_OS должна быть меньше, чем требуемое падение напряжения на MOSFET. Например, если требуется, чтобы при полной нагрузке падение напряжения на транзисторе не превышало 10 мВ, напряжение смещения используемого ОУ должно быть ±5 мВ или лучше.

R₁/R₂, R₁₁/R₁₂, и R₂₁/R₂₂ образуют делители напряжения, смещающие входы операционных усилителей на уровень чуть более низкий, чем напряжения на входах, подключенных к контролируемому выходу схемы (Рисунки 2 и 3). Это смещение должно превышать собственное, указанное в справочных данных, максимальное напряжение смещения нуля усилителей, чтобы быть абсолютно уверенным, что в серийных партиях изделий все ОУ всегда смогут выключать MOSFET транзисторы при подаче обратного напряжения. Например, в схеме с P-канальными транзисторами и напряжением питания 5 В, резисторы R₁ и R₂ смещают инвертирующий вход ОУ на 99.9% от входного напряжения, или на 4.995 В. В установившемся режиме ОУ управляет включенным MOSFET транзистором таким образом, чтобы, с точностью до напряжения смещения, поддерживать одинаковые напряжения на обоих входах. В случае идеального ОУ, с нулевым смещением, и при небольших токах нагрузки, канал MOSFET транзистора лишь немного обогащается, и схема устанавливает на нем прямое падение напряжения 5 мВ. Этот незначительный эффект является единственным недостатком, обусловленным подачей дополнительного смещения посредством делителя R₁ и R₂. Если сопротивление транзистора слишком велико, и при полной нагрузке напряжение на нем поддерживаться на уровне 5 мВ не может, напряжение на выходе ОУ устанавливается равным входному, и транзистор полностью открывается.

Кликните для увеличения
Рисунок 2.	Схема «ИЛИ» на P-канальных MOSFET транзисторах – наиболее общий выбор для систем с одной шиной питания, напряжения которой достаточно для питания ОУ и затворов транзисторов.

Кликните для увеличения
Рисунок 3.	Схема «ИЛИ» с N-канальными MOSFET транзисторами наиболее подходит для систем с низковольтными шинами или с большими токами нагрузки.

MOSFET транзистор можно рассматривать, как переменное сопротивление, выполняющее функцию шунта, с помощью которого ОУ измеряет протекающий ток. Когда вы прикладывает обратное напряжение, канал транзистора обедняется, падение напряжения I×R увеличивается, и выход ОУ сравнивается с напряжением соответствующей шины питания, запирая транзистор со всей силой, на которую он способен.

При малой нагрузке и заданном напряжении смещения нуля, ОУ стремится поддерживать напряжение на входе, подключенном к выходу схемы, равным сумме выходного напряжения и напряжения смещения. Если R₂ отключить от схемы, дополнительное смещение ОУ исчезнет, и, при неблагоприятной полярности напряжения смещения ОУ, в случае, когда потенциал подключаемой шины ниже выходного, в транзисторе возникнет значительный обратный ток.

Кривые на Рисунке 4 отображают результаты испытаний схемы для рабочей области. На оси Y – разность между входным и выходным напряжением, на оси X – ток, протекающий через нагрузку. Зеленая кривая соответствует схеме, в которой на вход ОУ подается дополнительное смещение, т.е., схеме, изображенной на Рисунке 2 или 3. Синяя кривая отражает ситуацию, когда дополнительное смещение отсутствует, а полярность напряжения смещения ОУ оказалась неблагоприятной. Хотя, как видно из зеленой кривой, при малых токах нагрузки на транзисторе возникает небольшое прямое падение напряжения, оно будет всегда меньше, чем падение напряжения при полной нагрузке. Эта схема может переключать шины при токе нагрузки равном нулю, при этом возможно, будет доминировать ток внутреннего диода.

Рисунок 4.	Зеленая кривая соответствует схеме, в которой на ОУ подается внешнее, правильно рассчитанное смещение. Синяя кривая отображает результаты измерений, полученные при отсутствии внешнего смещения и при неблагоприятной полярности напряжения смещения ОУ.

С другой стороны, синяя кривая показывает, что в схеме без дополнительного смещения, при определенных условиях, может возникать значительный обратный ток. В этом примере обратный ток, равный приблизительно 100 мА, перед выключением транзистора создает на нем обратное падение напряжения 2 мВ.

Оба варианта схемы были тщательно протестированы, и схема с P-канальными транзисторами запущена в серийное производство.