Daniel Gomez-Ibanez
Когда несколько источников питания постоянного тока, или батарей, необходимо подключить к общей нагрузке, простейшим решением будет использование диодов Шоттки. Смещенные в прямом направлении диоды, образуя схему «или» между всеми источниками питания и нагрузкой, обеспечивают переключение источников без провалов и помех. При этом неисправные, маломощные или закороченные источники не забирают никакого тока от остальных.
К сожалению, тепло, выделяемое диодами, не всегда можно отвести от схемы. Предлагаемая схема разработана для того, чтобы решить эту проблему. Схема рассчитана на резервный источник питания с напряжением 50 В.
Диодное «или» можно заменить N-канальным MOSFET транзистором. Для полноценной имитации схемы диодного «или» транзистор должен выключаться при обратном смещении диода. Для этого затвор MOSFET мы подключим к выходу операционного усилителя, который будет подавать на затвор низкое напряжение, когда напряжение на стоке больше, чем на истоке (Рис. 1).
.gif) |
|
| Рисунок 1. | Идеальный диод с элементами схемы, обеспечивающей контроль времени выключения. Тестовые точки 1 и 2 на принципиальной схеме соответствуют каналам 1 и 2 осциллографа. |
Для предупреждения генерации в моменты переключения, входы ОУ смещены на 60 мВ один относительно другого за счет асимметрии плеч делителей. Это небольшое напряжение смещения можно рассматривать, как эквивалент прямого падения напряжения у реального диода. Основная схема содержит совсем немного деталей, но идеальный диод на основе MOSFET требует тщательного контроля. В отличие от обычного диода, мы должны рассмотреть вопросы устойчивости, переходные процессы и оценить работоспособность схемы во всем диапазоне входных напряжений.
Необходимо обеспечить устойчивость цепи обратной связи, которая включает в себя мощный MOSFET. Емкость его затвора добавляет в передаточную характеристику полюс, который может стать причиной неустойчивости при слишком малой нагрузочной способности ОУ или при большой емкости затвора. Чем большей емкостной нагрузкой способен управлять ОУ, тем дальше смещается полюс за пределы полосы рабочих частот усилителя, переставая влиять на устойчивость схемы.
Кроме того, необходимо уделить переходным процессам. Идеальный диод медленнее, чем реальный, что может быть причиной выхода транзистора из строя из-за поглощения чрезмерной энергии во время переключения. Если прямой ток нарастает быстро, транзистору ничего не угрожает, так как его встроенный диод практически мгновенно ограничивает напряжение на транзисторе на уровне менее 1 В. Спустя несколько микросекунд, высокий уровень на выходе ОУ открывает транзистор, и падение напряжения становится еще меньше.
Однако, если переключение тока с прямого на обратный происходит очень быстро, обратный ток будет течь до тех пор, пока ОУ не закроет MOSFET. Выделяемая в это время мощность может оказаться небезопасной для транзистора. Поэтому ОУ должен обладать достаточным быстродействием.
Проверить отклик схемы на быстрое переключение можно с помощью двух источников питания и сопротивления нагрузки 10 Ом. (Еще раз взгляните на Рис. 1). В то время, когда через идеальный диод в нагрузку поступает ток от источника 1, закоротите источник механическим выключателем SW1. Чтобы полностью выключить MOSFET после замыкания выключателя, усилителю потребуется порядка 30 мкс. При этом, пиковое значение обратного тока может достигать 300 А, однако, импульсная энергия не превысит 0.15 Дж, что укладывается в пределы, допустимые для транзистора. На Рис. 1 показаны контрольные точки, а на Рис. 2 – осциллограммы напряжений в этих точках непосредственно после замыкания SW1.
.gif) |
|
| Рисунок 2. | На осциллограммах показаны формы тока и напряжения непосредственно после замыкания выключателя SW1. Ось X: 10 мкс/дел.; ось Y: канал 1, lDS – 200 А/дел., канал 2, VDS – 20 В/дел. |
И, наконец, необходимо позаботиться о безопасности схемы во всем диапазоне входных напряжений. Если напряжение питания ОУ опустится до уровня порогового напряжения MOSFET, или ниже, идеальный диод никогда не откроется, и будет рассеивать такую же мощность, как и реальный диод. Установив транзистор на радиатор, можно обеспечить защиту схемы, но такое решение не всегда приемлемо. В таком случае, в схему надо добавить компаратор, контролирующий напряжение питания, и силовой ключ. (На нашей схеме они не показаны).
Эквивалент диода был сконструирован для источников питания с напряжением между 40 и 60 В, и током до 10 А. Замена обычного диода Шоттки его эквивалентом снижает рассеиваемую мощность с 7 Вт до менее чем 1 Вт, позволяя отказаться от принудительного охлаждения диода.
