什么是电源开关，它们在哪里使用？

了解电源开关

这篇第一篇博客文章概述了常见类型的电源开关，并提供了一些有趣的历史，然后使用两个最简单的产品作为示例来展示冗余电源开关的架构。第二篇博客文章将介绍更复杂的部件，这些部件添加了管理更复杂故障场景的功能。
 

什么是电源开关，它们在哪里使用？

电源开关有三种基本类型。第一个称为低边开关，因为该开关将负载接地。

图 1.低边电源开关

或者，可以将开关放置在电源轨中，该电源轨称为高边开关。

图 2.高边电源开关

最后，还有一种带有可隔离电源开关的机械继电器方法。继电器可用于控制需要电气隔离的负载，因为负载与控制器不共享公共接地电位。它们通常用于切换高电流和电压。继电器在出现短期电流和电压尖峰时也非常坚固。

图 3.可隔离电源开关

自 20 世纪 70 年代以来，集成式低边电源开关一直用于点阵引脚驱动器和继电器/螺线管驱动器等应用。图 1 中所示的MIC5801包括锁存器并集成了 8 个驱动输出。锁存器允许在相同的八条输入线路上多路复用多个 MIC5801，每个 MIC5801 在其输出需要更新时单独进行选通。

图 4.MIC5801 可锁存低边驱动器

MIC5801的输出级如图5所示。它是一个达林顿负-正-负 （NPN） 级，具有二极管保护功能，可防止低于地电位或高于负载电源的电压瞬变。使用分立元件很容易复制，但使用集成电路（IC）可以节省空间和成本。

图 5.低边驱动器输出级

卫星通常受到功率限制，由太阳能和电池混合供电。因此，未使用的系统在不使用时会断电。电源开关通常为高端，因为输入和输出都参考于地电位，并且不断开接地更简单。此外，空间系统通常需要冗余，如图6所示的系统可能必须允许3.3V电源从死电源切换到工作电源。此外，模块本身可能需要在发生故障时断开电气连接，以避免消耗不必要的电源。

图 6.高边电源切换到模块

AAHS298B 是一款用于空间的八通道高边电源开关，通过设计实现抗辐射。这意味着从设计的初始阶段开始，我们就使用经过证明具有辐射容限的特殊工艺、设备和设计技术。AAHS298B 包含 8 个独立的 700 mA 电源开关，采用 10V 至 75V 范围内的通用电源工作（图 7）。

图 7.二硫化弹性体298B

以下是商用高边驱动器 MIC2981 与 AAHS298B 的比较。与前面讨论的 MIC5801 低边驱动器一样，这些都是简单的部件。AAHS298B 采用密封陶瓷小外形 （SO） 封装，这是大多数空间应用所必需的。它仍然提供与商用塑料 SO 封装相同的 1.27mm 引脚间距。

The AAHS298B includes more protection around the input and output and has thermal shutdown, but there's no over-current protection. Instead, the AAHS298B is designed to fuse (as in open) an output's bond wire to fail-safe open if overloaded long enough. This could occur during a catastrophic event such as a short circuit fault.

 

 

图 8.MIC2981 高边驱动器与 AAHS298B 的比较

灾难性事件可能是短期的，也可能是自我修复的，需要再次通电。或者，AAHS298B 输出本身可能出现故障。无论哪种方式，电源开关都需要冗余，这意味着在发生故障时为负载供电的备用方式。

提供冗余电源开关的经典方法是使用冗余电源开关，即两个而不是一个，并通过二极管组合其输出（图 9）。

图 9.通过二极管进行冗余电源切换

二极管可防止电源总线通过损坏的驱动器反向驱动。例如，假设顶部驱动器损坏，其输出可能短路至地。通过底部驱动器的路径，冗余路径，到电源总线输出是正常的。顶部二极管反向偏置，可防止损坏的顶部驱动器拉下电源总线（图 10）。

图 10.驱动程序故障阻止

还有另一个故障需要考虑，即导致开路或短路的二极管故障。这就是我们的LX7710辐射硬化设计八对二极管阵列的目的。LX7710 采用与 AAHS298B 相同的密封封装。所有二极管的额定电流均为700 mA，与AAHS298B输出相匹配。二极管成对串联，如图11所示，通常并联使用为两对。

图 11.AAHS298B 与 LX7710 一起使用

每组四个二极管仅取代图9和图10中的一个二极管。冗余需要四个二极管。考虑单个驱动程序，如图 12 所示。在正常工作时，电流流过两对二极管。

图 12.冗余二极管 — 正常电流

如果一个二极管未能开路，则仍然有一条通过其余双二极管的良好路径（图13）。

图 13.冗余二极管 — 电流流经一个开路二极管

如果二极管短路，电流仍将通过该对，一些电流也会通过顶部对，具体取决于每条路径上的压降。

图 14.冗余二极管 — 电流通过一个短路二极管流

图15显示了一个冗余设置，其中包括功率驱动器，因此两个AAHS298B通过二极管驱动相同的八个负载。例如，要打开CH1输出，请SEL_CH1_VS1或SEL_CH1_VS2高，或同时将两者都调高。二极管 ORing 可防止从一个通道反向驱动到另一个通道。二极管阵列使用两个串联，因此，如果一个二极管短路，其余二极管仍可用作阻塞器件。因此，这种架构可防止单点故障，因为如果一个二极管或一个驱动器发生故障，继电器将被驱动。

图 15.完全冗余驱动程序

第一篇介绍简单电源开关的博客文章到此结束。希望您现在了解什么是电源开关，为什么以及在哪里使用它们，并熟悉冗余电源开关的架构。第二篇博客文章将介绍 LX7712 和 LX7714 电源开关，其中包括带定时器的自动故障处理、电流限制、电流遥测和压摆率控制等功能。

审核编辑 黄昊宇