再谈高端开关

《再谈高端开关》

 

      在控制系统中，经常会遇到在特定时刻对某一个/多个有效载荷配电。

这就需要在电源汇流条下端加开关完成。常见的开关有两种模态，如下图所示：

 

                                                                                      高端开关                              低端开关

      这两种都有用场。高端开关主要用于高/中压场合；低端开关主要用于5V/3.3V应用场合。下面主要分析高端开关。

原则上，高端开关用继电器实现最为方便，且继电器的接触电阻很小（一般为几个毫欧，视触电面积大小而定）。但现代电子系统中一般均尽量避免用继电器。原因是在继电器吸合瞬间/断瞬间（两触点间距在um级时）容易“拉弧”（尤其是中/高压场合），影响系统工作寿命。

 

故现代电子系统中，一般均采用MOS-FET作为开关元件，也叫“无触点开关”。相对于继电器来说它的导通损耗大（因为MOS管的导通电阻不可能做得那么小），但优点是没有机械动作，因而寿命长。再就是可以快速切换（对有些负载这点很关键）用MOS管作高端开关又分为两种情况：

 

P-MOS:易于实现。但由于“空穴”的迁移率低，故一般只能适合于中压（10V～100V）、中功率（≤10A）场合。

N-MOS:需要“浮栅”驱动，难实现。但由于“电子”的迁移率高，故适用于高压（≥200V），大功率（≥50A）的应用场合。

这两种开关均能任意控制开/关的速度，以适应不同的ZL负载需求。图中△V为MOS管的导通压降。

                                                                                    快速开关：只有导通损耗。适用于高频应用。

  慢速开关：除了的静态损耗外，还有开关损耗。适用于开关不太频繁的场合。

由于有导通损耗和开关损耗，应用中要根据系统控制要求和负载情况，对MOS管加相应散热。

 那么，一个完成的高端开关应该有哪几部分组成呢？下面以P-MOS管为例来说明。（见下框图）

       由以上框图可以看出，典型的中电压、中功率高端开关由开关管（M1），电流采样（R0），高共模电压仪表放大器（INA），比较器（COMP），延时、与逻辑门、电平转换以及控制开/关速率的RC网络等构成。“OVL”为过流指示，“SO”为输出指示，“EN”为开/关控制信号。这样的组合比较适合航空28V电源系统。因为组成不复杂，体积小，易于实现。

这个系统几个核心点需要特别说明如下：

• 功耗。主要取决于M1的导通电阻RON（在不计开关损耗情况下）和电流采样电阻RO的大小。一般情况下均选RON和RO尽可能小。
• 开关速率控制。通过调节R1、R2、C1完成，要以负载的特性而定。假若负载呈现纯电阻特性，则适合于快速开关控制，以减少M1的动态功耗。若负载呈现容性/感性负载，则只能采用慢速开关控制策略。因为电容上的电压不能突变，电感上的电流不能突变。若切换速率太快的话，容易使过流检测误动作，也会对电源供电系统造成污染。
• 过流打嗝态（hiccup），通过调节比较输出延时和控制M1的上升/下降时间共同完成。打嗝态是电源供电系统均应具备的一个功能。符合下图所示特质。

      就是说，在上送机发出EN信号时，高端开关应该处于正常供电状态。但由于负载ZL出现了超负荷（比如短路）则电流采样电阻R0检测到这个过电流，进而当地控制M1截止。M1截止后，过电流态消失，又能正常供电了。但由于过流态还在，于是系统又尝试关断M1。这样周而复始，就会出现类似于上图所示波形，俗称“打嗝态”。

它的重要性体现在两个方面，一是通过当地断续关断开关管M1以保护管子不被烧毁。二是上位机检测过流指示信号“OVL”打嗝一定次数后发EN命令远程关断M1。

• 电平转换，主要是为了与上位中控计算机的信号电平兼容而设的。有时由于中控计算机与+VS电源系统不共地，还需要加隔离。
• D1的作用是保护M1的栅源不击穿。D2的作用是M1断开时为负载续流。

以上谈的是中压中功率高端开关的实现方式。

下面简单介绍一款高压大功率高端开关的实现策略。（见下框图）

 由上图可以看出，采用N-MOS管作为开关元件，采用磁惠斯通桥来作为电流采样，采用HJ393A来驱动      N-MOS，加入温度传感器测量N-MOS的结温，要引入控制电源VDD。这样的组合有利于减小功耗（无上述的   RO），能够完成N-MOS的浮栅驱动也能完成过温保护。