Układy zabezpieczenia ładowarek przed odwrotnym podłączeniem ogniw

Istnieje kilka dobrze znanych technik zabezpieczenia przed odwrotnym podłączeniem źródła napięcia. Najbardziej oczywistą techniką jest dioda pomiędzy źródłem a obciążeniem, ale ma to wadę w postaci rozpraszania istotnej mocy na diodzie z powodu spadku napięcia na tym elemencie. Sprawia to, że takie rozwiązanie nie będzie sprawdzać się w systemach przenośnych czy zasilanych bateryjnie, ponieważ powoduje dodatkowy pobór mocy z ogniwa. Innym podejściem jest użycie jednego z obwodów wykorzystujących tranzystor MOSFET, pokazanych na rysunku 1.



W przypadku obwodów umieszczanych po stronie obciążenia takie podejście jest znacznie lepsze niż dioda, ponieważ napięcie źródła (akumulatora) otwiera kanał MOSFETa, powodując mniejszy spadek napięcia na tym elemencie, zmniejszając rezystancję kanału.

Wersja obwodu z tranzystorem polowym z kanałem N jest lepsza niż z kanałem P, ze względu na wyższą przewodność, niższy koszt i lepszą dostępność dyskretnych tranzystorów NMOS. W obu obwodach MOSFET przewodzi, gdy napięcie akumulatora jest dodatnie i odłącza się, gdy napięcie akumulatora zostanie podane odwrotnie. Jest to możliwe, ponieważ układ polaryzuje odpowiednio bramkę tranzystora FET po podłączeniu akumulatora. Dren MOSFETa staje się elektrycznym źródłem, ponieważ ma wyższy lub niższy potencjał w układzie z, odpowiednio PMOSem lub NMOSem. W rejonie triodowym tranzystory polowe są elektrycznie symetryczne, to znaczy, że równie dobrze przewodzą prąd w obie strony. Przy tym podejściu tranzystor musi mieć maksymalne dopuszczalne VGS i VDS, nie mniejsze niż napięcie zasilania z akumulatora.

Niestety takie podejście sprawdza się tylko po stronie obciążenia i nie będzie działać z obwodem, który może ładować baterię. Ładowarka będzie wytwarzać energię, włączając ponownie MOSFET i ponowne łącząc się do odwróconej baterii. Przykład użycia wersji NMOS pokazano na rysunku 2, gdzie pokazano akumulator w stanie usterki.



Gdy bateria jest podłączona, a ładowarka jest podłączona, ale nieaktywne, obciążenie i ładowarka są bezpiecznie odłączone od odwróconej baterii. Jednak jeśli ładowarka jest w stanie aktywnym, na przykład jeśli podłączone jest złącze zasilania wejściowego, to ładowarka wytwarza napięcie na bramce NMOS, otwierając go. Zobrazowano to na rysunku 3 poniżej.



Obciążenie i ładowarka są odizolowane od odwrotnie podłączonego napięcia, ale ochrona MOSFETem jest okupiona wyjątkowo wysokim rozpraszaniem mocy. W tym scenariuszu ładowarka staje się obciążeniem – rozładowarką baterii. Obwód dojdzie do równowagi, gdy ładowarka wytwarza wystarczająco dużo energii by otworzyć bramkę na tyle, by przez MOSFE popłynął prąd ładowarki. Na przykład, jeśli VTH MOSFETa ma około 2 V, a ładowarka może dostarczać prąd przy napięciu 2 V, wtedy napięcie wyjściowe ładowarki będzie stabilizować się na 2 V, a dren MOSFETa przy 2 V plus napięcie baterii. Strata mocy na MOSFETcie jest więc ilorazem prądu ładowania i sumy napięcia ogniwa i VTH [ICHARGE x (VTH + VBAT)]. Rozpraszana moc będzie podgrzewała tranzystor, aż ten spłynie z płytki drukowanej. Zabezpieczenie oparte o tranzystor z kanałem typu P czeka taki sam los. Alternatywne podejścia przedstawiono poniżej. Każde z nich ma swoje zalety i wady.

Konstrukcja z wykorzystaniem tranzystora MOSFET z kanałem N

Pierwsze podejście wykorzystuje tranzystor MOS z kanałem typu N, jak pokazano na rysunku 4. Blokujący MOSFET należy wyłączyć, jeśli napięcie akumulatora przekroczy napięcie wyjściowe z ładowarki.

W tym obwodzie MN1 jest podłączony po dolnej stronie połączenia między ładowarką i obciążeniem, a zaciskami akumulatora jak w opisanym powyżej podejściu NMOS. Jednak tranzystory MP1 i Q1 zapewniają teraz obwód wykrywania, który wyłącza MN1, jeśli akumulator jest odwrócony. Podłączona odwrotnie bateria podniesie źródło MP1 ponad potencjał bramki, która jest podłączony do dodatniego zacisku ładowarki. Dren MP1 z kolei dostarcza prąd do bazy Q1 przez R1. Q1 następnie zwiera bramkę MN1 do ziemi, zapobiegając przepływowi prądu ładowania przez MN1. R1 steruje prądem bazy Q1, podczas wykrywania odwrotnego podłączenia ogniwa, a R2 zapewnia rozładowywanie bazy Q1 podczas normalnego działania. Opornik R3 umożliwia Q1 ściągnięcie bramki MN1 do ziemi. Dzielnik napięcia z rezystorów R3 i R4 ogranicza napięcie na bramce MN1, aby napięcie bramki nie musiało spadać zbyt nisko, podczas gdy akumulator zostanie podłączony odwrotnie. Najgorszy przypadek jest wtedy, gdy ładowarka jest już aktywna, generując stały poziom napięcia, a akumulator jest odwrotnie dołączany do układu. W takim przypadku MN1 musi zostać wyłączony tak szybko jak to tylko możliwe, aby ograniczyć czas, w którym rozpraszana jest wysoka moc. Ta konkretna wersja obwodu z opornikami R3 i R4 najlepiej nadaje się do zastosowań w systemach wykorzystujących ogniwa kwasowo-ołowiowe 12V; R4 można wyeliminować w aplikacjach o niższym napięciu, takich jak 1- i 2-ogniwowe akumulatory litowo-jonowe. Kondensator C1 zapewnia ultraszybką pompę ładunku do sterowania bramką MN1 podczas odwrotnego podłączania akumulatora. C1 jest szczególnie pomocny w najgorszym scenariuszu, w którym ładowarka jest już włączona, gdy nastąpi odwrotne podłączenie akumulatora.

Obwód ten ma jednak tę wadę, że wymaga dodatkowych komponentów w systemie i że dzielnik złożony z oporników R3 i R4 tworzy mały, ciągle obciążający akumulator układ.

Większość wykorzystanych w układzie elementów jest niewielka. Tranzystory MP1 i Q1 nie są układami mocy i zwykle można je znaleźć w małych obudowach, takich jak SOT23-3, SC70-3 lub nawet mniejsze. MN1 powinien być już elementem większej mocy, ponieważ jest to urządzenie przejściowe w tym systemie. Nie oznacza to jednak, że taki układ musi być fizycznie duży. Ponieważ tranzystor ten działa głęboko w zakresie charakterystyki triodowej, z dużym wzmocnieniem bramki, rozpraszanie mocy na tym elemencie będzie niskie nawet dla urządzenia o stosunkowo dużej rezystancji kanału w stanie włączonym RDS(on). Tranzystory o rezystancji kanału poniżej 100 mΩ często można znaleźć w obudowach SOT23-3 lub o porównywalnej wielkości.



Wadą rozwiązania wykorzystującego niewielki tranzystor przejściowy jest to, że nawet niewielka dodatkowa impedancja, połączona szeregowo z ładowarką i ogniwem, wydłuża czas ładowania w fazie ładowania stałym napięciem.

Na przykład, jeśli akumulator i jego okablowanie mają równoważną rezystancję szeregową równą 100 mΩ, a wykorzystywany tranzystor charakteryzuje się rezystancją kanału na poziomie 100 mΩ, to czas ładowania w fazie stałego napięcia zwiększy się dwukrotnie.

Obwód wykrywania i wyłączania złożony z MP1 oraz Q1 nie jest szczególnie szybki w wyłączaniu MN1 i nie potrzebuje takim być. Chociaż na MN1 rozprasza się spora moc w czasie odwrotnego podłączenia akumulatora, to system nie musi zbyt szybko rozłączać tego klucza. Wystarczy, aby tranzystor MN1 został wyłączony, zanim cokolwiek ulegnie termicznemu uszkodzeniu. Z tego punktu widzenia wyłączanie w czasie dziesiątek mikrosekund jest zupełnie akceptowalne. Z drugiej strony, wyłączenie MN1 jest wymagane przed momentem, gdy odwrotnie podłączone ogniwo ściągnie napięcie ładowarki i napięcie na ogniwie poniżej poziomu masy. Do tego jest właśnie kondensator C1. Zasadniczo ten obwód ma zarówno ścieżka wyłączająca zarówno dla AC, jak i DC.

Obwód ten został przetestowany z akumulatorem ołowiowo-kwasowym i ładowarka opartą na układzie LTC4015. Rysunek 5 pokazuje stan napięcia ładowarki, gdy jest ona w stanie wyłączonym, gdy podłączony jest odwrotnie akumulator. Odwrócone napięcie nie jest przesyłane do ładowarki i obciążenia.



Zauważ, że tranzystor MN1 potrzebuje maksymalnej wartości VDS nie mniejszej niż napięcie baterii napięcie, a maksymalna dopuszczalna wartość VGS nie może być mniejsza niż połowa tego napięcia. Z kolei MP1 musi mieć maksymalne dopuszczalne VDS i VGS, równe co najmniej napięciu z akumulatora.

Rysunek 6 pokazuje poważniejszy przypadek, gdy ładowarka jest załączona w momencie odwrotnego podłączenia ogniwa do systemu. Odwrotne połączenie obniża napięcie po stronie ładowarki dopóki obwody wykrywania i ochrony nie odłączą go, pozwalając aby ładowarka mogła bezpiecznie powrócić do swojego stałego poziomu napięcia. Dynamika działania będzie się tutaj różnić się w zależności od zastosowania, a pojemność ładowarki odegra dużą rolę w wypadkowym działaniu systemu. W tym teście ładowarka miała zarówno kondensatory ceramiczne o wysokim Q, a także kondensator polimerowy o niższej wartości Q.



Kondensatory aluminiowo-polimerowe i aluminiowo-elektrolityczne są zalecane w ładowarce, aby poprawić wydajność podczas normalnej pracy dynamicznie podłączanej baterii (hot-plug). Ze względu na ich ekstremalną nieliniowość, wykorzystanie jedynie kondensatorów ceramicznych powodować może powstawanie przepięć, gdy ich efektywna pojemność spada o szokujące 80% w momencie podniesienia napięcia od zera do napięcia ładowania ogniwa. Ta nieliniowość zachęca do przepływu wysokiego prądu przy niskim napięciu, jednocześnie szybko zmniejszając pojemność kondensatora, wraz ze wzrostem napięcia. Ta kombinacja prowadzi może do bardzo dużych przepięć w układzie ładowarki. Z wielu doświadczeń wynika, że najlepsze jest połączenie kondensatora ceramicznego i aluminiowego lub tantalowego kondensatora elektrolitycznego.

Konstrukcja z wykorzystaniem tranzystora MOSFET z kanałem P

Drugie podejście wykorzystujące tranzystor MOSFET korzysta z elementu z kanałem typu P. Jest on zastosowany jako element układu ochronnego, który pokazano na rysunku 7.



W tym obwodzie tranzystor MP1 jest urządzeniem do wykrywania odwrotnie podłączonego akumulatora, a tranzystor MP2 jest urządzeniem do blokowania prądu wstecznego. Dodatni zacisk akumulatora jest porównywany z napięciem wyjścia ładowarki przez napięcie źródło-bramka MP1. Jeśli napięcie ładowarki przekracza napięcie na zacisku akumulatora, MP1 wyłącza tranzystor przejściowy MP2. Dlatego jeśli napięcie baterii jest poniżej potencjału masy, MP1 spowoduje wyłączenie tranzystora MP2 przez zwarcie jego bramki do źródła. Układ zadziała w ten sposób niezależnie od tego, czy ładowarka jest włączona i podaje napięcie ładowania czy też jest wyłączona z 0 V na wyjściu.

Obwód ten ma tę podstawową zaletę, że tranzystor blokujący (PMOS) MP2, nie może w żaden sposób przewodzić ujemnego napięcia do obwodu ładowarki i do obciążenia. Rysunek 8 ilustruje to jaśniej.



Najniższe osiągalne napięcie na bramce MP2 wynosi 0 V przez R1. Nawet jeśli dren MP2 zostanie ściągnięty znacznie poniżej potencjału masy, jego źródło nie będzie ściągało nic poniżej zera. Gdy napięcie źródła spadnie do poziomu VTH tranzystora powyżej masy, sam tranzystor depolaryzuje się i jego przewodnictwo spada. Im bliżej uziemienia będzie źródło, tym bardziej rozłączony jest ten klucz. Ta cecha, wraz z prostą topologią układu, sprawia, że to podejście jest bardziej atrakcyjne niż podejście z wykorzystaniem tranzystora NMOS, pokazane powyżej. Ma ono jednak wadę w postaci niższej przewodności i wyższych kosztów tranzystora z kanałem typu P w porównaniu z podejściem elementem aktywnym z kanałem N.

Obwód ten, choć prostszy niż podejście NMOS ma jeszcze jedną dużą wadę. Chociaż zawsze chroni przed odwrotnie podłączonym napięciem, nie zawsze może on podłączyć obwód do akumulatora w sytuacji, gdy jest on podpięty poprawnie. Z bramkami sprzężonymi jak pokazano na rysunku 8, obwód tworzy zatrzask - element pamięci - który może przyjąć zły stan. Chociaż jest to trudne do osiągnięcia, istnieje stan, w którym ładowarka wytwarza napięcie, powiedzmy 12V, bateria jest podłączona przy niższym napięciu, powiedzmy 8V, i obwód jest odłączony. W tym przypadku napięcie źródło-bramka tranzystora MP1 wynosi 4 V, załączając MP1 i rozłączając MP2. Ten przypadek pokazano na rysunku 9 przy stabilnych napięciach wymienionych w węzłach.



Aby osiągnąć ten stan, ładowarka musiałaby być załączona, gdy bateria została dopięta. Jeśli bateria jest dołączona przed włączeniem ładowarki, bramka MP1 jest podciągnięta przez akumulator całkowicie wyłączając tranzystor MP1. Gdy ładowarka włącza się, podaje kontrolowany prąd, a nie wysokoprądowe uderzenie, co zmniejsza ryzyko włączenia MP1 i wyłączanie MP2.

Z drugiej strony, jeśli ładowarka jest włączona przed podłączeniem akumulatora, bramka MP1 po prostu podąży za wyjściem ładowarki akumulatora, gdy jest podciągana przez rezystor rozładowujący R2. Bez ogniwa MP1 nie ma skłonności do włączania się i wyłączania tranzystora przejściowego MP2.

Problem występuje jednak, gdy ładowarka jest już włączona, a dopiero następnie podłączona zostaje bateria. W tym przypadku wystąpi chwilowa różnica między wyjściem ładowarki a zaciskiem akumulatora, co zachęci MP1, aby odłączyć MP2, gdy napięcie akumulatora wzrośnie o więcej niż może zareagować ładowarka. Spowoduje to wyścig pomiędzy zdolnością MP2 do usuwania ładunku z kondensatora ładowarki i zdolność MP1 do odłączenia MP2.

Ten obwód został również przetestowany z akumulatorem kwasowo-ołowiowym i ładowarka LTC4015. Podłączanie mocno obciążonego zasilacza 6 V jako emulatora akumulatora do już włączonej ładowarki, nigdy nie wyzwalała stanu „odłączenia” w układzie. Testy nie były wyczerpujące i powinny być wykonywane dokładniej w krytycznych zastosowaniach. Nawet jeśli obwód zatrzaśnie się w ten sposób, wystarczy wyłączyć ładowarkę i włączyć ją ponownie, co zawsze spowoduje ponowne podłączenie ogniwa do systemu.

Stan awarii można wywołać poprzez sztuczne manipulowanie obwodu z tymczasowym połączeniem od góry R1 do wyjścia ładowarki. Jednak taki układ ma znacznie wyższą skłonność do połączenia ogniwa niż klasyczne rozwiązanie. Jeśli brak połączenia stanie się problemem, możliwe jest opracowanie obwodu, który wyłączy ładowarkę z większą liczbą urządzeń. Przykładem jest pokazany na rysunku 12 bardziej rozbudowany obwód.

Rysunek 10 pokazuje przebieg działania napięć w układzie obwodu ochronnego z elementem PMOS z wyłączoną ładowarką. Ładowarka akumulatora i napięcie obciążenia nie wskazują w ogóle spadków napięcia do wartości ujemnych. Rysunek 11 pokazuje ten sam obwód w gorszym stanie, gdy ładowarka jest już włączona, gdy podłączony odwrotnie zostaje akumulator (hot-plug). Przebieg ten jest nie do odróżnienia od wyników działania dla obwodu z elementem NMOS. Odwrotnie podłączona bateria ściąga ładowarkę w dół i nieco obniża napięcie na obciążeniu przed odłączeniem tranzystora MP2.



W tej wersji obwodu tranzystor MP2 musi być w stanie przetrwać VDS dwa razy większe niż napięcie akumulatora (suma napięcia ładowarki i odwróconego ogniwa) i VGS nie mniejsze niż napięcie akumulatora. Z drugiej strony MP1 musi przetrwać VDS równe napięciu ogniwa i VGS dwa razy większy niż napięcie akumulatora. Ten wymóg jest niefortunny, gdyż zazwyczaj VDS przekracza znamionowe napięcie VGS dla tranzystorów MOSFET. Możliwe jest znalezienie tranzystorów o tolerancji VGS do 30 V i tolerancji VDS do 40 V, co jest odpowiednie dla akumulatorów kwasowo-ołowiowych. W celu współpracy z ogniwami o wyższym napięciu obwód będzie musiał zostać zmodyfikowany za pomocą dodatkowych diod Zenera i rezystorów ograniczających prąd.

Na rysunku 12 pokazano przykład obwodu, który może obsłużyć dwa akumulatory kwasowo-ołowiowe połączone szeregowo.



Diody D1, D3 i opornik R3 chronią bramki tranzystorów MP2 i MP3 przed wysokim napięciem ogniw. Dioda D2 zapobiega ściągnięciu bramki MP3 poniżej poziomu masy, a za nim ściągnięcia wyjścia ładowarki, gdy odwrotnie podłączona zostanie bateria podczas pracy ładowarki. Klucz MP1 i opornik R1 tworzą układ wykrywający, kiedy ogniwo podłączone jest nieprawidłowo lub układ zatrzasnął się w niepoprawnym stanie. W takiej sytuacji układ odłącza ładowarkę, wykorzystując odpięcie opornika RT od LTC4015, co powoduje wyłączenie tego elementu.

Podsumowanie

Możliwe jest opracowanie obwodu zabezpieczającego przed odwróconym napięciem do aplikacji wykorzystujących ładowarki. Niektóre obwody zostały opracowane i przetestowane z zachęcającymi wynikami. Nie ma jednak uniwersalnego rozwiązania problemu z odwrotnie podłączonymi ogniwami. Można mieć jedynie nadzieję, że pokazane powyżej rozwiązania zapewniają pewien stopień ochrony i punkt wyjścia do opracowania bardziej rozbudowanych rozwiązań.

Źródło: https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/application-notes/AN-171_AN-1568.pdf