了解電源開關(guān)

這篇第一篇博客文章概述了常見類型的電源開關(guān)，并提供了一些有趣的歷史，然后使用兩個最簡單的產(chǎn)品作為示例來展示冗余電源開關(guān)的架構(gòu)。第二篇博客文章將介紹更復(fù)雜的部件，這些部件添加了管理更復(fù)雜故障場景的功能。

什么是電源開關(guān)，它們在哪里使用？

電源開關(guān)有三種基本類型。第一個稱為低邊開關(guān)，因為該開關(guān)將負(fù)載接地。

圖 1.低邊電源開關(guān)

或者，可以將開關(guān)放置在電源軌中，該電源軌稱為高邊開關(guān)。

圖 2.高邊電源開關(guān)

最后，還有一種帶有可隔離電源開關(guān)的機械繼電器方法。繼電器可用于控制需要電氣隔離的負(fù)載，因為負(fù)載與控制器不共享公共接地電位。它們通常用于切換高電流和電壓。繼電器在出現(xiàn)短期電流和電壓尖峰時也非常堅固。

圖 3.可隔離電源開關(guān)

自 20 世紀(jì) 70 年代以來，集成式低邊電源開關(guān)一直用于點陣引腳驅(qū)動器和繼電器/螺線管驅(qū)動器等應(yīng)用。圖 1 中所示的MIC5801包括鎖存器并集成了 8 個驅(qū)動輸出。鎖存器允許在相同的八條輸入線路上多路復(fù)用多個 MIC5801，每個 MIC5801 在其輸出需要更新時單獨進行選通。

圖 4.MIC5801 可鎖存低邊驅(qū)動器

MIC5801的輸出級如圖5所示。它是一個達林頓負(fù)-正-負(fù) （NPN） 級，具有二極管保護功能，可防止低于地電位或高于負(fù)載電源的電壓瞬變。使用分立元件很容易復(fù)制，但使用集成電路（IC）可以節(jié)省空間和成本。

圖 5.低邊驅(qū)動器輸出級

衛(wèi)星通常受到功率限制，由太陽能和電池混合供電。因此，未使用的系統(tǒng)在不使用時會斷電。電源開關(guān)通常為高端，因為輸入和輸出都參考于地電位，并且不斷開接地更簡單。此外，空間系統(tǒng)通常需要冗余，如圖6所示的系統(tǒng)可能必須允許3.3V電源從死電源切換到工作電源。此外，模塊本身可能需要在發(fā)生故障時斷開電氣連接，以避免消耗不必要的電源。

圖 6.高邊電源切換到模塊

AAHS298B 是一款用于空間的八通道高邊電源開關(guān)，通過設(shè)計實現(xiàn)抗輻射。這意味著從設(shè)計的初始階段開始，我們就使用經(jīng)過證明具有輻射容限的特殊工藝、設(shè)備和設(shè)計技術(shù)。AAHS298B 包含 8 個獨立的 700 mA 電源開關(guān)，采用 10V 至 75V 范圍內(nèi)的通用電源工作（圖 7）。

圖 7.二硫化彈性體298B

以下是商用高邊驅(qū)動器 MIC2981 與 AAHS298B 的比較。與前面討論的 MIC5801 低邊驅(qū)動器一樣，這些都是簡單的部件。AAHS298B 采用密封陶瓷小外形 （SO） 封裝，這是大多數(shù)空間應(yīng)用所必需的。它仍然提供與商用塑料 SO 封裝相同的 1.27mm 引腳間距。

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.

圖 8.MIC2981 高邊驅(qū)動器與 AAHS298B 的比較

災(zāi)難性事件可能是短期的，也可能是自我修復(fù)的，需要再次通電。或者，AAHS298B 輸出本身可能出現(xiàn)故障。無論哪種方式，電源開關(guān)都需要冗余，這意味著在發(fā)生故障時為負(fù)載供電的備用方式。

提供冗余電源開關(guān)的經(jīng)典方法是使用冗余電源開關(guān)，即兩個而不是一個，并通過二極管組合其輸出（圖 9）。

圖 9.通過二極管進行冗余電源切換

二極管可防止電源總線通過損壞的驅(qū)動器反向驅(qū)動。例如，假設(shè)頂部驅(qū)動器損壞，其輸出可能短路至地。通過底部驅(qū)動器的路徑，冗余路徑，到電源總線輸出是正常的。頂部二極管反向偏置，可防止損壞的頂部驅(qū)動器拉下電源總線（圖 10）。

圖 10.驅(qū)動程序故障阻止

還有另一個故障需要考慮，即導(dǎo)致開路或短路的二極管故障。這就是我們的LX7710輻射硬化設(shè)計八對二極管陣列的目的。LX7710 采用與 AAHS298B 相同的密封封裝。所有二極管的額定電流均為700 mA，與AAHS298B輸出相匹配。二極管成對串聯(lián)，如圖11所示，通常并聯(lián)使用為兩對。

圖 11.AAHS298B 與 LX7710 一起使用

每組四個二極管僅取代圖9和圖10中的一個二極管。冗余需要四個二極管。考慮單個驅(qū)動程序，如圖 12 所示。在正常工作時，電流流過兩對二極管。

圖 12.冗余二極管 — 正常電流

如果一個二極管未能開路，則仍然有一條通過其余雙二極管的良好路徑（圖13）。

圖 13.冗余二極管 — 電流流經(jīng)一個開路二極管

如果二極管短路，電流仍將通過該對，一些電流也會通過頂部對，具體取決于每條路徑上的壓降。

圖 14.冗余二極管 — 電流通過一個短路二極管流

圖15顯示了一個冗余設(shè)置，其中包括功率驅(qū)動器，因此兩個AAHS298B通過二極管驅(qū)動相同的八個負(fù)載。例如，要打開CH1輸出，請SEL_CH1_VS1或SEL_CH1_VS2高，或同時將兩者都調(diào)高。二極管 ORing 可防止從一個通道反向驅(qū)動到另一個通道。二極管陣列使用兩個串聯(lián)，因此，如果一個二極管短路，其余二極管仍可用作阻塞器件。因此，這種架構(gòu)可防止單點故障，因為如果一個二極管或一個驅(qū)動器發(fā)生故障，繼電器將被驅(qū)動。

圖 15.完全冗余驅(qū)動程序

第一篇介紹簡單電源開關(guān)的博客文章到此結(jié)束。希望您現(xiàn)在了解什么是電源開關(guān)，為什么以及在哪里使用它們，并熟悉冗余電源開關(guān)的架構(gòu)。第二篇博客文章將介紹 LX7712 和 LX7714 電源開關(guān)，其中包括帶定時器的自動故障處理、電流限制、電流遙測和壓擺率控制等功能。

審核編輯 黃昊宇