再談高端開(kāi)關(guān)

在控制系統(tǒng)中，經(jīng)常會(huì)遇到在特定時(shí)刻對(duì)某一個(gè)/多個(gè)有效載荷配電。這就需要在電源匯流條下端加開(kāi)關(guān)完成。常見(jiàn)的開(kāi)關(guān)有兩種模態(tài)，如下圖所示：

這兩種都有用場(chǎng)。高端開(kāi)關(guān)主要用于高/中壓場(chǎng)合；低端開(kāi)關(guān)主要用于5V/3.3V應(yīng)用場(chǎng)合。

高端開(kāi)關(guān)

高端開(kāi)關(guān)

下面主要分析高端開(kāi)關(guān)。

原則上，高端開(kāi)關(guān)用繼電器實(shí)現(xiàn)最為方便，且繼電器的接觸電阻很小（一般為幾個(gè)毫歐，視觸點(diǎn)面積大小而定）。但現(xiàn)代電子系統(tǒng)中一般均盡量避免用繼電器。原因是在繼電器吸合瞬間/斷瞬間（兩觸點(diǎn)間距在um級(jí)時(shí)）容易“拉弧”（尤其是中/高壓場(chǎng)合），影響系統(tǒng)工作壽命。

故現(xiàn)代電子系統(tǒng)中，一般均采用MOS-FET作為開(kāi)關(guān)元件，也叫“無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)”。相對(duì)于繼電器來(lái)說(shuō)它的導(dǎo)通損耗大（因?yàn)镸OS管的導(dǎo)通電阻不可能做得那么?。珒?yōu)點(diǎn)是沒(méi)有機(jī)械動(dòng)作，因而壽命長(zhǎng)。再就是可以快速切換（對(duì)有些負(fù)載這點(diǎn)很關(guān)鍵）用MOS管作高端開(kāi)關(guān)又分為兩種情況：

P-MOS:易于實(shí)現(xiàn)。但由于“空穴”的遷移率低，故一般只能適合于中壓（10V～100V）、中功率（≤10A）場(chǎng)合。

N-MOS:需要“浮柵”驅(qū)動(dòng)，難實(shí)現(xiàn)。但由于“電子”的遷移率高，故適用于高壓（≥200V），大功率（≥50A）的應(yīng)用場(chǎng)合。

這兩種開(kāi)關(guān)均能任意控制開(kāi)/關(guān)的速度，以適應(yīng)不同的ZL負(fù)載需求。圖中△V為MOS管的導(dǎo)通壓降。

由于有導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗，應(yīng)用中要根據(jù)系統(tǒng)控制要求和負(fù)載情況，對(duì)MOS管的控制策略作出調(diào)整，并對(duì)MOS管加相應(yīng)散熱。

高端開(kāi)關(guān)

的實(shí)現(xiàn)方式

那么，一個(gè)完成的高端開(kāi)關(guān)應(yīng)該有哪幾部分組成呢？下面以P-MOS管為例來(lái)說(shuō)明。（見(jiàn)下框圖）

由以上框圖可以看出，典型的中電壓、中功率高端開(kāi)關(guān)由開(kāi)關(guān)管（M1），電流采樣（Ro），高共模電壓儀表放大器（INA），比較器（COMP），延時(shí)、溫度傳感器、與邏輯門(mén)、電平轉(zhuǎn)換以及控制開(kāi)/關(guān)速率的RC網(wǎng)絡(luò)等構(gòu)成?！癘VL”為過(guò)流指示，“So”為輸出指示，“EN”為開(kāi)/關(guān)控制信號(hào)。這樣的組合比較適合航空28V電源系統(tǒng)。因?yàn)榻M成不復(fù)雜，體積小，易于實(shí)現(xiàn)。

這個(gè)系統(tǒng)幾個(gè)核心點(diǎn)需要特別說(shuō)明如下：

l功耗。主要取決于M1的導(dǎo)通電阻Ron（在不計(jì)開(kāi)關(guān)損耗情況下）和電流采樣電阻Ro的大小。一般情況下均選Ron和Ro盡可能小。

l開(kāi)關(guān)速率控制。通過(guò)調(diào)節(jié)R1、R2、C1完成，要以負(fù)載的特性而定。假若負(fù)載呈現(xiàn)純電阻特性，則適合于快速開(kāi)關(guān)控制，以減少M(fèi)1的動(dòng)態(tài)功耗。若負(fù)載呈現(xiàn)容性/感性負(fù)載，則只能采用慢速開(kāi)關(guān)控制策略。因?yàn)?a href="http://wenjunhu.com/tags/電容/" target="_blank">電容上的電壓不能突變，電感上的電流不能突變。若切換速率太快的話，容易使過(guò)流檢測(cè)誤動(dòng)作，也會(huì)對(duì)電源供電系統(tǒng)造成污染。

l過(guò)流打嗝態(tài)（hiccup），通過(guò)調(diào)節(jié)比較輸出延時(shí)和控制M1的上升/下降時(shí)間共同完成。打嗝態(tài)是電源供電系統(tǒng)均應(yīng)具備的一個(gè)功能。符合下圖所示特質(zhì)。

就是說(shuō)，在上送機(jī)發(fā)出EN信號(hào)時(shí)，高端開(kāi)關(guān)應(yīng)該處于正常供電狀態(tài)。但由于負(fù)載ZL出現(xiàn)了超負(fù)荷（比如短路）則電流采樣電阻R0檢測(cè)到這個(gè)過(guò)電流，進(jìn)而當(dāng)?shù)乜刂芃1截止。M1截止后，過(guò)電流態(tài)消失，又能正常供電了。但由于過(guò)流態(tài)還在，于是系統(tǒng)又嘗試關(guān)斷M1。這樣周而復(fù)始，就會(huì)出現(xiàn)類似于上圖所示波形，俗稱“打嗝態(tài)”。

它的重要性體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是通過(guò)當(dāng)?shù)財(cái)嗬m(xù)關(guān)斷開(kāi)關(guān)管M1以保護(hù)管子不被燒毀。二是上位機(jī)檢測(cè)過(guò)流指示信號(hào)“OVL”打嗝一定次數(shù)后發(fā)EN命令遠(yuǎn)程關(guān)斷M1。

l電平轉(zhuǎn)換，主要是為了與上位中控計(jì)算機(jī)的信號(hào)電平兼容而設(shè)的。有時(shí)由于中控計(jì)算機(jī)與+VS電源系統(tǒng)不共地，還需要加隔離。

lD1的作用是保護(hù)M1的柵源不擊穿。D2的作用是M1斷開(kāi)時(shí)為負(fù)載續(xù)流。

以上談的是中壓中功率高端開(kāi)關(guān)的實(shí)現(xiàn)方式。

高壓大功率

高端開(kāi)關(guān)的實(shí)現(xiàn)策略

下面簡(jiǎn)單介紹一款高壓大功率高端開(kāi)關(guān)的實(shí)現(xiàn)策略。

高壓大功率高端開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)的首要考慮就是要減小功耗。因此上面介紹的“Shunt”型電流采樣就不能用了。另外由于P-MOS管的遷移率問(wèn)題和制造工藝因素，很難做到≥200V以上的耐壓和小的導(dǎo)通電阻Ron，必須要換成N-MOS管來(lái)完成；其次是考慮到功率地（PGND）上的串?dāng)_會(huì)影響/燒毀上位中控計(jì)算機(jī)，則OVL，EN，SO信號(hào)必須要加隔離；再者就是散熱，有時(shí)風(fēng)冷已不可靠，得采用油冷/水冷對(duì)M1散熱。（見(jiàn)下框圖）

由上圖可以看出，采用N-MOS管作為開(kāi)關(guān)元件，采用磁惠斯通橋來(lái)作為電流采樣，采用HJ393A來(lái)驅(qū)動(dòng)N-MOS，加入溫度傳感器測(cè)量N-MOS的結(jié)溫，要引入控制電源VDD。這樣的組合有利于減小功耗（無(wú)上述的Ro），能夠完成N-MOS的浮柵驅(qū)動(dòng)也能完成過(guò)溫保護(hù)。

作為一個(gè)完善的高端開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)，除要考慮上基本組成外,還要考慮負(fù)載（即上圖中的ZL）的特性。純阻性負(fù)載是不存在的，一般負(fù)載都是一個(gè)電阻R、電容C、電感L的組合體。電容的儲(chǔ)能作用會(huì)造成開(kāi)關(guān)管M1導(dǎo)通瞬間的電流浪涌,電感的續(xù)流作用會(huì)造成M1關(guān)斷時(shí)要承受負(fù)電壓脈沖，這些因素均會(huì)對(duì)功率管M1的長(zhǎng)期可靠工作造成負(fù)面影響。

最后，作為在惡劣環(huán)境下應(yīng)用的高端開(kāi)關(guān)。還應(yīng)考慮環(huán)境應(yīng)力（比如溫度應(yīng)力、沖擊/振動(dòng)應(yīng)力、電磁環(huán)境應(yīng)力等）的適應(yīng)性。