再談高端開關(guān)

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2023-06-12

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

高端開關(guān) 低端開關(guān)

這兩種都有用場。高端開關(guān)主要用于高/中壓場合；低端開關(guān)主要用于5V/3.3V應(yīng)用場合。下面主要分析高端開關(guān)。

原則上，高端開關(guān)用繼電器實(shí)現(xiàn)最為方便，且繼電器的接觸電阻很?。ㄒ话銥閹讉€(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級時(shí)）容易“拉弧”（尤其是中/高壓場合），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作為開關(guān)元件，也叫“無觸點(diǎn)開關(guān)”。相對于繼電器來說它的導(dǎo)通損耗大（因?yàn)镸OS管的導(dǎo)通電阻不可能做得那么?。?，但優(yōu)點(diǎn)是沒有機(jī)械動作，因而壽命長。再就是可以快速切換（對有些負(fù)載這點(diǎn)很關(guān)鍵）用MOS管作高端開關(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）場合。

N-MOS:需要“浮柵”驅(qū)動，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)用場合。

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

快速開關(guān)：只有導(dǎo)通損耗。適用于高頻應(yīng)用。

慢速開關(guān)：除了的靜態(tài)損耗外，還有開關(guān)損耗,即MOS管柵源充/放電時(shí)，引發(fā)的功耗損耗。適用于開關(guān)不太頻繁的場合。

由于有導(dǎo)通損耗和開關(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MOS管的控制策略作出調(diào)整，并對MOS管加相應(yīng)散熱。

那么，一個(gè)完成的高端開關(guān)應(yīng)該有哪幾部分組成呢？下面以P-MOS管為例來說明。（見下框圖）

由以上框圖可以看出，典型的中電壓、中功率高端開關(guān)由開關(guān)管（M₁），電流采樣（R₀），高共模電壓儀表放大器（INA），比較器（COMP），延時(shí)、與邏輯門、電平轉(zhuǎn)換以及控制開/關(guān)速率的RC網(wǎng)絡(luò)等構(gòu)成。“OVL”為過流指示，“S_O”為輸出指示，“EN”為開/關(guān)控制信號。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)需要特別說明如下：

功耗。主要取決于M₁的導(dǎo)通電阻R_ON（在不計(jì)開關(guān)損耗情況下）和電流采樣電阻R_O的大小。一般情況下均選R_ON和R_O盡可能小。
開關(guān)速率控制。通過調(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，則適合于快速開關(guān)控制，以減少M₁的動態(tài)功耗。若負(fù)載呈現(xiàn)容性/感性負(fù)載，則只能采用慢速開關(guān)控制策略。因?yàn)殡娙萆系碾妷翰荒芡蛔?，電感上的電流不能突變。若切換速率太快的話，容易使過流檢測誤動作，也會對電源供電系統(tǒng)造成污染。
過流打嗝態(tài)（hiccup），通過調(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，在上送機(jī)發(fā)出EN信號時(shí)，高端開關(guān)應(yīng)該處于正常供電狀態(tài)。但由于負(fù)載Z_L出現(xiàn)了超負(fù)荷（比如短路）則電流采樣電阻R₀檢測到這個(gè)過電流，進(jìn)而當(dāng)?shù)乜刂?/font>M₁截止。M₁截止后，過電流態(tài)消失，又能正常供電了。但由于過流態(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，一是通過當(dāng)?shù)財(cái)嗬m(xù)關(guān)斷開關(guān)管M₁以保護(hù)管子不被燒毀。二是上位機(jī)檢測過流指示信號“OVL”打嗝一定次數(shù)后發(fā)EN命令遠(yuǎn)程關(guān)斷M₁。

電平轉(zhuǎn)換，主要是為了與上位中控計(jì)算機(jī)的信號電平兼容而設(shè)的。有時(shí)由于中控計(jì)算機(jī)與+V_S電源系統(tǒng)不共地，還需要加隔離。
D₁的作用是保護(hù)M₁的柵源不擊穿。D₂的作用是M₁斷開時(shí)為負(fù)載續(xù)流。

以上談的是中壓中功率高端開關(guān)的實(shí)現(xiàn)方式。

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

高壓大功率高端開關(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R_o_n，必須要換成N-MOS管來完成；其次是考慮到功率地（PGND）上的串?dāng)_會影響/燒毀上位中控計(jì)算機(jī)，則OVL，EN，SO信號必須要加隔離；再者就是散熱，有時(shí)風(fēng)冷已不可靠，得采用油冷/水冷對M₁散熱。（見下框圖）

由上圖可以看出，采用N-MOS管作為開關(guān)元件，采用磁惠斯通橋來作為電流采樣，采用HJ393A來驅(qū)動N-MOS，加入溫度傳感器測量N-MOS的結(jié)溫，要引入控制電源V_DD。這樣的組合有利于減小功耗（無上述的R_O），能夠完成N-MOS的浮柵驅(qū)動也能完成過溫保護(hù)。

作為一個(gè)完善的高端開關(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。電容的儲能作用會造成開關(guān)管M₁導(dǎo)通瞬間的電流浪涌,電感的續(xù)流作用會造成M₁關(guān)斷時(shí)要承受負(fù)電壓脈沖，這些因素均會對功率管M₁的長期可靠工作造成負(fù)面影響。