随着微处理器对电力电子控制能力的增强,管理负载电流益发行之有效,而不再是不堪的恶梦。在本文中,我们从基本的输出电流控制和感测开始,然后介绍一种智能负载管理产品。

输出电流控制技术随半导体开关的进步而发展。对大多数负载管理电路来说,MOSFET晶体管正在迅速取代继电器成为所选择的开关技术。有两种方法可将MOSFET晶体管插入到电路中:

  1. 作为高侧P沟道开关
    2 作为低侧N沟道开关

对两种MOSFET晶体管类型做一个快速回顾,我们可以记起来,P沟道MOSFET是通过将栅极电压拉到比源极电压更低来进行栅控的;而N沟道MOSFET的栅极是由比源极更高的电压来导通的。另外,其电流方向是相反的。这两个因素决定了与馈入负载的电压和电流相关的开关方向。

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图1:N沟道和P沟道MOSFET。

图2显示了P沟道MOSFET作为负载开关时的优势:P沟道控制电流流入地面,而N沟道控制电流流出地面(通常称为“返回”)。

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图2:P沟道器件作为负载开关时具有优势。

在这两种情况下,栅极电压都必须超过器件的阈值电压,才能将器件作为欧姆区(ohmic region)中的开关完全开启。请注意,这里的讨论集中在增强型P沟道和N沟道MOSFET。不同类型的JFET具有不同的栅控要求。

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图3:本文着眼于增强型MOSFET。

从器件操作回到负载管理电路,图4所示是将高压侧p-FET用作开关元件,它还用了一个安森美的N沟道efuse产品。

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图4:高压侧p-FET作为开关元件。

图5所示是低侧(返回侧)n-FET作为开关元件,使用了安森美的N沟道efuse产品。虽然N沟道MOSFET比P沟道MOSFET约小三分之一,因此成本也更低,但由于P沟道MOSFET能保持合适的接地参考(参考图5中N沟道n-FET开关位置,对地参考“隔断”),所以使用P沟道MOSFET进行负载管理更好。

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图5:低侧(返回侧)n-FET作为开关元件。

efuse是一个重要的进步,因为它允许在极性反接、输出短路或过电流情况下开启电路。以类似的方式,也可以监测和控制流过开关的电流。事实上,如果栅控不正确,会发生开关振荡。

尽管半导体不会像继电器那样表现出开关反弹,但仍有可能出现不需要的振铃。

本文将着眼于高侧电流感测。高侧电流感测可以通过模拟电路进行控制,同时高侧电流的数字控制也在向更高水平推进。这些开关内置了智能功能,包括可以反馈给微处理器的可编程电流水平和数字化电流水平读数。这些信息被存储在专门处理事件定时采样的微处理器中,从而创建记录水平历史。然后使用软件确定负载电流随时间的变化。该信息与编程的阈值进行比较,并能提醒用户发生的变化。

在继电器负载的情况下,利用这些信息可以对即将发生的组件故障发出告警。这种智能负载管理产品可以作为一个单独实体运行,也可与智能电源一起使用。与智能电源一起使用时,可以采用RS-485通信进行可编程负载监控和实时更新。

负载管理能力的增强正在改变电力行业。数字控制能力变得更精确、更可调,系统性能和可靠性也得到提高,因而能够预测故障。这样的话,便不必再仅仅为了更换一条熔断的保险就下派技术人员到现场,从而降低了维护成本。

原文刊登在EDN姊妹网站Planet Analog,参考链接Intelligent Load Management and Load Current Sensing

《电子技术设计》2018年6月刊版权所有,转载请注明来源及链接。

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