智能負載管理和負載電流感測

2021-01-08 EDN電子設計技術

隨著微處理器對電力電子控制能力的增強，管理負載電流益發行之有效，而不再是不堪的惡夢。在本文中，我們從基本的輸出電流控制和感測開始，然後介紹一種智能負載管理產品。PjXednc

輸出電流控制技術隨半導體開關的進步而發展。對大多數負載管理電路來說，MOSFET電晶體正在迅速取代繼電器成為所選擇的開關技術。有兩種方法可將MOSFET電晶體插入到電路中：PjXednc

作為高側P溝道開關

2 作為低側N溝道開關PjXednc

對兩種MOSFET電晶體類型做一個快速回顧，我們可以記起來，P溝道MOSFET是通過將柵極電壓拉到比源極電壓更低來進行柵控的；而N溝道MOSFET的柵極是由比源極更高的電壓來導通的。另外，其電流方向是相反的。這兩個因素決定了與饋入負載的電壓和電流相關的開關方向。PjXednc


圖1：N溝道和P溝道MOSFET。PjXednc

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圖2顯示了P溝道MOSFET作為負載開關時的優勢：P溝道控制電流流入地面，而N溝道控制電流流出地面（通常稱為「返回」）。PjXednc


圖2：P溝道器件作為負載開關時具有優勢。PjXednc

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在這兩種情況下，柵極電壓都必須超過器件的閾值電壓，才能將器件作為歐姆區（ohmic region）中的開關完全開啟。請注意，這裡的討論集中在增強型P溝道和N溝道MOSFET。不同類型的JFET具有不同的柵控要求。PjXednc


圖3：本文著眼於增強型MOSFET。PjXednc

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從器件操作回到負載管理電路，圖4所示是將高壓側p-FET用作開關元件，它還用了一個安森美的N溝道efuse產品。PjXednc


圖4：高壓側p-FET作為開關元件。PjXednc

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圖5所示是低側（返回側）n-FET作為開關元件，使用了安森美的N溝道efuse產品。雖然N溝道MOSFET比P溝道MOSFET約小三分之一，因此成本也更低，但由於P溝道MOSFET能保持合適的接地參考（參考圖5中N溝道n-FET開關位置，對地參考「隔斷」），所以使用P溝道MOSFET進行負載管理更好。PjXednc


圖5：低側（返回側）n-FET作為開關元件。 PjXednc

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efuse是一個重要的進步，因為它允許在極性反接、輸出短路或過電流情況下開啟電路。以類似的方式，也可以監測和控制流過開關的電流。事實上，如果柵控不正確，會發生開關振蕩。PjXednc

儘管半導體不會像繼電器那樣表現出開關反彈，但仍有可能出現不需要的振鈴。PjXednc

本文將著眼於高側電流感測。高側電流感測可以通過模擬電路進行控制，同時高側電流的數字控制也在向更高水平推進。這些開關內置了智能功能，包括可以反饋給微處理器的可編程電流水平和數位化電流水平讀數。這些信息被存儲在專門處理事件定時採樣的微處理器中，從而創建記錄水平歷史。然後使用軟體確定負載電流隨時間的變化。該信息與編程的閾值進行比較，並能提醒用戶發生的變化。PjXednc

在繼電器負載的情況下，利用這些信息可以對即將發生的組件故障發出告警。這種智能負載管理產品可以作為一個單獨實體運行，也可與智能電源一起使用。與智能電源一起使用時，可以採用RS-485通信進行可編程負載監控和實時更新。PjXednc

負載管理能力的增強正在改變電力行業。數字控制能力變得更精確、更可調，系統性能和可靠性也得到提高，因而能夠預測故障。這樣的話，便不必再僅僅為了更換一條熔斷的保險就下派技術人員到現場，從而降低了維護成本。PjXednc

原文刊登在EDN姊妹網站Planet Analog，參考連結Intelligent Load Management and Load Current Sensing。PjXednc

《電子技術設計》2018年6月刊版權所有，轉載請註明來源及連結。PjXednc

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