Gerencie e proteja com segurança as trilhas de alimentação CC usando comutadores de carga avançados

Em quase todos os projetos de sistemas, é fundamental tanto gerenciar as trilhas de alimentação CC quanto protegê-las contra vários modos de falha interna e externa. O desafio é complicado quando existem várias trilhas, como é cada vez mais o caso nos sistemas atuais, incluindo projetos pequenos, de baixa potência e alimentados por bateria.

O gerenciamento das trilhas de alimentação começa com um CI de gerenciamento de energia (PMIC) que direciona a ativação e a desativação do fluxo de corrente para as trilhas, conforme necessário. O PMIC também é responsável pelo gerenciamento do tempo e da sequência entre várias trilhas. Entretanto, o controle real do nível físico da trilha de alimentação é a tarefa do comutador de carga, um arranjo baseado em MOSFET que pode ser direcionado para permitir a passagem ou bloqueio da corrente.

Além das funções básicas, tais como controle da taxa de variação da corrente de irrupção e proteção contra sobretemperatura, os comutadores de carga são agora cada vez mais necessários para incluir outras funções e características, tais como queda de energia controlada, descarga rápida de saída e bloqueio verdadeiro da corrente reversa, todas elas difíceis de implementar usando projetos discretos baseados em FET.

Para contornar esta complexidade, ao mesmo tempo em que reduz o custo e o espaço necessário para uma implementação discreta, os projetistas podem escolher CIs de comutação de carga que incorporam as capacidades necessárias em um único invólucro com o comutador. Estes comutadores de carga integrados resolvem ou evitam muitos problemas operacionais de trilha de alimentação e também ajudam a atender muitos requisitos de projeto móvel ou alimentado por bateria.

Este artigo discutirá o papel dos comutadores de carga, suas funções básicas, funcionalidade adicional e características avançadas que os tornam mais do que apenas comutadores de ligar/desligar relativamente simples, controlados eletronicamente para as trilhas de alimentação. O artigo utilizará três novos CIs de comutação de carga da série TCK12xBG da Toshiba Electronic Devices & Storage Corporation (Toshiba) para ilustrar estes pontos e mostrar como eles são aplicados para atender às necessidades dos mais recentes projetos de produtos.

O básico dos comutadores de carga

Um comutador de carga básico tem apenas quatro pinos: tensão de entrada, tensão de saída, habilitação e terra (Figura 1). Quando um sinal de controle de nível lógico é aplicado a seu pino de controle ON/OFF (que pode estar ativo em nível alto ou baixo), o dispositivo é habilitado e o FET de passagem é ligado. Isto permite que a corrente flua do pino de entrada V_IN para o pino de saída V_OUT, fornecendo assim energia para o circuito de carga.

Figura 1: O comutador de carga é um dispositivo passante baseado em FET que pode permitir/bloquear o fluxo de corrente de uma fonte CC para sua carga através de um sinal de controle eletrônico. (Fonte da imagem: Bill Schweber)

Um comutador de carga é mais do que apenas um FET passante encapsulado. No mínimo, também inclui lógica de controle, o amplificador FET, deslocadores de nível e várias funções de proteção de circuitos, tais como proteção contra sobrecorrente e prevenção de refluxo (também chamada de corrente reversa), qualquer uma das quais pode danificar o sistema e seus componentes. Eles também podem implementar outras funções úteis, como o controle da taxa de variação quando é ligado a trilha de alimentação e a proteção contra sobretemperatura.

Em sua aplicação mais simples, o comutador de carga é usado entre uma alimentação e a trilha de alimentação de uma única carga para permitir que seja ligado através do PMIC quando necessário, ou colocado em estado quiescente para economizar energia (Figura 2).

Figura 2: Em sua aplicação mais simples, o comutador de carga é controlado pelo PMIC e controla o fluxo de corrente para a carga. (Fonte da imagem: Toshiba)

Parâmetros do comutador-carga

O comutador de carga tem vários parâmetros-chave que os projetistas devem avaliar. Os três níveis superiores são a máxima tensão de entrada e corrente de saída que ele pode suportar, junto com sua resistência "on". Outros parâmetros que também podem ser críticos, dependendo da aplicação, incluem:

• Corrente quiescente (I_Q): A corrente necessária para alimentar o comutador de carga, sem qualquer corrente em sua saída.
• Corrente (I_SD) de desligamento (em espera): A corrente que entra no V_IN quando o dispositivo é desativado.
• Corrente de fuga na entrada de pinos (I_ON): A corrente que flui para o pino de controle ON/OFF quando é ativado.

A baixa corrente quiescente e a corrente de desligamento são cada vez mais importantes em aplicações alimentadas por baterias, tais como vestíveis, smartphones e módulos IoT, onde têm um grande impacto na vida útil da bateria e no tempo de funcionamento.

Proteção contra sobrecorrente

A característica de proteção contra sobrecorrente de um comutador de carga não é apenas para proteção contra falhas claras, como um curto-circuito na carga, temporário ou permanente. Também pode ser necessário mitigar o resultado de uma queda de tensão de saída que ocorre em alguns casos quando uma trilha alimenta várias cargas, e uma carga se liga mais rapidamente (Figura 3). O súbito aumento da demanda de corrente faz com que o abastecimento caia momentaneamente abaixo de seu valor nominal. Este atraso, ou período de recuperação, é determinado pelo desempenho da carga-transiente do abastecimento e pela carga específica.

Figura 3: Um único comutador de carga pode abastecer várias cargas que não podem ser aumentadas e ligadas simultaneamente. (Fonte da imagem: Toshiba)

Por sua vez, esta queda pode fazer com que a segunda carga não dê partida corretamente ou se comporte de forma errática. Por estas razões, a característica de limitação de corrente de um comutador de carga é útil, pois modera a queda de tensão de saída induzida pelo aumento da demanda de corrente pela primeira carga.

Muitos sistemas precisam garantir que suas várias cargas sejam energizadas em uma sequência específica, e com um tempo definido entre a ativação de cada trilha de alimentação. Nesses casos, vários comutadores de carga são utilizados sob o controle do PMIC que gerencia seu sequenciamento e tempo relativo (Figura 4).

Figura 4: Utilizando vários comutadores de carga, a sequência e o tempo de ativação das várias cargas podem ser controladas conforme necessário para a operação adequada do sistema. (Fonte da imagem: Bill Schweber)

Bloqueio da corrente reversa

O bloqueio da corrente reversa de um comutador de carga é exatamente o que o nome implica: ele impede que a corrente flua para de volta quando a tensão no lado de saída se torna maior do que a de entrada.

Isto pode ocorrer devido a duas situações comuns. Primeiro, a fonte de alimentação, tal como uma bateria de carro, pode inadvertidamente ser conectada ao contrário, como resultado da raspagem acidental dos terminais da bateria pelos cabos desconectados, ou mesmo cometendo um erro ao reconectá-los. Pode até ser algo tão básico quanto um usuário mediano que insere baterias ao contrário.

A segunda situação é um pouco menos óbvia. Considere o caso em que duas fontes de tensões diferentes são multiplexadas a uma carga (Figura 5). A tensão no lado da saída compartilhada pode se tornar mais alta do que a tensão no lado de entrada da fonte de menor tensão. Neste cenário, a corrente pode fluir do lado de maior tensão para o lado de menor tensão, danificando a alimentação de menor tensão.

Figura 5: Problemas de fluxo de corrente reversa podem ocorrer mesmo quando as fontes multiplexadas são conectadas através de seus próprios comutadores de carga. (Fonte da imagem: Toshiba)

Há três maneiras de lidar com o bloqueio da corrente reversa:

• A maneira mais simples é adicionar um diodo em série com a saída. Entretanto, a queda de tensão através do diodo (0,6 volts a 0,8 volts para um diodo de silício padrão) reduz a tensão fornecida à trilha, e o diodo deve ter uma potência nominal suficiente para dissipar o calor associado.
• A segunda maneira é usar um MOSFET em série com a trilha, mas sua resistência (R_ON) também causa uma queda de tensão, e tem dissipação térmica que deve ser acomodada.
• A terceira opção é usar um comutador de carga com uma função de bloqueio da corrente reversa que implementa a contramedida de prevenção de refluxo necessária, sem contrapartidas.

A função de descarga

Normalmente, uma função de descarga automática conecta V_OUT e GND quando o multiplexador de energia é desligado. Há muitos benefícios em ter esta rápida descarga de saída:

• A saída não fica flutuante e está sempre em um estado conhecido.
• Os módulos a jusante são sempre completamente desligados.

Entretanto, há situações em que a descarga rápida não é desejável:

• Se a saída do comutador de carga for conectada a uma bateria, a descarga rápida da saída pode causar o esgotamento da bateria quando o comutador de carga for desativado através do pino ON.
• Se dois comutadores de carga fossem usados em um multiplexador de duas entradas e uma saída (onde as saídas estão ligadas entre si), a energia seria constantemente desperdiçada através da descarga de saída rápida, pois a corrente fluiria através do resistor interno para o potencial terra sempre que o comutador de carga fosse desativado através do pino ON.

Portanto, ao configurar o multiplexador de energia com o CI do comutador de carga, é necessário selecionar um comutador de carga que não tenha uma função de descarga. É aqui que é necessária uma função de comutador de carga chamada bloqueio verdadeiro da corrente reversa. Ela impede o fluxo de corrente reversa do terminal de saída para o terminal de entrada, independentemente do estado ON/OFF do comutador de carga.

Um comutador de carga com esta função compara a tensão de entrada V_IN com a tensão de saída V_OUT no CI, e o circuito de prevenção de refluxo é ativado quando V_OUT>V_IN (Figura 6).

Figura 6: O bloqueio verdadeiro da corrente inversa impede o fluxo de corrente para o terminal de entrada a partir do terminal de saída, independentemente de o comutador de carga estar ligado ou desligado. (Fonte da imagem: Toshiba)

Há sutilezas adicionais associadas ao bloqueio verdadeiro da corrente reversa e à função de descarga automática; elas são discutidas com mais detalhes na nota de aplicação da Toshiba "Overcurrent protection function and reverse current prevention function of the load switch IC".

Os novos CIs visam aplicações em grande crescimento

Os comutadores de carga não são novos, mas são cada vez mais adaptados às exigências de aplicações específicas. Isto é claramente demonstrado pela família Toshiba TCK12xBG de comutadores de carga de última geração que compreende três dispositivos: o TCK126BG, TCK127BG e TCK128BG (Figura 7).

Figura 7: O diagrama de blocos internos dos dispositivos da família TCK12xBG mostra sua simplicidade funcional; o TCK128BG é mostrado. (Fonte da imagem: Toshiba)

Os três CIs, que são dimensionados para operação de 1,0 a 5,5 volts e corrente a 1 A, são muito semelhantes, com algumas diferenças modestas e distintas para adequá-los de forma ideal às prioridades e necessidades específicas da aplicação. Muitas de suas especificações são superiores às de seus antecessores e dos dispositivos concorrentes disponíveis.

O mais dramático é a redução da corrente quiescente (I_Q) de 110 nanoamperes (nA) para apenas 0,8 nA, uma redução de 99,9 %, ou um pouco mais de duas ordens de magnitude. Além disso, a corrente de espera é de apenas 13 nA. A resistência R_ON típica é de 46 mΩ a 5,0 volts, 58 mΩ a 3,3 volts, 106 mΩ a 1,8 volts, e 210 mΩ a 1,2 volts.

Outros atributos desses comutadores de carga vão além das especificações elétricas. Eles também são muito menores do que outras unidades disponíveis da Toshiba e de outros fornecedores na mesma classe de tensão/corrente. Eles estão disponíveis em um invólucro WCSP4G de quatro terminais condutores, medindo 0,645 × 0,645 × 0,465 mm, com um passo de 0,35 mm. Isto representa uma redução de 34 % da pegada dos comutadores de carga anteriores em um invólucro de 0,79 × 0,79 × 0,55 mm com um passo de 0,4 mm (Figura 8).

Figura 8: O tamanho menor dos dispositivos TCK12xBG em comparação com seus antecessores produz uma redução de 34 % no espaço necessário da placa de circuito impresso. (Fonte da imagem: Toshiba, modificada pelo autor)

Este tamanho pequeno proporciona aos projetistas uma economia significativa no espaço da placa, uma característica crítica para aplicações ultracompactas, tais como dispositivos vestíveis. Além disso, o invólucro tem um revestimento traseiro de 25 micrômetros (μm) que reduz o impacto físico e os danos e evita lascas.

Os três comutadores de carga da família apresentam amplificadores embutidos do controle de taxa de variação com um tempo de subida de 363 microssegundos (µs) a 3,3 volts. As diferenças entre os comutadores estão na presença ou ausência da função de descarga rápida, e no estado ativo do pino ON/OFF (Figura 9).

Conclusão

Os comutadores de carga com funcionalidade altamente integrada são fundamentais para que os projetistas possam atender à demanda por menor consumo de energia, menor área útil e menor custo para dispositivos pequenos alimentados por bateria, tais como vestíveis e smartphones, bem como dispositivos IoT. Como mostrado, a família TCK12xBG de comutadores de carga da Toshiba apresenta baixa corrente quiescente e tamanho menor, tem elementos integrados para atender às exigências funcionais e de proteção, e simplificam o projeto.

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