Các ứng dụng sử dụng pin thường yêu cầu các công tắc điện tử công suất cao, mà các công tắc này cần có khả năng cho phép dòng điện chảy theo cả hai chiều (vốn không thực hiện được với các công tắc sử dụng transistor đơn hay đi-ốt đơn). Bài viết này sẽ bắt đầu với các định nghĩa và đặc tuyến V-I của một công tắc nguồn hai chiều lý tưởng (bidirectionl power switch – BPS). Sau đó, một số cấu hình thông thường của BPS cũng sẽ được giới thiệu. Bài viết đồng thời làm rõ các thách thức và giới hạn khi sử dụng các IC tích hợp thay vì dùng linh kiện rời, cụ thể là các linh kiện dòng eFuse của Texas Instruments.
1. Công tắc nguồn 2 chiều (Bidirectional Power Switch – BPS) là gì?
Một công tắc nguồn hai chiều (BPS) là một công tắc chủ động, có thể hỗ trợ dòng điện chảy theo cả hai triều khi ở trạng thái ON và khoá cả hai chiều khi ở trạng thái OFF. Hình 1 thể hiện một công tắc BPS lý tưởng, với ‘A’ và ‘B’ là hai cực của công tắc, có thể thay đổi trạng thái input/output tuỳ vào thời điểm ứng dụng.
Đặc tuyến trạng thái của BPS lý tưởng được mô tả ở hình 2 và hình 3. Trong lĩnh vực điện tử công suất, BPS được phân loại là công tắc 4 góc, có khả năng dẫn điện theo chiều dương hoặc âm ở trạng thái ON, và chặn dòng điện theo chiều dương hoặc âm ở trạng thái OFF.
Hình 4 đến hình 8 thể hiện một vài cấu hình mạch thông thường có thể dùng để mô tả BPS.
Như trong hình 4, một mosfet kênh P đơn giản với mạch tự động phân cực tạo thành một BPS. Mạch tự động phân cực của MOSFET kênh P đưa mosfet về điện thế dương nhất (cực nguồn hoặc cực máng) để duy trì phân cực ngược trên diode nằm giữa hai cực nguồn và cực máng.
Tương tự, một MOSFET kênh N với thân được nối vào điện thế âm nhất (Hình 6) trong mạch cũng có thể hỗ trợ chức năng BPS. Hai MOSFET được nối “back to back”, dù ở cấu hình nối chung nguồn hay nối chung máng như minh họa ở Hình 5, Hình 7 và Hình 8, sẽ cho đặc tính chặn hai chiều ở trạng thái tắt đối xứng, tương tự như một công tắc nguồn có khả năng đóng/ngắt hai hướng.
2. Ứng dụng của BPS
Hình 9 cho thấy một ứng dụng BPS như một công tắc nguồn cho mục đích chia cổng sạc. Một bộ sạc đơn được sử dụng để sạc nhiều pin một cách tuần tự. BPS cần phải khoá điện áp trong trạng thái khoá để tránh việc tự xả pin hoặc pin này sạc cho pin kia. Hình 10 mô tả một ứng dụng dùng nhiều pin cấp cho 1 tải, BPS được sử dụng để lưaj chọn nguồn cấp.
Hình 11 cho thấy một ứng dụng khác là kiểu hệ thống nguồn standby. Mạch điều khiển sẽ giám sát trạng thai của hệ thống và ngắt pin ra khỏi mạch chính trong chế độ sleep. Việc này giúp giảm tối đa dòng rò từ pin. Trong những ứng dụng như thế này, BPS nên tiêu thụ rất dòng tắt rất thấp. Và khi pin kết nối trở lại mạch chính, BPS nên chịu được dòng khởi động.
Như vậy, có thể tổng kết một BPS cần có các yêu cầu chức năng như sau:
- Thiết bị BPS cần linh hoạt để cho phép dòng điện chảy từ cả “A” hoặc “B”, nghĩa là thiết bị phải có khả năng bật khi được cấp nguồn ở cực “B”, ngay cả khi điện thế tại “A” = 0 V.
• Trong các hệ thống sử dụng pin, BPS phải có điện trở dẫn Ron thấp nhằm đảm bảo điều chỉnh điện áp chặt chẽ trong giai đoạn sạc và tận dụng dung lượng pin tốt hơn khi ở chế độ dự phòng.
• Thiết bị BPS luôn được kết nối với phía pin, do đó phải tiêu thụ dòng tắt (shutdown) rất thấp.
• Khi pin được kết nối lại với hệ thống, sẽ xuất hiện dòng khởi động (inrush current) tạm thời trên pin. Bất kỳ biện pháp bảo vệ bổ sung nào chống lại dòng khởi động, quá tải, ngắn mạch và nhiệt độ đều sẽ nâng cao độ tin cậy của hệ thống.
3. Triển khai BPS với MOSFET
Hình 12 cho thấy một cấu hình của công tắc công suất hai chiều sử dụng MOSFET kênh P. Trong giải pháp này, các đi-ốt thân (body diodes) của MOSFET kênh P hỗ trợ cho phép dòng điện chảy từ cả cực “A” hoặc “B”. Triển khai này đơn giản, và một tụ điện bổ sung tại cực cửa giúp kiểm soát dòng khởi động (inrush current) trong cả hai hướng dòng điện. Tuy nhiên, giải pháp dùng MOSFET kênh P có chi phí cao hơn so với MOSFET kênh N để đạt cùng điện trở dẫn (Ron). Mạch không có cơ chế bảo vệ nhiệt cho các FET, do đó cần xem xét sử dụng thiết bị có công suất dư để tăng biên an toàn thiết kế.
Việc cấu hình công tắc nguồn hai chiều bằng cách nối back-to-back hai MOSFET kênh N được minh họa trong Hình 13. Trong giải pháp này, mạch phụ trợ được sử dụng để hỗ trợ dòng điện đi từ cực “A” hoặc “B”.
Các diode Schottky chọn nguồn từ hai đầu vào “A” và “B” để cấp điện cho mạch bơm điện (charge pump), từ đó cung cấp điện áp điều khiển cổng đủ cao để bật cả hai MOSFET kênh N. Mặc dù cấu hình này mang lại điện trở dẫn Ron thấp nhờ MOSFET kênh N, nhưng mạch điều khiển phức tạp với nhiều linh kiện chiếm diện tích bo mạch lớn và gây lo ngại về độ tin cậy của mạch.
Tương tự như Hình 13, mạch này cũng không có bảo vệ nhiệt cho FET, do đó cần chọn FET công suất dư để đảm bảo biên an toàn thiết kế cao hơn.
4. Triển khai BPS với linh kiện eFuse của TI
Hình 14 cho thấy hiện thực công tắc nguồn hai chiều sử dụng các thiết bị eFuse TPS2595. Hai thiết bị eFuse được kết nối back-to-back để hỗ trợ chặn điện áp ở trạng thái tắt. Khi điện áp đặt vào cực “A” hoặc “B” vượt quá điện áp hoạt động tối thiểu 2,7 V, mạch sẽ thiết lập kết nối đường dẫn nguồn.
Đặc tính đầu cuối của giải pháp eFuse đối xứng ở cả hai cổng như thể hiện ở Hình 15. Ngoài việc hỗ trợ dòng điện hai chiều và chặn điện áp ở trạng thái tắt, giải pháp eFuse còn cung cấp các tính năng bảo vệ bổ sung bao gồm giới hạn quá dòng, bảo vệ ngắn mạch, điều khiển dòng khởi động, v.v.
Như thấy ở Hình 15, điện áp đầu cuối giảm khi dòng tải tăng lên do sụt áp trong trạng thái dẫn. Bất kỳ sự tăng dòng tải nào vượt quá điểm gỡ chốt dòng Ilimit đã lập trình sẽ đẩy thiết bị vào chế độ giới hạn dòng. Trong chế độ này, thiết bị điều chỉnh dòng đầu ra ở mức Ilimit, khiến điện áp đầu cuối giảm tương ứng.
Ưu điểm của giải pháp eFuse bao gồm:
- MOSFET kênh N cho điện trở dẫn Ron vượt trội
- Dải điện áp hoạt động rộng từ 2,7 V đến 18 V giúp TPS2595 tương thích với pin Li-Ion và ắc-quy axit chì
- Bảo vệ nhiệt tích hợp đảm bảo thiết bị luôn hoạt động trong giới hạn Vùng Hoạt Động An Toàn (SOA)
- Hai thiết bị eFuse kết nối back-to-back cho phép cài đặt độc lập giới hạn dòng quá tải xuôi và ngược
- Giải pháp eFuse ngắt nhanh dòng ngắn mạch tạm thời và cung cấp bảo vệ ngắn mạch mạnh mẽ
4.1. Cài đặt giới hạn dòng
TPS2595 giám sát dòng tải trong quá trình khởi động và vận hành bình thường. Khi dòng tải vượt quá điểm ngắt giới hạn Ilimit được lập trình bởi điện trở RILM, thiết bị sẽ điều chỉnh dòng về mức Ilimit đã đặt. Sử dụng Phương trình 1 để tính giá trị RILM cho dòng giới hạn mong muốn.
R_ILM=2000/(I_LIMIT-0.04)
4.2 Thiết lập Slew Rate và điều khiển dòng khởi động
Dòng khởi động (inrush current) khi khởi động mạch tỷ lệ thuận với điện dung tải Cout và tốc độ tăng điện áp (slew rate). Sử dụng Phương trình 2 để tính tốc độ tăng SRon cần thiết nhằm giới hạn dòng khởi động IINRUSH cho một điện dung tải nhất định.
SR_On (V/ms)=(I_INRUSH (mA))/(C_OUT (µF) )