Stromschienen mit hochentwickelten Lastschaltern effizient steuern und schützen

Bei fast allen Systemendesignd ist es von entscheidender Bedeutung, sowohl die DC-Versorgungsschienen zu regulieren als auch sie vor verschiedenen internen und externen Fehlern zu schützen. Komplizierter wird es, wenn mehrere Schienen vorhanden sind, wie es bei den heutigen Systemen, einschließlich kleiner, energiearmer und batteriebetriebener Systeme, zunehmend der Fall ist.

Das Management der Stromschiene(n) beginnt mit einem Energiemanagement-IC (power management IC, PMIC), der das Ein- und Ausschalten des Stromflusses zu der/den Schiene(n) nach Bedarf steuert. Der PMIC ist auch für die Zeitsteuerung und Sequenzierung mehrerer Schienen zuständig. Die tatsächliche physische Steuerung der Stromschiene ist jedoch Aufgabe des Lastschalters, einer MOSFET-basierten Anordnung, die so gesteuert werden kann, dass sie den Strom durchlässt oder ihn blockiert.

Zusätzlich zu den grundlegenden Funktionen wie Einschaltstrom-Anstiegsregulierung und Übertemperaturschutz müssen Lastschalter nun zunehmend auch andere Funktionen und Merkmale wie kontrollierte Abschaltung, schnelle Entladung des Ausgangsstroms und echte Sperrung des Rückstroms aufweisen, die alle mit diskreten FET-basierten Design nur schwer zu realisieren sind.

Um diese Komplexität zu umgehen und gleichzeitig die Kosten und den für eine diskrete Implementierung erforderlichen Platz auf der Platine zu reduzieren, können Entwickler Lastschalt-ICs wählen, die die erforderlichen Funktionen in einem Gehäuse mit dem Schalter enthalten. Diese integrierten Lastschalter lösen oder vermeiden viele stromschienenbezogene Probleme im Betrieb und helfen auch bei der Erfüllung vieler Anforderungen mobiler oder batteriebetriebener Designs.

Dieser Artikel befasst sich mit der Rolle von Lastschaltern, ihren grundlegenden Funktionen, zusätzlichen Funktionen und erweiterten Funktionen, die sie zu mehr als nur relativ einfachen, elektronisch gesteuerten Ein/Aus-Schaltern für Stromschienen machen. In diesem Artikel werden drei neue Lastschalt-ICs der Serie TCK12xBG von Toshiba Electronic Devices & Storage Corporation (Toshiba) herangezogen, um diese Punkte zu veranschaulichen und zu zeigen, wie sie genutzt werden, um die Anforderungen der neuesten Produktentwicklungen zu erfüllen.

Die Grundlagen zu Lastschaltern

Ein einfacher Lastschalter besitzt nur vier Pins: Eingangsspannung, Ausgangsspannung, Freigabe und Erdung (Abbildung 1). Wenn ein Steuersignal in Form eines Logikpegels an sein EIN/AUS-Steuerpin (das aktiv high oder aktiv low sein kann) angelegt wird, wird die Komponente aktiviert und der Durchgangs-FET schaltet sich ein. Dadurch kann Strom vom Eingangspin V_IN zum Ausgangspin V_OUT fließen, wodurch die Leistung an den Laststromkreis fließt.

Abbildung 1: Der Lastschalter ist eine FET-basierte Durchgangskomponente, die den Stromfluss von einer DC-Versorgung zu ihrer Last über ein elektronisches Steuersignal ermöglichen/blockieren kann. (Bildquelle: Bill Schweber)

Ein Lastschalter ist mehr als nur ein Durchgangs-FET in einem Gehäuse. Dazu kommen mindestens die Steuerlogik, der FET-Treiber, die Pegelwandler und verschiedene Schutzfunktionen wie Überstromschutz und Rückstromsperrung zum Schutz des Systems und seiner Komponenten vor Schäden. Sie können auch andere nützliche Funktionen enthalten, wie die Anstiegsratensteuerung beim Einschalten der Stromschiene und den Schutz vor Übertemperatur.

In seiner einfachsten Anwendung wird der Lastschalter zwischen einer Versorgung und der Stromschiene einer einzelnen Last eingesetzt, um diese bei Bedarf über den PMIC einzuschalten oder in einen Ruhezustand zu versetzen, um Strom zu sparen (Abbildung 2).

Abbildung 2: In seiner einfachsten Anwendung wird der Lastschalter vom PMIC gesteuert und kontrolliert den Stromfluss zur Last. (Bildquelle: Toshiba)

Parameter von Lastschaltern

Für den Lastschalter gibt es mehrere Schlüsselparameter, die der Entwickler bemessen muss. Die drei wichtigsten sind die maximale Eingangsspannung und der maximale Ausgangsstrom, die der Schalter unterstützen kann, und sein Betriebswiderstand. Andere Parameter, die je nach Anwendung ebenfalls entscheidend sein können, sind u. a:

• Ruhestrom (I_Q): Der Strom, der benötigt wird, um den Lastschalter mit Strom zu versorgen, ohne dass an seinem Ausgang ein Strom fließt.
• Abschaltstromaufnahme (Standby-Strom) (I_SD): Der Strom, der über V_IN verbraucht wird, wenn die Komponente deaktiviert ist.
• Eingangsleckstrom des EIN-Pins (I_ON): Der Strom, der beim Einschalten am EIN/AUS-Steuerpin verbraucht wird.

Niedriger Ruhe- und Standby-Strom werden bei batteriebetriebenen Anwendungen wie Wearables, Smartphones und IoT-Modulen immer wichtiger, da sie einen großen Einfluss auf die Lebensdauer und die Laufzeit der Batterien haben.

Überstromschutz

Die Überstromschutzfunktionen eines Lastschalters dient nicht nur dem Schutz vor eindeutigen Fehlern wie einem vorübergehenden oder dauerhaften Kurzschluss an der Last. Sie kann auch erforderlich sein, um einen Abfall der Ausgangsspannung abzumildern, der in einigen Fällen auftritt, wenn eine Schiene mehrere Lasten speist und eine Last schneller eingeschaltet wird (Abbildung 3). Der plötzliche Anstieg des Strombedarfs führt dazu, dass der Ausgang der Versorgung vorübergehend unter seinen Nennwert fällt. Diese Verzögerung bzw. die Erholungszeit hängt vom Lastschwankungsverhalten der Versorgung und der spezifischen Last ab.

Abbildung 3: Ein einzelner Lastschalter kann mehrere Lasten versorgen, die nicht gleichzeitig hochfahren und einschalten können. (Bildquelle: Toshiba)

Dies kann wiederum dazu führen, dass die zweite Last nicht richtig anläuft oder sich sprunghaft verhält. Aus diesen Gründen ist die Strombegrenzungsfunktion eines Lastschalters nützlich, da sie den Ausgangsspannungsabfall, der durch den erhöhten Strombedarf der ersten Last verursacht wird, dämpft.

In vielen Systemen muss sichergestellt werden, dass die verschiedenen Lasten in einer bestimmten Reihenfolge und mit einem festgelegten Timing zwischen dem Aktivwerden der einzelnen Stromschienen eingeschaltet werden. In diesen Fällen kommen mehrere Lastschalter zum Einsatz, die von einem PMIC gesteuert werden, der auch ihre Sequenzierung und ihr relatives Timing handhabt (Abbildung 4).

Abbildung 4: Durch die Verwendung von mehreren Lastschaltern können die Sequenzierung und das Einschalt-Timing der verschiedenen Lasten bedarfsgerecht für einen ordnungsgemäßen Systembetrieb gesteuert werden. (Bildquelle: Bill Schweber)

Rückstromsperrfunktion

Die Rückstromsperrfunktion eines Lastschalters ist genau das, was der Name schon sagt: Sie verhindert, dass der Strom rückwärts fließt, wenn die Spannung am Ausgang die am Eingang übersteigt.

Dies kann aufgrund von zwei eher häufigen Situationen geschehen. Erstens kann die Spannungsquelle, wie z. B. eine Autobatterie, versehentlich verpolt werden, weil die Pole der Batterien versehentlich von den abgezogenen Kabeln gestreift werden, oder sogar durch einen Fehler beim Wiederanschluss. Denkbar ist sogar ein so einfacher Umstand wie ein durchschnittlicher Benutzer, der Batterien verkehrt herum einsetzt.

Die zweite Situation ist etwas weniger offensichtlich. Stellen wir uns den Fall vor, dass zwei Versorgungen mit unterschiedlichen Spannungen zu einer Last gemultiplext werden (Abbildung 5). Die Spannung auf der gemeinsamen Ausgangsseite kann die Spannung auf der Eingangsseite der Versorgung mit der niedrigeren Spannung übersteigen. In diesem Fall kann der Strom von der Seite mit der höheren Spannung zur Seite mit der niedrigeren Spannung fließen und die Versorgung mit der niedrigeren Spannung beschädigen.

Abbildung 5: Rückstrombedingte Probleme können auch dann auftreten, wenn gemultiplexte Versorgungen über ihre eigenen Lastschalter angeschlossen ist. (Bildquelle: Toshiba)

Es gibt drei Möglichkeiten, eine Rückstromsperrfunktion umzusetzen:

• Am einfachsten ist es, eine Diode in Reihe mit dem Ausgang zu schalten. Der Spannungsabfall über die Diode (0,6 bis 0,8 Volt bei einer Standard-Silizium-Diode) senkt jedoch die gelieferte Versorgungsspannung und die Belastbarkeit der Diode muss ausreichen, um die anfallende Wärme abzuführen.
• Die zweite Möglichkeit besteht darin, einen MOSFET in Reihe mit der Versorgungsschiene zu schalten, wobei sein Betriebswiderstand (R_ON) ebenfalls einen Spannungsabfall verursacht und die Abführung der entstehenden Wärme bedacht werden muss.
• Die dritte Möglichkeit ist die Verwendung eines Lastschalters mit Rückstromsperrfunktion, der die erforderliche Gegenmaßnahme zur nachteilsfreien Blockierung von Rückstrom bietet.

Die Entladungsfunktion

Normalerweise stellt eine automatische Entladungsfunktion eine Verbindung zwischen V_OUT und GND her, wenn der Leistungsmultiplexer ausgeschaltet wird. Diese schnelle Form der Ausgangsentladung bietet viele Vorteile:

• Der Ausgang ist nicht potentialfrei und befindet sich immer in einem bekannten Zustand.
• Nachgeschaltete Module werden immer komplett abgeschaltet.

Es gibt jedoch Situationen, in denen eine schnelle Entladung des Ausgangs nicht erwünscht ist:

• Wenn der Ausgang des Lastschalters mit einer Batterie verbunden ist, kann eine schnelle Ausgangsentladung dazu führen, dass die Batterie bei Deaktivierung des Lastschalters über das EIN/AUS-Pin entladen wird.
• Bei Verwendung von zwei Lastschaltern in einem Multiplexer mit zwei Eingängen und einem Ausgang (bei dem die Ausgänge miteinander verbunden sind) würde durch die schnelle Ausgangsentladung ständig Strom verschwendet werden, da der Strom durch den internen Widerstand zur Masse fließt, sobald der Lastschalter über das EIN/AUS-Pin deaktiviert wird.

Daher muss bei der Konfiguration des Leistungsmultiplexers mit dem Lastschalter-IC ein Lastschalter gewählt werden, der keine Entladungsfunktion besitzt. Hier ist eine Lastschalterfunktion nötig, die als echte Rückstromsperrfunktion bezeichnet wird. Sie verhindert einen Rückstromfluss von der Ausgangsklemme zur Eingangsklemme unabhängig vom Status des Lastschalters (EIN/AUS).

Ein Lastschalter mit dieser Funktion vergleicht die Eingangsspannung V_IN mit der Ausgangsspannung V_OUT im IC, und die Rückflusssperrschaltung wird aktiviert, wenn V_OUT über V_IN steigt (Abbildung 6).

Abbildung 6: Eine echte Rückstromsperre verhindert den Stromfluss von der Ausgangsklemme zur Eingangsklemme, unabhängig davon, ob der Lastschalter ein- oder ausgeschaltet ist. (Bildquelle: Toshiba)

Es gibt noch weitere Feinheiten im Zusammenhang mit der echten Rückstromsperre und der automatischen Entladung. Diese werden im Anwendungshinweis „Overcurrent protection function and reverse current prevention function of the load switch IC“ (Überstromschutz- und Rückstromsperrfunktion des Lastschalter-IC) von Toshiba ausführlicher behandelt.

Neue ICs für wachstumsstarke Anwendungen

Lastschalter sind nicht neu, aber sie werden zunehmend auf die Anforderungen spezifischer Anwendungen zugeschnitten. Dies wird bei den hochmodernen Lastschaltern der Familie TCK12xBG von Toshiba deutlich, die drei Komponenten umfasst: TCK126BG, TCK127BG und TCK128BG (Abbildung 7).

Abbildung 7: Das Blockdiagramm der Komponenten aus der Familie TCK12xBG zeigt ihre funktionale Einfachheit. Abgebildet ist der TCK128BG. (Bildquelle: Toshiba)

Die drei ICs, die für den Betrieb mit 1,0 bis 5,5 Volt und bis zu 1 A ausgelegt sind, ähneln sich sehr, weisen aber einige geringfügige Unterschiede auf, um sie optimal auf die Prioritäten und Bedürfnisse bestimmter Anwendungen abzustimmen. Viele ihrer technischen Daten sind ihren Vorgängern und den verfügbaren Komponenten der Konkurrenz überlegen.

Am dramatischsten ist die Verringerung des Ruhestroms (I_Q) von 110 Nanoampere (nA) auf nur 0,8 nA, was einer Reduktion von 99,9 % oder etwas mehr als zwei Größenordnungen entspricht. Darüber hinaus beträgt die Stromaufnahme im Standby-Modus nur 13 nA. Der typische Betriebswiderstand R_ON beträgt 46 mΩ bei 5,0 Volt, 58 mΩ bei 3,3 Volt, 106 mΩ bei 1,8 Volt und 210 mΩ bei 1,2 Volt.

Andere Eigenschaften dieser Lastschalter gehen über die elektrischen Spezifikationen hinaus. Sie sind auch viel kleiner als andere verfügbare Komponenten von Toshiba und anderen Anbietern in der gleichen Spannungs-/Stromklasse. Sie sind in einem vierpoligen WCSP4G-Gehäuse mit den Abmessungen 0,645 × 0,645 × 0,465 mm und einem Raster von 0,35 mm erhältlich. Dies entspricht einer Verringerung des Footprints um 34 % im Vergleich zu früheren Lastschaltern in einem 0,79 × 0,79 × 0,55 mm großen Gehäuse mit einem Raster von 0,4 mm (Abbildung 8).

Abbildung 8: Die geringere Größe der Komponenten TCK12xBG im Vergleich zu ihren Vorgängern führt zu einer Reduzierung der benötigten Platinenfläche um 34 %. (Bildquelle: Toshiba, vom Autor bearbeitet)

Diese geringe Größe ermöglicht Entwicklern erhebliche Einsparungen bei der Platinenfläche, ein Merkmal, das für ultrakompakte Anwendungen wie Wearables von entscheidender Bedeutung ist. Außerdem ist das Gehäuse auf der Rückseite mit einer 25 Mikrometer (μm) dicken Beschichtung versehen, die physische Stöße und Beschädigungen abmildert und Abplatzungen verhindert.

Die drei Lastschalter der Familie verfügen über integrierte Treiber mit Anstiegsratensteuerung und einer Anstiegszeit von 363 Mikrosekunden (µs) bei 3,3 Volt. Die Schalter unterscheiden sich durch das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein einer Funktion zur schnellen Entladung des Ausgangs und durch den aktiven Zustand des EIN/AUS-Pins (Abbildung 9).

Fazit

Lastschalter mit hoch integrierter Funktion sind von entscheidender Bedeutung, wenn Entwickler die Anforderung bezüglich niedrigerem Stromverbrauch, kleinerem Footprint und geringeren Kosten für kleine, batteriebetriebene Geräte wie Wearables und Smartphones sowie IoT-Geräte erfüllen wollen. Wie gezeigt, zeichnen sich die Lastschalter der Familie TCK12xBG von Toshiba durch einen niedrigen Ruhestrom und eine geringere Größe aus, verfügen über integrierte Elemente zur Erfüllung von Funktions- und Schutzanforderungen und vereinfachen die Entwicklung.

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1. „Load Switch Training Module“ (Produktschulungsmodul zu Lastschaltern) von Toshiba