Gestione y proteja con seguridad los rieles de alimentación de CC mediante interruptores de carga avanzados

En casi todos los diseños de sistemas, es fundamental tanto la gestión de los raíles de alimentación de CC como su protección frente a diversos modos de fallo internos y externos. El reto se complica cuando hay varios carriles, como ocurre cada vez más en los sistemas actuales, incluidos los diseños pequeños, de baja potencia y alimentados por baterías.

La gestión de la(s) barra(s) de alimentación comienza con un CI de administración de alimentación (PMIC) que dirige el encendido y apagado del flujo de corriente a la(s) barra(s) según sea necesario. El PMIC también es responsable de gestionar la sincronización y secuenciación entre los múltiples carriles. Sin embargo, el control real a nivel físico de la línea de alimentación es tarea del interruptor de carga, una disposición basada en un MOSFET que puede dirigirse para permitir el paso de la corriente o bloquearla.

Además de aspectos básicos como el control de la velocidad de irrupción y la protección contra la sobretemperatura, los interruptores de carga deben incluir cada vez más otras funciones y características, como la reducción de potencia controlada, la descarga rápida de la salida y el bloqueo real de la corriente inversa, todo lo cual es difícil de implementar utilizando diseños discretos basados en FET.

Para evitar esta complejidad, al tiempo que se reduce el costo y el espacio en placa necesarios para una implementación discreta, los diseñadores pueden elegir CI de interruptor de carga que incorporan las capacidades necesarias en un único paquete con el interruptor. Estos interruptores de carga integrados resuelven o evitan muchos problemas de funcionamiento de los rieles de alimentación y también ayudan a resolver muchos requisitos de diseño móvil o con batería.

En este artículo se analizará el papel de los interruptores de carga, sus funciones básicas, las funciones adicionales y las características avanzadas que los convierten en algo más que simples interruptores de encendido/apagado controlados electrónicamente para los carriles de alimentación. El artículo utilizará tres nuevos CI de interruptor de carga de la Serie TCK12xBG de Toshiba Electronic Devices & Almacenamiento Corporation (Toshiba) para ilustrar estos puntos y mostrar cómo se aplican para satisfacer las necesidades de los últimos diseños de productos.

Los fundamentos de los interruptores de carga

Un interruptor de carga básico solo tiene cuatro pines: tensión de entrada, tensión de salida, habilitación y tierra (Figura 1). Cuando se aplica una señal de control de nivel lógico a su pin/clavija de control (que puede ser activo alto o activo bajo), el dispositivo se habilita y el FET de paso se enciende. Esto permite que la corriente fluya desde el pin/clavija de entrada V_IN hasta el pin/clavija de salida V_OUT, entregando así energía al circuito de carga.

Figura 1: El interruptor de carga es un dispositivo de paso basado en un FET que puede permitir/bloquear el flujo de corriente desde un suministro de CC a su carga a través de una señal de control electrónico. (Fuente de la imagen: Bill Schweber)

El interruptor de carga es algo más que un FET de paso empaquetado. Como mínimo, también incluye la lógica de control, el controlador FET, los cambiadores de nivel y diversas funciones de protección de los circuitos, como la protección contra sobrecorriente y la prevención del reflujo (también llamada corriente inversa), que pueden dañar el sistema y sus componentes. También pueden implementar otras funciones útiles, como el control de la velocidad de respuesta a medida que se enciende el carril de alimentación y la protección contra la sobretemperatura.

En su aplicación más sencilla, el interruptor de carga se utiliza entre una fuente de alimentación y el carril de alimentación de una sola carga para permitir que se encienda a través del PMIC cuando sea necesario, o se ponga en estado de reposo para ahorrar energía (Figura 2).

Figura 2: En su aplicación más sencilla, el interruptor de carga está controlado por el PMIC y controla el flujo de corriente hacia la carga. (Fuente de la imagen: Toshiba)

Parámetros del interruptor de carga

El interruptor de carga tiene varios parámetros clave que los diseñadores deben evaluar. Los tres más importantes son la tensión de entrada y la corriente de salida máximas que puede soportar, junto con su resistencia de "encendido". Otros parámetros que también pueden ser críticos, dependiendo de la aplicación, son:

• Corriente de reposo (I_Q): La corriente necesaria para alimentar el interruptor de carga, sin que haya corriente en su salida.
• Corriente de apagado (standby) (I_SD): La corriente que fluye hacia V_IN cuando el dispositivo está desactivado.
• Corriente de fuga en la entrada del pin/clavija ON (I_ON): La corriente que fluye en el pin/clavija de control ON/OFF cuando está habilitado.

La baja corriente de reposo y la corriente de apagado son cada vez más importantes en las aplicaciones alimentadas por baterías, como los dispositivos para vestir, los smartphones y los módulos IoT, donde tienen un gran impacto en la vida de la batería y el tiempo de ejecución.

Protección contra sobrecorriente

La función de protección contra sobrecorriente de un interruptor de carga no es sólo para la protección contra fallos claros, como un cortocircuito temporal o permanente en la carga. También puede ser necesario para mitigar el resultado de una caída de voltaje de salida que se produce en algunos casos cuando un riel alimenta varias cargas y una carga se enciende más rápidamente (Figura 3). El aumento repentino de la demanda de corriente hace que la salida de la alimentación caiga momentáneamente por debajo de su valor nominal. Este retardo, o periodo de recuperación, viene determinado por el rendimiento de la carga transitoria del suministro y las características de la carga.

Figura 3: Un solo interruptor de carga puede alimentar varias cargas que no pueden subir y encenderse simultáneamente. (Fuente de la imagen: Toshiba)

A su vez, esta caída puede provocar que la segunda carga no arranque correctamente o se comporte de forma errática. Por estas razones, la característica de limitación de corriente de un interruptor de carga es útil, ya que modera la caída de voltaje de salida inducida por la mayor demanda de corriente de la primera carga.

Muchos sistemas necesitan garantizar que sus múltiples cargas se energicen en una secuencia específica, y con una temporización definida entre la activación de cada riel de alimentación. En estos casos, se utilizan múltiples interruptores de carga bajo el control del PMIC, que gestiona su secuenciación y temporización relativa (Figura 4).

Figura 4: Mediante el uso de múltiples interruptores de carga, la secuenciación y el tiempo de encendido de las distintas cargas pueden controlarse según sea necesario para el correcto funcionamiento del sistema. (Fuente de la imagen: Bill Schweber)

Bloqueo de corriente inversa

El bloqueo de corriente inversa de un interruptor de carga es justo lo que su nombre indica: impide que la corriente fluya hacia atrás cuando la tensión del lado de salida es mayor que la del lado de entrada.

Esto puede ocurrir debido a dos situaciones comunes. En primer lugar, la fuente de alimentación, como la batería de un coche, puede conectarse inadvertidamente al revés como resultado de un roce accidental de los terminales de la batería con los cables desconectados, o incluso por cometer un error al volver a conectarlos. Incluso puede ser algo tan básico como que un usuario medio introduzca las baterías al revés.

La segunda situación es algo menos evidente. Consideremos el caso en el que dos suministros de diferentes voltajes se multiplexan a una carga (Figura 5). La tensión en el lado de salida compartido puede llegar a ser mayor que la tensión en el lado de entrada de la alimentación de menor tensión. En este caso, la corriente puede pasar del lado de mayor tensión al de menor, dañando la alimentación de menor tensión.

Figura 5: Pueden producirse problemas de flujo de corriente inversa incluso cuando los suministros multiplexados se conectan a través de sus propios interruptores de carga. (Fuente de la imagen: Toshiba)

Hay tres formas de abordar el bloqueo de la corriente inversa:

• La forma más sencilla es añadir un diodo en serie con la salida. Sin embargo, la caída de voltaje a través del diodo (de 0.6 voltios a 0.8 voltios para un diodo de silicio estándar) reduce la tensión de riel suministrada, y el diodo debe tener una potencia nominal suficiente para disipar el calor asociado.
• La segunda forma es utilizar un MOSFET en serie con el riel, pero su resistencia en estado encendido (R_ON) también provoca una caída de voltaje, y tiene una disipación térmica que hay que acomodar.
• La tercera opción es utilizar un interruptor de carga con una función de bloqueo de la corriente inversa que implemente la contramedida de prevención del reflujo necesaria sin contrapartidas.

La función de descarga

Normalmente, una función de descarga automática conecta V_OUT y GND cuando el multiplexor de potencia está apagado. La descarga de esta salida rápida tiene muchas ventajas:

• La salida no queda flotante y siempre está en un estado conocido.
• Los módulos descendentes siempre se apagan por completo.

Sin embargo, hay situaciones en las que no es deseable una descarga rápida de la salida:

• Si la salida del interruptor de carga está conectada a una batería, la descarga rápida de la salida puede hacer que la batería se agote cuando el interruptor de carga se desactive a través del pin ON.
• Si se utilizan dos interruptores de carga en un multiplexor de dos entradas y una salida (en el que las salidas están unidas), se desperdiciaría constantemente energía a través de la descarga de salida rápida, ya que la corriente fluirá a través de la resistencia interna a tierra siempre que el interruptor de carga se desactive a través del pin de encendido.

Por lo tanto, al configurar el multiplexor de potencia con el interruptor de carga CI, es necesario seleccionar un interruptor de carga que no tenga función de descarga. Aquí es donde se necesita una función de interruptor de carga llamada bloqueo de corriente inversa real. Impide el flujo de corriente inversa desde el terminal de salida al de entrada, independientemente del estado ON/OFF del interruptor de carga.

Un interruptor de carga con esta función compara la tensión de entrada V_IN con la tensión de salida V_OUT en el CI, y el circuito de prevención de reflujo se activa cuando V_OUT>V_IN (Figura 6).

Figura 6: El verdadero bloqueo de la corriente inversa impide el flujo de corriente hacia el terminal de entrada desde el terminal de salida, independientemente de que el interruptor de carga esté en ON u OFF. (Fuente de la imagen: Toshiba)

Hay sutilezas adicionales asociadas con el verdadero bloqueo de corriente inversa y la función de descarga automática; se tratan con más detalle en la nota de aplicación de Toshiba "Función de protección contra sobrecorriente y función de prevención de corriente inversa del CI del interruptor de carga".

Los nuevos CI se dirigen a aplicaciones de gran crecimiento

Los interruptores de carga no son nuevos, pero cada vez se adaptan más a los requisitos de aplicaciones específicas. Esto queda claramente demostrado por la familia de interruptores de carga de nueva generación TCK12xBG de Toshiba, que comprende tres dispositivos: el TCK126BG, el TCK127BG y el TCK128BG (Figura 7).

Figura 7: El diagrama de bloques interno de los dispositivos de la familia TCK12xBG muestra su simplicidad funcional; se muestra el TCK128BG. (Fuente de la imagen: Toshiba)

Los tres CI, que están preparados para funcionar entre 1.0 y 5.5 voltios y con una corriente de hasta 1 A, son muy similares con algunas pequeñas diferencias para adaptarse de forma óptima a las prioridades y necesidades específicas de las aplicaciones. Muchas de sus especificaciones son superiores a las de sus predecesores y a las de los dispositivos de la competencia disponibles.

Lo más espectacular es la reducción de la corriente de reposo (I_Q) de 110 nanoamperios (nA) a solo 0.8 nA, lo que supone una reducción del 99.9%, o algo más de dos órdenes de magnitud. Además, la corriente de espera es de sólo 13 nA. La resistencia en estado encendido R_ON típica es de 46 mΩ a 5.0 voltios, 58 mΩ a 3.3 voltios, 106 mΩ a 1.8 voltios y 210 mΩ a 1.2 voltios.

Otros atributos de estos interruptores de carga van más allá de las especificaciones eléctricas. También son mucho más pequeños que otras unidades disponibles de Toshiba y otros proveedores de la misma clase de voltaje/corriente. Están disponibles en un encapsulado WCSP4G de cuatro terminales que mide 0.645 × 0.645 × 0.465 mm, con un paso de bola de 0.35 mm. Esto representa una reducción de la huella del 34% respecto a los interruptores de carga anteriores en un encapsulado de 0.79 × 0.79 × 0.55 mm con un paso de 0.4 mm (Figura 8).

Figura 8: El menor tamaño de los dispositivos TCK12xBG en comparación con sus predecesores supone una reducción del 34% del espacio necesario en la placa de circuito. (Imagen: Toshiba, modificada por el autor)

Este pequeño tamaño ofrece a los diseñadores un importante ahorro de espacio en la placa, una característica que es fundamental para las aplicaciones ultracompactas, como los dispositivos portátiles. Además, el envase tiene un revestimiento posterior de 25 micrómetros (μm) que reduce los impactos y daños físicos y evita que se astille.

Los tres interruptores de carga de la familia incorporan controladores de velocidad de giro con un tiempo de subida de 363 microsegundos (µs) a 3.3 voltios. Las diferencias entre los interruptores radican en la presencia o ausencia de la función de descarga rápida de la salida, y en el estado activo del pin ON/OFF (Figura 9).

Conclusión:

Los interruptores de carga con una funcionalidad altamente integrada son fundamentales para que los diseñadores puedan satisfacer la demanda de un menor consumo de energía, una menor huella y un menor costo para los dispositivos pequeños alimentados por baterías, como los wearables y los smartphones, así como los dispositivos IoT. Como se muestra, la familia TCK12xBG de interruptores de carga de Toshiba se caracteriza por su baja corriente de reposo y su menor tamaño, tiene elementos integrados para cumplir los requisitos funcionales y de protección, y simplifica el diseño.

Contenido relacionado

1. Módulo de formación del interruptor de carga de Toshiba