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:

1.作為高側P通道開關;

2.作為低側N通道開關。

對兩種MOSFET電晶體類型做一個快速回顧,可以牢記,P通道MOSFET是透過將閘極電壓拉到比源極電壓更低來進行閘控;而N通道MOSFET的閘極是由比源極更高的電壓來導通,另外,兩類MOSFET電流方向相反。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。

20180703TA02P1 圖1 N通道和P通道MOSFET。

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

20180703TA02P2 圖2 P通道元件作為負載開關時具有優勢。

在這兩種情況下,閘極電壓都必須超過元件的閾值電壓,才能將元件作為歐姆區(ohmic region)中的開關完全開啟。請注意,本文的討論集中在增強型P通道和N通道MOSFET,不同類型的接面場效電晶體(JFET)具有不同的閘控要求。

20180703TA02P3 圖3 增強型MOSFET。

從元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半導體(ON Semiconductor)的N通道efuse產品。

20180703TA02P4 圖4 高壓側p-FET作為開關元件。

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

20180703TA02P5 圖5 低側(返回側)n-FET作為開關元件。

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,如果閘控不正確,則會發生開關振盪。

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。

本文將著眼於高側電流感測。高側電流感測可以利用類比電路進行控制,同時高側電流的數位控制也在向更高水準推進。這些開關內建了智慧功能,包括可以回饋給微處理器的可程式設計電流級別和數位化電流級別讀數。這些資訊被儲存在專門處理事件定時採樣的微處理器中,從而創建記錄級別歷史,然後使用軟體確定負載電流隨時間的變化。該資訊與程式設計的閾值進行比較,並能提醒用戶發生的變化。

在繼電器負載的情況下,利用這些資訊可以對即將發生的元件故障發出警告。這種智慧負載管理產品可以作為一個單獨實體運作,也可與智慧電源一起使用,與智慧電源一起使用時,可以採用RS-485通訊進行可程式設計負載監控和即時更新。

負載管理能力的增強正在改變電力產業。數位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絲就得派出技術人員到現場,從而降低了維護成本。

(參考原文: Intelligent Load Management and Load Current Sensing,by Scott Deuty)