Izbiralnik z okenskim detektorjem, paroma P-kanalnih MOSFET-ov ter

Osnovni princip delovanja je bil povzet iz članka Dual power path multiplexer avtorja Michaela Hartshornea [11]. Za okenski detektor smo izbrali enakega kot v članku in to je TPS3701 [12]

podjetja Texas Instruments, ki zagotavlja visoko-napetostno detekcijo (do 36 V) z interno referenco 400 mV. Njegovo zgradbo prikazuje Slika 12. Konfiguracija med vhodnimi

23 priključki in primerjalnikoma povzroči, da bo v primeru prisotne napetosti več kot 400 mV na vhodu INB izhod OUTB povlečen na GND in v enakem primeru na INA bi izhod OUTA bil v stanju visoke impedance.

Slika 12: Funkcijska blokovna shema okenskega detektorja TPS3701 [12].

Na vezju smo INA vezali na baterijsko ter INB na omrežno napajanje. Za preverjanje prisotnosti napajanja smo uporabili primerne napetostne delilnike na vhodih INA in INB. Med napajalno linijo iz omrežja in vhodom INB smo uporabili napetostni delilnik z uporoma 2 MΩ in 75 kΩ, ki ob prisotnosti napetosti približno 11 V preseže napetost 400 mV na vhodu INB in posledično povleče izhod OUTB na GND. Med linijo za baterijsko napajanje ter vhodom INA smo uporabili napetostni delilnik z uporoma 2 MΩ in 84,5 kΩ, ki preklopi izhod OUTA v stanje visoke impedance, ko je na napajalni liniji napetost višja od 10 V. Uporabili smo različna napetostna delilnika, da se ne odprejo vsi P-kanalni MOSFET-i naenkrat ob vklopu. Upori so tako visokih vrednosti, da povzročajo čim manjšo dodatno porabo moči.

TPS3701 potrebuje napajanje, ki ga dobi iz napajalnih linij preko dveh schottky diod s skupno katodo. Tu smo uporabili logiko napajanja iz več virov, ki smo jo želeli s tem izbiralnikom nadomestiti, ampak je primerna za napajanje tega dela vezja. Prav tako smo jo uporabili za napajanje ob vklopu, ki bo predstavljeno pri logiki prižiganja in ugašanja sistema s tipko. Ta del vezja ne porablja velikih moči, ampak so potrebne ob prižiganju sistema, tako da smo uporabili komponento BAT120C podjetja Nexperia, ki vsebuje dve schottky diodi s skupno vezanima katodama v SOT-223 ohišju in zagotavlja do 1 A neprekinjenega toka skozi diodi.

Za napajanje TPS3701 smo dodali še blokirni kondenzator vrednosti 100 nF.

Ker sta na izhodih OUTA in OUTB možni ali napetost 0 V ali stanje visoke impedance, smo na izhodih dodali dvižne upore. Izhodu OUTB smo dodali dvižni upor vrednosti 49,9 kΩ in izhodu OUTA dvižni upor vrednosti 100 kΩ. Ta izhoda sta vezana na prioritetne N-kanalne MOSFET-e ter napajalne P-kanalne MOSFET-e. Vrati P-kanalnih MOSFET-ov na liniji za napajanje iz baterije smo povezali med dva upora. Zgornji upor predstavlja dvižni upor in je vezan na napajanje 12 V, spodnji pa je vezan na ponor zgornjega prioritetnega N-kanalnega

24 MOSFET-a in omejuje tok iz vrat P-kanalnih MOSFET-ov na GND (za boljšo predstavo glej Slika 13). Oba upora imata vrednost 499 kΩ, kar je 10-krat manj kot dvižni upor na OUTB. Ta razlika v upornostih je nujna, saj zakasni odpiranje P-kanalnih MOSFET-ov na liniji za baterijsko napajanje. V primeru nizke obremenitve na izhodu se bi ob enakih vrednostih uporov lahko v primeru preklopa iz omrežnega napajanja na baterijsko zgodilo, da se linija za baterijsko napajanje prehitro odpre in bi hkrati bili odprti obe liniji. Takrat bi linija za baterijsko napajanje odprla linijo za omrežno napajanje in lahko bi prišlo do oscilacij. Vrednosti uporov smo tu uporabili tako velike, da smo čim bolj zmanjšali porabo moči pri delovanju.

Da sistem ob preklopu med napajanji ne ostane brez energije, smo na izhodu dodali še kondenzator, ki zagotavlja napajanje v trenutku preklopa. V ta namen smo dodali SMD elektrolitski kondenzator s kapacitivnostjo 68 µF, ki ima nazivno napetostjo višjo od 12 V. Ta kondenzator predstavlja zgolj dodatno kapacitivnost, saj glavno nadomestilo napajanja med preklopom predstavlja 470 µF vhodni kondenzator za stikalno pretvorbo napetosti. Na napajalni liniji smo dodali tudi vhodna keramična kondenzatorja vrednosti 100 nF.

Slika 13: Osnovna shema izbiralnika napajanja.

Prioritetna logika odpiranja napajalnih linij je torej naslednja:

- Ko bo na napajalni liniji iz omrežja prisotna napetost vsaj 11 V, bo napetost na izhodu OUTB enaka 0 V in napetost med vrati ter izvoroma P-kanalnih MOSFET-ov na tej liniji enaka manj kot ­11 V, zato bosta MOSFET-a na liniji za omrežno napajanje prevajala. Ker bo napetost na OUTB enaka 0 V, bo spodnji N-kanalni MOSFET zaprt, kar bo povzročilo napetost med vrati in izvoroma P-kanalnih MOSFET-ov na liniji za baterijsko napajanje 0 V. Ta napetost ju bo zaprla in posledično linijo za baterijsko napajanje.

- Če bo na liniji za baterijsko napajanje prisotna napetost vsaj 10 V medtem, ko ne bo omrežne napetosti vsaj 11 V, bo na izhodu OUTA napetost približno enaka baterijski

25 napetosti (predpostavimo, da bo baterijska napetost 12 V) in zgornji N-kanalni MOSFET bo odprt. V tem primeru ni zadostne omrežne napetosti, zato bo OUTB približno enak baterijski napetosti ter posledično bo spodnji N-kanalni MOSFET odprt in P-kanalna MOSFET-a na liniji za omrežno napajanje bosta zaprta. Ker bosta N-kanalna MOSFET-a odprta, bo spodnji upor pri P-kanalnih MOSFET-ih na liniji za baterijsko napajanje povlečen na 0 V in bo iz zgornjega in spodnjega upora nastal napetostni delilnik, vezan na vrata teh P-kanalnih MOSFET-ov. Upora sta enakih vrednosti, zato bo napetost na vratih enaka polovici baterijske napetosti in napetost med vrati ter izvoroma P-kanalnih MOSFET-ov na tej liniji bo ­baterijska napetost/2 (to bo manj kot ­5 V), kar je dovolj, da se odprta.

- V primeru prisotnosti obeh napajalnih napetosti bo stanje zelo podobno obema zgoraj opisanima, le da bo spodnji N-kanalni MOSFET zaprt, saj bo zaradi prisotne omrežne napetosti OUTB enak 0 V. Zato bosta posledično zaprta tudi P-kanalna MOSFET-a na liniji za baterijsko napajanje [11].

Pri izbiri močnostnih P-kanalnih MOSFET-ov so najpomembnejši parametri neprekinjeni tok ponora ID, maksimalna/minimalna napetost med izvorom in vrati UGS, maksimalna napetost med ponorom in izvorom UDS ter upornost med ponorom in izvorom pri odprtem MOSFET-u RDS(on). Motor lahko povleče veliko toka, saj ga potrebuje za zagon in ta lahko naraste do 16 A (glede na meritve pri delovanju motorju). V ta namen je nujno, da je ID MOSFET-ov večji. UGS

in UDS predstavlja maksimalno napetost, pri kateri še ne pride do uničenja MOSFET-a. Ker se uporablja 12 V, je nujno da sta UGS in UDS višja. Izbrali smo IPD068P03L3 G [13] močnostni P-kanalni MOSFET podjetja Infineon v ohišju DPAK. Ta omogoča ID do ­70 A ter UGS do

±20 V, kar zadovoljuje potrebam. Prav tako ima RDS(on) enak 6,8 mΩ, tako da ne povzroča prevelikih upornosti v smeri glavnega toka. Ohišje DPAK ima na priključku 2 veliko površino za stik na baker, kar pomaga pri prenosu toplote in posledično pri hlajenju.

Pri izbiri N-kanalnih MOSFET-ov je prav tako pomembno, da sta UGS in UDS višja od vhodne napetosti, ki je normalno 12 V. ID pri izbiri teh ne potrebuje biti visok, ker ta MOSFET-a ne prepuščata visokih tokov. Prav tako RDS(on) ni ključnega pomena, ker ta upornost pri odprtem kanalu ne bo imela vpliva zaradi uporabljenih uporov z visokimi upornostmi. Tu je smiselna uporaba dveh MOSFET-ov znotraj enega ohišja, saj se s tem zmanjša potrebna površina na vezju, zato smo izbrali NDC7002N [14] podjetja ON Semiconductor v ohišju SOT-6, ki ima dva N-kanalna MOSFET-a in oba zagotavljata UGS največ ±20 V ter UDS največ 50 V.