Интеллектуальные ключи. Вопросы и ответы

В статье, построенной в виде вопросов и ответов, рассматривается техническая реализация интеллектуальных ключей, обсуждаются их основные особенности и преимущества. При этом речь идет об интеллектуальных ключах, предназначенных для работы с умеренными напряжениями и токами (десятки Вольт – единицы Ампер), и которые изготавливаются в рамках стандартной КМОП-технологии.
2061
В избранное

Интеллектуальные ключи используются для коммутации питания ИС, отдельных цепей и частей схемы. Они оказываются полезными как с точки зрения уменьшения потребления, так и с точки зрения возможности использования нескольких уровней питающих напряжений. В данной статье, построенной в виде вопросов и ответов, рассматривается техническая реализация интеллектуальных ключей, обсуждаются их основные особенности и преимущества. При этом речь идет об интеллектуальных ключах, предназначенных для работы с умеренными напряжениями и токами (десятки Вольт – единицы Ампер), и которые изготавливаются в рамках стандартной КМОП-технологии. При этом на рынке присутствуют интеллектуальные ключи, способные коммутировать более высокие напряжения и токи.

Что из себя представляет коммутатор нагрузки?

Говоря простым языком, коммутатор нагрузки представляет собой электронный ключ, который осуществляет коммутацию питания микросхем, групп микросхем или отдельных частей схемы.

Многие микросхемы имеют специальный вывод, который позволяет перевести микросхему в режим ожидания. В ряде случаев ИС поддерживают различные режимы пониженного потребления, которые можно активизировать программно. Зачем же нужно коммутировать питание ИС?

Да, в большинстве современных микросхем реализованы подобные функции, но бывают случаи, когда требуется сэкономить как можно больше энергии за счет полного отключения отдельных частей схемы. Речь идет, например, о цепях подтяжки, портах ввода/ вывода ИС, резистивных делителях или даже о дискретных транзисторах, которые могут становиться причинами утечек. Дело в том, что перевод микросхемы в режим ожидания отключает только саму микросхему, а цепи обвязки с пассивными компонентами будут продолжать потреблять. Кроме того, существуют системы с несколькими уровнями питающих напряжений, в которых последовательность включения и выключения питания имеет решающее значение (подробнее об этом рассказывается ниже). В таких случаях коммутация нагрузок позволяет разработчику устанавливать требуемый порядок подачи различных уровней напряжений питания.

Как осуществить коммутацию питания?

Базовая схема коммутации относительно проста и содержит силовой МОП-транзистор и драйвер (рис. 1). В данной схеме предполагается, что ток течет от истока к стоку. Включение и выключение МОП-транзистора осуществляется с помощью драйвера, который формирует на затворе управляющий сигнал с требуемыми параметрами тока и напряжения. Драйвер отвечает за то, чтобы транзистор включался и выключался полностью и максимально «чисто».

Все, что требуется для коммутации питания нагрузки с помощью цифрового сигнала управления – это МОП-транзистор (верхний ключ) и соответствующий драйвер (нижний ключ)

Рис. 1. В принципе, все, что требуется для коммутации питания нагрузки с помощью цифрового сигнала управления – это МОП-транзистор (верхний ключ) и соответствующий драйвер (нижний ключ)

Электронные ключи являются идеальной заменой для механических выключателей?

Нет, электронные ключи не являются идеальной заменой для механических переключателей, но существующие между ними различия оказываются некритичными в большинстве приложений. Сопротивление контактов замкнутого механического переключателя составляет единицы мОм или даже меньше, а в разомкнутом состоянии сопротивление стремится к бесконечности. Электронный ключ в замкнутом состоянии имеет сопротивление единицы и десятки мОм, а в разомкнутом состоянии на уровне единиц МОм. В то же время, в большинстве случаев использование электромеханических переключателей (в частности, реле) оказывается непрактичным с точки зрения размера, веса, скорости и конечной стоимости электронной схемы и печатной платы.

Какие трудности возникают при использовании обычных МОП-транзисторов для коммутации нагрузки?

Во-первых, как отмечалось выше, МОП-транзистор нуждается в правильно спроектированном драйвере, так как затвор большинства полевых транзисторов не может напрямую управляться низковольтным цифровым выходом. Кроме того, выходного/ входного тока стандартных портов ввода/ вывода также не всегда хватает для управления транзистором.

Во-вторых, схема, состоящая из одного МОП-транзистора, не защищает от многих негативных явлений, возникающих на линиях питания. Речь идет о помехах, генерируемых источником питания или нагрузкой, коротких замыканиях и ВЧ-шумах. Наконец, приведенная на рис. 1 схема управления затвором обеспечивает только включение и выключение транзистора, но не позволяет эффективно задавать скорость переходных процессов коммутации. То есть, для некоторых приложений скорость включения/выключения окажется слишком высокой, а для других слишком низкой.

В-третьих, несмотря на кажущуюся простоту, даже элементарная схема, состоящая из транзистора и драйвера, требует времени на проработку. Разработчик должен определить ключевые параметры схемы, задать минимальные и максимальные значения, выполнить анализ надежности с учетом требуемой производительности и условий эксплуатации.

Существует ли альтернатива?

Производители интегральных микросхем заметили потребность рынка и создали специализированные интегральные решения – интеллектуальные ключи, которые не только выполняют коммутацию нагрузки, но и реализуют множество других полезных функций, обеспечивая при этом простоту использования.

Что такое интеллектуальный ключ?

Интеллектуальный ключ – это интегральный компонент, который позволяет осуществлять коммутацию питания нагрузки с помощью низковольтного цифрового выхода (например, порта ввода/ вывода микроконтроллера).

Трудно ли использовать интеллектуальный ключ?

Нет, на самом деле работать с ними очень просто. Обычные интеллектуальные ключи имеют четыре вывода: вывод для подключения входной шины питания, вывод для подключения выходной шины питания, земля, вход управления (рис. 2). Интеллектуальные ключи объединяют в одном корпусе МОП-транзистор, драйвер, а также другие функциональные блоки. При этом их габариты оказываются весьма компактными. Некоторые интеллектуальные ключи требуют размещения дополнительных развязывающих конденсаторов на силовом входе и выходе.

Интегральный интеллектуальный ключ имеет четыре вывода и отличается максимально простой схемой включения

Рис. 2. Интегральный интеллектуальный ключ имеет четыре вывода и отличается максимально простой схемой включения

Какие дополнительные функции могут выполнять интеллектуальные ключи?

Интеллектуальные ключи имеют множество дополнительных возможностей, которые с одной стороны повышают их функциональность, а с другой стороны не требуют каких-либо усилий от пользователя и мало влияют на габариты. В частности интеллектуальные ключи контролируют скорость нарастания и спада выходного сигнала, обеспечивают защиту от различных негативных факторов (перенапряжений, перегрузок по току, перегрева и т.д.), выполняют мониторинг аварийных ситуаций (рис. 3).

Интеллектуальные ключи кроме коммутации нагрузки способны выполнять и множество других дополнительных функций

Рис. 3. Интеллектуальные ключи кроме коммутации нагрузки способны выполнять и множество других дополнительных функций

Какие преимущества дает использование интеллектуальных ключей?

Существует несколько важных преимуществ:

  • Драйвер, интегрированный в микросхему интеллектуального ключа, управляет зарядом и разрядом затвора МОП-транзистора, обеспечивая тем самым контроль скорости нарастания/ спада при включении/ выключении ключа. Это оптимизирует работу МОП-транзистора, позволяет избежать перерегулирования и звона, а также уменьшить уровень генерируемых электромагнитных помех.
  • Кроме того, контроль скорости включения МОП-транзистора предотвращает просадку напряжения питания при коммутации значительной емкостной нагрузки. Просадка напряжения может стать серьезной проблемой, если другие устройства, подключенные к данной шине питания, должны оставаться в рабочем состоянии при выполнении коммутации.
  • Интеллектуальные ключи могут предлагать широкий выбор защитных функций, в том числе защиту от перегрева, защиту от перенапряжения, защиту от перегрузки по току, защиту от обратной полярности и т.д. Эти функции способствуют повышению общего уровня безопасности.
  • Некоторые интеллектуальные ключи имеют функцию подтяжки выхода (разряда выхода). Она реализуется с помощью встроенного резистора, подключаемого между выходом и землей. Данная функция активируется при выключении устройства. При этом заряд, накопленный на выходе, плавно уменьшается, тем самым удается избежать ложных включений нагрузки.

Последняя функция не всегда полезна. Если выход интеллектуального ключа подключен к аккумулятору, то при наличии функции подтяжки выхода аккумулятор начнет разряжаться через резистор. Так ли это?

Да, это правда. Проблема решается двумя способами: одни производители позволяют отключать эту функцию, а другие предлагают два варианта исполнения интеллектуального ключа – с функцией подтяжки выхода и без нее.

Какие еще преимущества дают интеллектуальные ключи?

Используя несколько интеллектуальных ключей, можно независимо коммутировать питание отдельных частей схемы с помощью цифровых выходов (например, портов ввода/ вывода микроконтроллера) (рис. 4). При этом коммутация потребителей будет производиться в соответствии с требуемой последовательностью и с заданными задержками. Таким образом, интеллектуальные ключи способны выступать в качестве силовых вентилей в масштабируемой и эффективной системе управления питаниям.

Используя несколько интеллектуальных ключей, можно напрямую управлять временем и очередностью включения отдельных частей схемы

Рис. 4. Используя несколько интеллектуальных ключей, можно напрямую управлять временем и очередностью включения отдельных частей схемы. Это имеет большое значение для сложных систем, использующих несколько уровней питающих напряжений

На какие основные параметры следует обратить внимание при выборе интеллектуального ключа?

Параметры интеллектуальных ключей во многом аналогичны параметрам МОП-транзисторов:

  • Сопротивление во включенном состоянии (Ron) определяет падение напряжения и позволяет рассчитать мощность, рассеиваемую на ключе. Типовые значения сопротивления составляют около 10 мОм.
  • Максимальное напряжение (Vin) и максимальный ток (Imax) определяют максимальную нагрузочную способность интеллектуального ключа;
  • Ток собственного потребления (Quiescent current) – ток, который потребляет ключ во включенном состоянии. Собственное потребление интеллектуального ключа обычно пренебрежимо мало по сравнению с мощностью, которую потребляет нагрузка.
  • Ток в выключенном состоянии – ток утечки, который поступает в нагрузку, когда интеллектуальный ключ находится в разомкнутом состоянии.
  • Другими важными характеристиками могут стать: корпусное исполнение, доступные поставщики, дополнительные специальные функции, например, функция подтяжки выхода, о которой говорилось выше и др.

Заключение

Интеллектуальные ключи представляют собой компактные, удобные и простые в использовании компоненты, которые позволяют решать многие проблемы на системном уровне, включая увеличение срока службы аккумулятора, уменьшение уровня рассеиваемого тепла, точное управление временем и последовательностью включения/ выключения нагрузок. Достоинством интеллектуальных ключей также является невысокая стоимость.

Производитель: STMicroelectronics
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
L6203
L6203
STMicroelectronics
Арт.: 5933 ИНФО PDF AN
Доступно: 166 шт. 384,00
DC интеллектуальный ключ - [11-Multiwatt]; Тип: полный мост; Вход: прямой; Выходов: 2; Rвкл: 0.3 Ом; Iном: 4 А; Iмакс: 5 А
L6203 384,00 от 10 шт. 329,00 от 25 шт. 296,00 от 50 шт. 274,00 от 125 шт. 260,00
166 шт.
(на складе)
L6205N
L6205N
STMicroelectronics
Арт.: 33362 ИНФО PDF AN
Доступно: 91 шт. 192,00
DC интеллектуальный ключ - [20-PowerDIP]; Тип: полный мост; Вход: прямой; Выходов: 4; Rвкл: 0.3 Ом; Iном: 2.8 А; Iмакс: 5.6 А
L6205N 192,00 от 12 шт. 192,00 от 26 шт. 192,00 от 60 шт. 192,00 от 140 шт. 192,00
18 шт.
(на складе)
73 шт.
(под заказ)
L6201
L6201
STMicroelectronics
Арт.: 43523 ИНФО PDF AN
Доступно: 129 шт. от 1 шт. от 493,53
Выбрать
условия
поставки
DC интеллектуальный ключ - [SOIC-20]; Тип: полный мост; Вход: прямой; Выходов: 2; Rвкл: 0.3 Ом; Iном: 1 А; Iмакс: 2 А
L6201 от 1 шт. от 493,53
129 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
L6207PD
L6207PD
STMicroelectronics
Арт.: 50921 ИНФО PDF AN
Доступно: 137 шт. 467,00
DC интеллектуальный ключ - [PowerSO-36]; Тип: полный мост; Вход: прямой; Выходов: 4; Rвкл: 0.3 Ом; Iном: 2.8 А; Iмакс: 5.6 А
L6207PD 467,00 от 9 шт. 400,00 от 18 шт. 360,00 от 31 шт. 333,00 от 93 шт. 317,00
137 шт.
(на складе)
L6205PD
L6205PD
STMicroelectronics
Арт.: 137997 ИНФО PDF AN
Доступно: 147 шт. 434,00
DC интеллектуальный ключ - [PowerSO-20]; Тип: полный мост; Вход: прямой; Выходов: 4; Rвкл: 0.3 Ом; Iном: 2.8 А; Iмакс: 5.6 А
L6205PD 434,00 от 9 шт. 372,00 от 20 шт. 335,00 от 42 шт. 310,00 от 124 шт. 295,00
147 шт.
(на складе)
L6201PS
L6201PS
STMicroelectronics
Арт.: 161851 ИНФО PDF AN
Доступно: 103 шт. 469,00
DC интеллектуальный ключ - [PowerSO-20]; Тип: полный мост; Вход: прямой; Выходов: 2; Rвкл: 0.3 Ом; Iном: 4 А; Iмакс: 5 А
L6201PS 469,00 от 8 шт. 402,00 от 18 шт. 362,00 от 31 шт. 335,00 от 93 шт. 318,00
20 шт.
(на складе)
83 шт.
(под заказ)
L293DD013TR
L293DD013TR
STMicroelectronics
Арт.: 202567 ИНФО PDF AN
Доступно: 445 шт. 144,00
DC интеллектуальный ключ - [SOIC-20]; Тип: полумост; Вход: прямой; Выходов: 4; Iном: 600 мА; Iмакс: 1.2 А; Uпит: 4.5...36 В
L293DD013TR 144,00 от 27 шт. 123,00 от 58 шт. 111,00 от 125 шт. 103,00 от 329 шт. 97,50
445 шт.
(на складе)
L6205D
L6205D
STMicroelectronics
Арт.: 202640 ИНФО PDF AN
Доступно: 216 шт. 203,00
DC интеллектуальный ключ - [SOIC-20]; Тип: полный мост; Вход: прямой; Выходов: 4; Rвкл: 0.3 Ом; Iном: 2.8 А; Iмакс: 5.6 А
L6205D 203,00 от 19 шт. 174,00 от 40 шт. 157,00 от 80 шт. 145,00 от 240 шт. 138,00
183 шт.
(на складе)
33 шт.
(под заказ)
L6206PD
L6206PD
STMicroelectronics
Арт.: 340907 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 93 шт. 499,00
DC интеллектуальный ключ - [PowerSO-36]; Тип: полный мост; Вход: прямой; Выходов: 4; Rвкл: 0.3 Ом; Iном: 2.8 А; Iмакс: 5.6 А
L6206PD 499,00 от 8 шт. 427,00 от 17 шт. 385,00 от 31 шт. 356,00 от 93 шт. 338,00
4 шт.
(на складе)
89 шт.
(под заказ)
L6226D
L6226D
STMicroelectronics
Арт.: 444579 ИНФО PDF AN
Доступно: 59 шт. от 1 шт. от 1078,83
Выбрать
условия
поставки
DC интеллектуальный ключ - [SOIC-24]; Тип: полный мост; Вход: прямой; Выходов: 4; Rвкл: 0.73 Ом; Iном: 1.4 А; Iмакс: 2.8 А
L6226D от 1 шт. от 1078,83
59 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
L6226PDTR
L6226PDTR
STMicroelectronics
Арт.: 447052 ИНФО PDF AN
Доступно: 84 шт. от 1 шт. от 765,95
Выбрать
условия
поставки
DC интеллектуальный ключ - [PowerSO-36]; Тип: полный мост; Вход: прямой; Выходов: 4; Rвкл: 0.73 Ом; Iном: 1.4 А; Iмакс: 2.8 А
L6226PDTR от 1 шт. от 765,95
84 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
L6206Q
L6206Q
STMicroelectronics
Арт.: 1048821 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 79 шт. 365,00
DC интеллектуальный ключ - Тип: полный мост; Вход: прямой; Выходов: 4; Rвкл: 0.34 Ом; Iном: 2.5 А; Iмакс: 5.6 А
L6206Q 365,00 от 11 шт. 313,00 от 23 шт. 281,00 от 50 шт. 260,00 от 130 шт. 247,00
14 шт.
(на складе)
65 шт.
(под заказ)

Сравнение позиций

  • ()