Gérer et protéger en toute sécurité les rails d'alimentation CC à l'aide de commutateurs de charge avancés

Dans la plupart des conceptions de systèmes, il est essentiel de gérer les rails d'alimentation CC et de les protéger contre divers modes de défaillance internes et externes. Le défi se complique lorsqu'il y a plusieurs rails, ce qui est de plus en plus fréquent dans les systèmes actuels, notamment les petits systèmes alimentés par batterie, basse consommation.

La gestion du ou des rails d'alimentation commence par un circuit intégré de gestion de l'alimentation (PMIC) qui commande l'activation et la désactivation du flux de courant vers le ou les rails selon les besoins. Le PMIC est également responsable de la gestion de la temporisation et du séquencement entre plusieurs rails. Cependant, le contrôle réel au niveau physique du rail d'alimentation est la tâche du commutateur de charge, un dispositif basé sur des MOSFET qui peut être commandé pour permettre le passage du courant ou le bloquer.

Outre les éléments de base tels que le contrôle de la vitesse de balayage du courant d'appel et la protection contre la surchauffe, les commutateurs de charge doivent de plus en plus souvent inclure d'autres fonctions et fonctionnalités telles que la mise hors tension contrôlée, la décharge de sortie rapide et le blocage du courant inverse, qui sont toutes difficiles à mettre en œuvre avec des conceptions discrètes basées sur des FET.

Pour contourner cette complexité, tout en réduisant le coût et l'espace carte requis pour une implémentation discrète, les concepteurs peuvent sélectionner des circuits intégrés de commutateurs de charge qui intègrent les capacités requises dans un seul boîtier avec le commutateur. Ces commutateurs de charge intégrés résolvent ou évitent de nombreux problèmes fonctionnels de rail d'alimentation, et permettent également de répondre à de nombreuses exigences de conception de produits mobiles ou alimentés par batterie.

Cet article traite du rôle des commutateurs de charge, de leurs fonctions de base, de leurs fonctionnalités supplémentaires et de leurs caractéristiques avancées qui en font bien plus que de simples commutateurs on/off à commande électronique pour les rails d'alimentation. L'article s'appuie sur trois nouveaux circuits intégrés de commutateurs de charge de la série TCK12xBG de Toshiba Electronic Devices & Storage Corporation (Toshiba) pour illustrer ces points et montrer comment ils sont appliqués pour répondre aux besoins des dernières conceptions de produits.

Principes de base des commutateurs de charge

Un commutateur de charge de base ne comporte que quatre broches : tension d'entrée, tension de sortie, activation et masse (Figure 1). Lorsqu'un signal de commande de niveau logique est appliqué à sa broche de commande ON/OFF (qui peut être à l'état actif haut ou actif bas), le dispositif est activé et le FET de régulation est mis sous tension. Cela permet au courant de circuler de la broche d'entrée V_IN à la broche de sortie V_OUT, fournissant ainsi de l'énergie au circuit de charge.

Figure 1 : Le commutateur de charge est un dispositif traversant basé FET qui peut autoriser/bloquer le flux de courant d'une alimentation CC vers sa charge via un signal de commande électronique. (Source de l'image : Bill Schweber)

Un commutateur de charge est plus qu'un simple FET de régulation en boîtier. Au minimum, il inclut également la logique de commande, le circuit d'attaque FET, les dispositifs de décalage de niveau et diverses fonctions de protection des circuits telles que la protection contre la surintensité et la prévention de retour de courant (également appelé courant inverse), pour protéger le système et ses composants contre les dommages. Il peut également mettre en œuvre d'autres fonctions utiles, telles que le contrôle de la vitesse de balayage lorsque le rail d'alimentation est mis sous tension, et la protection contre la surchauffe.

Dans son application la plus simple, le commutateur de charge est utilisé entre une alimentation et le rail d'alimentation d'une charge unique pour permettre sa mise sous tension via le PMIC en cas de besoin, ou sa mise en état de repos pour économiser de l'énergie (Figure 2).

Figure 2 : Dans son application la plus simple, le commutateur de charge est contrôlé par le PMIC et commande le flux de courant vers la charge. (Source de l'image : Toshiba)

Paramètres des commutateurs de charge

Le commutateur de charge présente plusieurs paramètres clés que les concepteurs doivent évaluer. Les trois premiers sont la tension d'entrée et le courant de sortie maximum qu'il peut supporter, ainsi que sa résistance à l'état passant. D'autres paramètres pouvant également être critiques, selon l'application, incluent :

• Courant de repos (I_Q) : le courant nécessaire pour alimenter le commutateur de charge, sans courant à sa sortie.
• Courant d'arrêt (veille) (I_SD) : le courant circulant dans V_IN lorsque le dispositif est désactivé.
• Courant de fuite d'entrée de la broche ON (I_ON) : le courant circulant dans la broche de commande ON/OFF lorsqu'elle est activée.

Un faible courant de repos et un faible courant d'arrêt sont de plus en plus importants dans les applications alimentées par batterie telles que les dispositifs corporels, les smartphones et les modules IoT, car ils ont un impact significatif sur la durée de vie de la batterie et le temps de fonctionnement.

Protection contre les surintensités

La fonction de protection contre la surintensité d'un commutateur de charge ne sert pas seulement à protéger contre des défaillances évidentes telles qu'un court-circuit temporaire ou permanent au niveau de la charge. Elle peut également être nécessaire pour atténuer les conséquences d'une chute de tension de sortie qui se produit dans certains cas lorsqu'un rail alimente plusieurs charges et qu'une charge est activée plus rapidement (Figure 3). L'augmentation soudaine de la demande de courant fait chuter momentanément la sortie de l'alimentation en dessous de sa valeur nominale. Ce délai, ou période de récupération, est déterminé par les performances de transitoires de charge de l'alimentation et par les spécificités de la charge.

Figure 3 : Un commutateur de charge unique peut alimenter plusieurs charges susceptibles de ne pas monter en puissance et s'activer simultanément. (Source de l'image : Toshiba)

Cette chute peut à son tour empêcher la deuxième charge de démarrer correctement ou entraîner un comportement erratique. Pour ces raisons, la fonctionnalité de limitation du courant d'un commutateur de charge est utile car elle modère la chute de tension de sortie induite par la demande accrue de courant par la première charge.

De nombreux systèmes doivent s'assurer que leurs multiples charges sont alimentées dans un ordre spécifique, et avec une temporisation définie entre chaque rail d'alimentation devenant actif. Dans ces cas, plusieurs commutateurs de charge sont utilisés sous le contrôle du PMIC qui gère leur séquencement et leur temporisation relative (Figure 4).

Figure 4 : L'utilisation de plusieurs commutateurs de charge permet de contrôler le séquencement et la temporisation de l'activation des différentes charges pour assurer le bon fonctionnement du système. (Source de l'image : Bill Schweber)

Blocage de courant inverse

Le blocage du courant inverse d'un commutateur de charge fait exactement ce que son nom indique : il empêche le courant de circuler en sens inverse lorsque la tension côté sortie devient supérieure à celle du côté entrée.

Cela peut se produire en raison de deux situations courantes. Tout d'abord, l'alimentation, telle que la batterie d'une voiture, peut être connectée à l'envers par inadvertance suite au frôlement accidentel des bornes de la batterie par les câbles débranchés, ou suite à une erreur de reconnexion. Il peut même s'agir de quelque chose d'aussi basique qu'un utilisateur moyen insérant des batteries à l'envers.

La deuxième situation est un peu moins évidente. Considérons le cas où deux alimentations de tensions différentes sont multiplexées vers une charge (Figure 5). La tension du côté de la sortie partagée peut devenir supérieure à la tension du côté de l'entrée de l'alimentation à plus basse tension. Dans ce cas, le courant peut circuler du côté à plus haute tension au côté à plus basse tension, endommageant l'alimentation à plus basse tension.

Figure 5 : Des problèmes de courant inverse peuvent survenir même lorsque des alimentations multiplexées sont connectées via leurs propres commutateurs de charge. (Source de l'image : Toshiba)

Il y a trois façons de traiter le blocage de courant inverse :

• Le moyen le plus simple est d'ajouter une diode en série avec la sortie. Cependant, la chute de tension dans la diode (0,6 V à 0,8 V pour une diode silicium standard) abaisse la tension du rail alimenté, et la diode doit avoir une puissance nominale suffisante pour dissiper la chaleur associée.
• La deuxième solution consiste à utiliser un MOSFET en série avec le rail, mais sa résistance à l'état passant (R_ON) provoque également une chute de tension, et il a une dissipation thermique dont il faut tenir compte.
• La troisième option consiste à utiliser un commutateur de charge avec une fonction de blocage du courant inverse qui met en œuvre la contre-mesure nécessaire pour bloquer le courant inverse, sans compromis.

Fonction de décharge

Normalement, une fonction de décharge automatique connecte V_OUT et GND lorsque le multiplexeur de puissance est mis hors tension. Cette décharge de sortie rapide présente de nombreux avantages :

• La sortie n'est pas laissée flottante et est toujours dans un état connu.
• Les modules en aval sont toujours complètement désactivés.

Cependant, il existe des situations où une décharge de sortie rapide n'est pas souhaitable :

• Si la sortie du commutateur de charge est connectée à une batterie, une décharge de sortie rapide peut entraîner une décharge de la batterie lorsque le commutateur de charge est désactivé via la broche ON.
• Si deux commutateurs de charge sont utilisés dans un multiplexeur à deux entrées et une sortie (où les sorties sont liées entre elles), le courant sera constamment gaspillé par la décharge de sortie rapide, car le courant circulera dans la résistance interne vers la terre chaque fois que le commutateur de charge sera désactivé via la broche ON.

Par conséquent, lors de la configuration du multiplexeur de puissance avec le circuit intégré de commutateur de charge, il est nécessaire de sélectionner un commutateur de charge qui n'a pas de fonction de décharge. Dans ce cas, une fonction de commutateur de charge appelée blocage du courant inverse véritable est nécessaire. Cette fonction empêche le flux de courant inverse de la borne de sortie vers la borne d'entrée, quel que soit l'état ON/OFF du commutateur de charge.

Un commutateur de charge doté de cette fonction compare la tension d'entrée V_IN à la tension de sortie V_OUT dans le circuit intégré, et le circuit anti-retour s'active lorsque V_OUT>V_IN (Figure 6).

Figure 6 : Le blocage de courant inverse véritable empêche la circulation du courant de la borne de sortie vers la borne d'entrée, que le commutateur de charge soit activé ou désactivé. (Source de l'image : Toshiba)

Il existe d'autres subtilités associées au blocage du courant inverse véritable et à la fonction de décharge automatique ; elles sont abordées plus en détail dans la note d'application de Toshiba Overcurrent protection function and reverse current prevention function of the load switch IC.

De nouveaux circuits intégrés pour les applications à forte croissance

Les commutateurs de charge ne sont pas nouveaux, mais ils sont de plus en plus personnalisés pour s'adapter aux exigences d'applications spécifiques. C'est ce que l'on constate avec la gamme de commutateurs de charge nouvelle génération TCK12xBG de Toshiba, comprenant trois dispositifs : TCK126BG, TCK127BG et TCK128BG (Figure 7).

Figure 7 : Le schéma fonctionnel interne des dispositifs de la gamme TCK12xBG montre leur simplicité fonctionnelle ; le dispositif TCK128BG est illustré. (Source de l'image : Toshiba)

Les trois circuits intégrés, qui sont répertoriés pour un fonctionnement de 1,0 V à 5,5 V et un courant jusqu'à 1 A, sont très similaires avec quelques petites différences distinctes permettant de les adapter de manière optimale aux priorités et aux besoins spécifiques des applications. Nombre de leurs spécifications sont supérieures à celles de leurs prédécesseurs et des dispositifs concurrents disponibles.

La réduction la plus spectaculaire est celle du courant de repos (I_Q), qui passe de 110 nA à seulement 0,8 nA, soit une réduction de 99,9 %, ou un peu plus de deux ordres de grandeur. En outre, le courant de veille n'est que de 13 nA. La résistance à l'état passant R_ON typique est de 46 mΩ à 5,0 V, 58 mΩ à 3,3 V, 106 mΩ à 1,8 V et 210 mΩ à 1,2 V.

Les autres attributs de ces commutateurs de charge vont au-delà des spécifications électriques. Ils sont également beaucoup plus petits que les autres unités disponibles chez Toshiba et d'autres fournisseurs, dans la même classe de tension/courant. Ils sont fournis en boîtier WCSP4G à quatre sorties mesurant 0,645 mm × 0,645 mm × 0,465 mm, avec un pas de bille de 0,35 mm. Cela représente une réduction de 34 % de l'empreinte par rapport aux commutateurs de charge précédents en boîtier de 0,79 mm × 0,79 mm × 0,55 mm à pas de 0,4 mm (Figure 8).

Figure 8 : Le format plus compact des dispositifs TCK12xBG par rapport à leurs prédécesseurs se traduit par une réduction de l'espace carte requis de 34 %. (Source de l'image : Toshiba, modifiée par l'auteur)

Ce petit format permet aux concepteurs de réaliser d'importantes économies d'espace carte, une caractéristique essentielle pour les applications ultra-compactes telles que les dispositifs corporels. De plus, la face arrière du boîtier présente un revêtement de 25 μm qui réduit l'impact et les dommages physiques et prévient l'écaillage.

Les trois commutateurs de charge de la gamme intègrent des circuits d'attaque de commande de la vitesse de balayage avec un temps de montée de 363 µs à 3,3 V. Les différences entre les commutateurs résident dans la présence ou l'absence de la fonction de décharge de sortie rapide, et dans l'état actif de la broche ON/OFF (Figure 9).

Conclusion

Les commutateurs de charge dotés de fonctionnalités hautement intégrées sont essentiels si les concepteurs doivent répondre à la demande en matière de consommation d'énergie plus faible, d'empreinte plus petite et de coûts inférieurs pour les petits dispositifs alimentés par batterie, tels que les dispositifs corporels, les smartphones et les dispositifs IoT. Comme illustré, les commutateurs de charge de la gamme TCK12xBG de Toshiba présentent un faible courant de repos et un format compact, intègrent des éléments répondant aux exigences fonctionnelles et de protection, et simplifient la conception.

Contenu connexe

1. Module de formation sur les commutateurs de charge de Toshiba