Kaikkien järjestelmien tehonkulutuksen vaatimukset monimutkaistuvat ja samalla kasvaa tarve käyttää pieniä akkukäyttöisiälaitteita mahdollisimman energiatehokkaasti. Tämän vuoksi integroidun kuormakytkimen käytöstä on tullut entistä suositumpaa. Se antaa suunnittelijoille mahdollisuuden toteuttaa hienostuneita tehonsyöttöratkaisuja pienimmissäkin laitteissa.

Tehonsyöttö on elinehto kaikelle teknologialle, joka ohjaa nykyistä maailmaa. Olemme yhä riippuvaisempia huipputekniikan tuotteista, jotka helpottavat kiireistä elämää sekä työpaikoilla että niiden ulkopuolella.

Tehonhallinta on erityisen tärkeää niukkaan tehonkulutukseen tähtäävissä huipputekniikan sovelluksissa. On kyseessä sitten laajan laitteiston pitkälle kehitetty moniosainen tehonsyöttöjärjestelmä tai yksittäisen akkukäyttöisen laitteen energian hyödyntäminen viimeiseen pisaraan asti, tehonhallinta on etusijalla kaikkien suunnittelijoiden asialistalla.

Kuormakytkimillä on tärkeä tehtävä sekä suurten että pienten järjestelmien tehonhallinnassa ja kuormittavien laitteiden suojaamisessa. Kuormakytkimen valinta kullekin sovellukselle sisältää monia eri näkökohtia, ja nykyään on saatavissa useita uusia kytkinpiirejä, jotka ovat suorituskyvyltään ja ominaisuuksiltaan entistä tasokkaampia.

Kaikkien kuormakytkimien päätehtävänä on kytkeä syöttöteho kuormittavaan laitteeseen päälle ja pois. Tämä toiminto voidaan helposti toteuttaa erillisratkaisuna yksinkertaisella MOSFET-sarjakytkimellä. Täysin integroidut kuormakytkimet ovat kuitenkin yleensä erillisratkaisua pienempiä, vähemmän komponentteja vaativia ja tarjoavat enemmän suojaustoimintoja, joita ovat esimerkiksi ylikuumenemisen, alijännitteen ja ylivirran tunnistus sekä niiltä suojautuminen vikatilanteissa.

Joskus mukana on myös käänteisvirran estopiiri, joka suojaa järjestelmää kaikkien kuormasta laitteeseen päin pyrkivien virtojen etenemiseltä. Tämä on erityisen käyttökelpoinen ominaisuus esimerkiksi USB-C-liitäntöjä sisältävissä sovelluksissa, joissa tehoa voidaan samanaikaisesti jakaa useaan eri kohteeseen.

Kuva 1. Tyypillisen integroidun kuormakytkimen lohkokaavio.

Kaikissa integroiduissa kuormakytkinpiireissä on vähintään neljä nastaa: V_IN, V_OUT, GND ja EN (Enable). Yleensä piireihin kuitenkin lisätään muitakin nastoja tarjoamaan erilaisia lisätoimintoja sekä lähtölinjat järjestelmän suojaustoiminnoille, kuten kuvasta 1 nähdään.

Yksinkertaisen päälle/pois-ohjauksen ja suojauksen lisäksi kuormakytkimet kykenevät myös ohjaamaan kuorman kytkemisen nopeutta säätämällä lähtöjännitettä V_OUT. Ohjaamalla FET-transistorin hilan varautumista voidaan säätää syöksyvirtaa kuten myös lähtöjännitteen nousunopeutta. Tällainen pehmeä käynnistys suojaa kuormittavaa laitetta virtapiikeiltä, joita voi syntyä teholähteen ja kuorman hallitsemattoman kytkennän seurauksena erityisesti silloin, kun kuorma ei ole puhtaasti resistiivinen.

Joissakin kuormakytkinpiireissä on myös ohjattava vuotovastus, jonka avulla kuormaan varastoitunut energia voidaan purkaa nopeasti ja näin estää kuorman syöttönastan jännitteen kelluminen, kun kuormakytkin on off-tilassa.

Kuormakytkimen rakenne ja käyttö

Yksi kuormakytkimen yleisimmistä sovelluksista on erillisten tehoalueiden hallinta järjestelmässä. Tämä ohjausmuoto on erityisen hyödyllinen akkukäyttöisissä laitteissa, joissa tarpeettoman energianhaaskauksen estäminen on kriittistä, jotta akusta saataisiin maksimaalinen käyttöaika laitteelle.

Kuva 2. Kuormakytkimillä voidaan hallita tehonjakelua useilla eri kuormatasoilla.

Kuormakytkimiä voidaan käyttää ohjaamaan tehoa järjestelmän eri osille, jotka on segmentoitu loogisiin alueisiin kuvan 2 mukaisesti. Käytännössä ne lohkot, joita tarvitaan vain lyhytaikaisesti, saavat syöttötehon ainoastaan niiden ollessa aktiivisia. Tällaisia ovat esimerkiksi erilaiset anturit ja lähetin-vastaanottimet.

Kuormakytkimiä voidaan käyttää myös järjestelmissä, joissa on useita teholähteitä yhdelle kuormalle (kuva 3). Kuormatehoa voidaan tällaisissa järjestelmissä esimerkiksi syöttää joko pääteholähteestä tai varalähteestä.

Kuva 3. Tehonsyötön kanavoinnilla voidaan yhtä kuormaa syöttää useasta teholähteestä.

Monimutkaiset järjestelmät vaativat yleensä useita tehonsyöttölinjoja ja monissa tapauksissa niiden toiminta on rakennettava tietyn käynnistysjärjestyksen mukaisesti järjestelmän asianmukaisen toiminnan varmistamiseksi. Saattaa esimerkiksi olla tarpeen, että keskusprosessori on käynnistettävä alusta alkaen ennen radiolähettimen käyttöä, jotta voidaan välttää sekavat tai käsittämättömät datalähetykset.

Kuva 4. Kuormakytkinten avulla voidaan järjestelmän eri osien tehonsyöttö saada käyntiin halutussa järjestyksessä.

Vaikka haluttu käynnistysjärjestys voidaan saavuttaa käyttämällä ulkoista mikro-ohjainta sallimaan kuormakytkinten toiminta oikealla ajoituksella, kuormakytkimet voivat myös itsenäisesti tarjota tehonsyötön sekvensoinnin hyödyntämällä ’Power Good’ -lähtöä (PG), kuten kuvasta 4 nähdään.

Useita kuormakytkimiä voidaan ketjuttaa kytkemällä kukin PG-nasta aina seuraavan kuormakytkimen Enable-nastaan (EN). Jos käynnistysvaiheiden välille tarvitaan lisää viivettä, siihen päästään lisäämällä kondensaattori ohjauslinjan ja maatason välille.

Sopiva kuormakytkin sovellukselle

Nykyään on saatavissa monentyyppisiä kuormakytkimiä, mikä antaa suunnittelijoille laajat valintamahdollisuudet kuhunkin sovellukseen. Vaikka valinta voi aluksi tuntua vaikealta, on suhteellisen helppo tehtävä löytää kuhunkin sovellukseen paras mahdollinen piiri ottamalla huomioon muutama tärkeä parametri.

Energiatehokkuus eli korkea hyötysuhde on tärkeä ja usein keskeinen syy kuormakytkimen käyttöön sovelluksessa. Suunnittelijoiden tulisi kiinnittää erityistä huomiota valittavan tuotteen R_ON-resistanssiarvoon. Mitä alhaisempi tämä kytkentäresistanssi on, sitä pienempi on jännitepudotus tulojännitteestä V_IN lähtöjännitteeseen V_OUT kytkimen toiminnan aikana. Ja vastaavasti sitä alhaisempi on myös kuormakytkimen tehohäviö ja lämmöntuotto.

Valittavan kuormakytkimen on oltava oikein mitoitettu suurimman sallitun kuormavirran ja tulojännitteen (V_IN) osalta. Samalla kun varmistetaan, että kuormavirran nimellisarvo on riittävä kohdesovellukseen, on huolehdittava siitä, ettei lukemaa yliarvioida, sillä suurempitehoisten FET-transistorien hilakapasitanssi on korkeampi, jolloin tarvitaan enemmän kytkentäenergiaa. Lisäksi suuritehoinen komponentti on myös kooltaan isompi ja hinnaltaan kalliimpi.

Lepovirran tulisi olla (kuormakytkimen ollessa päällä) mahdollisimman pieni kuten myös mahdollisten vuotovirtojen (kaikki virrat teholähteestä kuormaan, kun kuormakytkimen MOSFET on off-tilassa).

Lisäksi tietyissä sovelluksissa kytkimen vasteaika on kriittinen tekijä käynnistykseen/sammutukseen kuluvan ajan sekä mahdollisten vikasuojaustoimintojen ajoituksen kannalta. Vasteaikaan vaikuttaa MOSFET-transistorin kokoluokka, sillä isotehoiset kytkimet vaativat suuremman hilavarauksen ja ovat siten hitaammin toimivia.

Tässäkin FET-kytkimen kokoluokan yliarvioiminen voi johtaa kehnompaan suorituskykyyn nopeiden transienttien kohdalla.

Kattava valikoima tarjolla

ON Semiconductorin toimittamat ecoSWITCH-sarjan kuormanhallintapiirit tarjoavat luokkansa parhaan R_ON-resistanssiarvon, joka tällä hetkellä on suunnittelijoiden saatavilla. Piirisarja sisältää yli 20 erilaista tuotetta ja valikoima kasvaa edelleen, kun yhtiö julkaisee yhä uusia kuormakytkintuotteita.

Hyvä esimerkki ecoSWITCH-sarjan suorituskyvystä on NCP45560-piiri. Kytkin on pakattu tilaa säästävään 3 x 3 millin DFN12-koteloon, mutta se kykenee silti kytkemään jatkuvia virtoja energiatehokkaasti jopa 24 ampeeriin asti R_ON-resistanssiarvon ollessa vain 4,1 mΩ.

NCP45560-piiri on ihanteellinen tehonhallintaan ja pikavaihtosovelluksiin (hot swap), joissa kaivataan vain vähän piirilevyalaa vieviä ratkaisuja. Piiri sisältää useita suojausominaisuuksia ja tarjoaa merkittäviä tila- ja kustannussäästöjä erillisratkaisuihin verrattuna.