Схема переключателя питания аккумулятор/внешний источник на полевом МОП-транзисторе


При использовании LI-Po или Li-Ion аккумуляторов вместе с простыми контроллерами заряда (например, Microchip MCP73831) возникает необходимость отключать аккумулятор от нагрузки на время заряда, переключая ее на внешний источник. 

В сети нашлось готовое решение, основанное на использовании полевого МОП-транзистора с каналом p-типа (p-channel MOSFET). Оригинал схемы приведен в документе фирмы Microchip 
MCP7383X Li-Ion System Power Path Management Reference Design.

Самое интересное в данной схеме - включение транзистора Q1:
  • сток (drain) подключен к "плюсу" аккумулятора;
  • исток (source) - выходная точка схемы - к нагрузке;
  • затвор (gate) с подтяжкой к земле через резистор R_pull подключен к выводу внешнего источника.
Работает схема следующим образом: при отключенном внешнем питании напряжения на входах транзистора имеют следующие значение относительно земли:
  • Vd = V_cell = 3,7V - номинальное напряжение аккумулятора;
  • Vg = 0, благодаря подтягивающему резистору R_pull;
  • Vs = Vd + Vsd ≈ 3,7 - 1,2 = 2,5V, где Vsd - прямое падение напряжения на защитном диоде, входящем в состав транзистора (знаки определяется выражением Vsd = Vs - Vd).
Таким образом, напряжение затвор-исток Vgs, определяющее состояние транзистора, равно Vgs = Vg - Vs ≈ 0 - 2,5 = -2,5V. Для p-канального транзистора отрицательное напряжение затвор-исток его "открывает" - аккумулятор подключен к нагрузке.

При этом важным для правильного выбора транзистора становится такой параметр, как низкая величина порогового напряжения включения Vgs(th). Для данного случая хорошо подходят так называемые транзисторы с логическим уровнем (logic level mosfet).

При подключении внешнего источника с Vin = 5V, напряжения на входах транзистора выглядят следующим образом:
  • Vd = V_cell = 3,7V, - остается прежним;
  • Vg = Vin = 5V, подключено к внешнему источнику;
  • Vs = Vin - V_d1 ≈ 5 - 1,2 = 3,8V, где V_d1 - прямое падение напряжения на диоде D1.
Напряжение затвор-исток в этом случае равно Vgs = V_d1 ≈ 1,2V. Транзистор полностью закрыт, защитный диод смещен в обратном направлении: аккумулятор отключен от нагрузки, производится его зарядка контроллером MCP73833. Питание на нагрузку подается от внешнего источника через диод D1.

Пример реализации данной схемы. О производстве этой платы я писал в предыдущем посте.


Здесь используются контроллер зарядки MCP73831 и транзистор IRF7410. При выборе транзистора ключевыми для меня были следующие параметры:

  • низкое сопротивление канала в открытом состоянии: Rds(on) max = 9 mOhm при Vgs = -2.5V;
  • низкая величина порогового напряжения включения Vgs(th) min = -0.4V;
  • достаточная величина тока стока Id max = 16A (в данном случае с большим запасом).

Также к достоинствам этого транзистора можно отнести его относительная доступность (порядка 40 руб. на август 2018) и, что немаловажно, возможность промоделировать его работу: в системе Proteus он присутствует в библиотеке "IRPOWER". 


Видно, что схема работает правильно, при этом на транзисторе должно падать всего 1,9 мВ. Очень интересно сравнить данные моделирования с практикой. Та же самая схема на готовой плате

Нагрузка - 10 Ом, напряжение на аккумуляторе 3,63 В, напряжение на нагрузке 3,59 В, падение напряжения на транзисторе Vds = 1,5 мВ. Резистор ощутимо греется :) 

Есть некоторые различия, но в целом, можно сказать, что теория с практикой сходятся - потери в транзисторе очень малы. Разницу между напряжениями на аккумуляторе и на нагрузке можно объяснить последовательно включаемым сопротивлением дорожек платы и контактов клеммников:
R_pcb = (V_bat - V_load) / I_load = (3,63 - 3,59) / 0,36 ≈ 0,11 Ом, 
что вполне похоже на правду. 

При подключении внешнего источника транзистор закрывается. Через него течет только ток утечки Idss (Drain-to-Source Leakage Current) величиной несколько мкА.

При подключении внешнего питания к реальной плате, происходит зарядка аккумулятора контроллером MCP73831.

Пара слов о контроллере MCP73831: он очень простой и поэтому недорогой (около 30 руб.). Заряжает током до 0,5 А (для USB 2.0 - самое то), максимальный ток заряда регулируется резистором R3. Статус работы контроллера можно отследить по диоду D3 (красный диод на плате): горит - значит идет зарядка.

Ссылки на описание схемы на electronics.stackexchange.com (англ.): здесь и здесь. Подробное описание на русском параметров полевых транзисторов.

Спасибо за внимание! Let`s go design!

Комментарии