《再談高端開關》

在控制系統中，經常會遇到在特定時刻對某一個/多個有效載荷配電。

這就需要在電源匯流條下端加開關完成。常見的開關有兩種模態，如下圖所示：

高端開關 低端開關

這兩種都有用場。高端開關主要用于高/中壓場合；低端開關主要用于5V/3.3V應用場合。下面主要分析高端開關。

原則上，高端開關用繼電器實現最為方便，且繼電器的接觸電阻很小（一般為幾個毫歐，視觸電面積大小而定）。但現代電子系統中一般均盡量避免用繼電器。原因是在繼電器吸合瞬間/斷瞬間（兩觸點間距在um級時）容易“拉弧”（尤其是中/高壓場合），影響系統工作壽命。

故現代電子系統中，一般均采用MOS-FET作為開關元件，也叫“無觸點開關”。相對于繼電器來說它的導通損耗大（因為MOS管的導通電阻不可能做得那么小），但優點是沒有機械動作，因而壽命長。再就是可以快速切換（對有些負載這點很關鍵）用MOS管作高端開關又分為兩種情況：

P-MOS:易于實現。但由于“空穴”的遷移率低，故一般只能適合于中壓（10V～100V）、中功率（≤10A）場合。

N-MOS:需要“浮柵”驅動，難實現。但由于“電子”的遷移率高，故適用于高壓（≥200V），大功率（≥50A）的應用場合。

這兩種開關均能任意控制開/關的速度，以適應不同的ZL負載需求。圖中△V為MOS管的導通壓降。

快速開關：只有導通損耗。適用于高頻應用。

慢速開關：除了的靜態損耗外，還有開關損耗。適用于開關不太頻繁的場合。

由于有導通損耗和開關損耗，應用中要根據系統控制要求和負載情況，對MOS管加相應散熱。

那么，一個完成的高端開關應該有哪幾部分組成呢？下面以P-MOS管為例來說明。（見下框圖）

由以上框圖可以看出，典型的中電壓、中功率高端開關由開關管（M1），電流采樣（R0），高共模電壓儀表放大器（INA），比較器（COMP），延時、與邏輯門、電平轉換以及控制開/關速率的RC網絡等構成。“OVL”為過流指示，“SO”為輸出指示，“EN”為開/關控制信號。這樣的組合比較適合航空28V電源系統。因為組成不復雜，體積小，易于實現。

這個系統幾個核心點需要特別說明如下：

• 功耗。主要取決于M1的導通電阻RON（在不計開關損耗情況下）和電流采樣電阻RO的大小。一般情況下均選RON和RO盡可能小。
• 開關速率控制。通過調節R1、R2、C1完成，要以負載的特性而定。假若負載呈現純電阻特性，則適合于快速開關控制，以減少M1的動態功耗。若負載呈現容性/感性負載，則只能采用慢速開關控制策略。因為電容上的電壓不能突變，電感上的電流不能突變。若切換速率太快的話，容易使過流檢測誤動作，也會對電源供電系統造成污染。
• 過流打嗝態（hiccup），通過調節比較輸出延時和控制M1的上升/下降時間共同完成。打嗝態是電源供電系統均應具備的一個功能。符合下圖所示特質。

就是說，在上送機發出EN信號時，高端開關應該處于正常供電狀態。但由于負載ZL出現了超負荷（比如短路）則電流采樣電阻R0檢測到這個過電流，進而當地控制M1截止。M1截止后，過電流態消失，又能正常供電了。但由于過流態還在，于是系統又嘗試關斷M1。這樣周而復始，就會出現類似于上圖所示波形，俗稱“打嗝態”。

它的重要性體現在兩個方面，一是通過當地斷續關斷開關管M1以保護管子不被燒毀。二是上位機檢測過流指示信號“OVL”打嗝一定次數后發EN命令遠程關斷M1。

• 電平轉換，主要是為了與上位中控計算機的信號電平兼容而設的。有時由于中控計算機與+VS電源系統不共地，還需要加隔離。
• D1的作用是保護M1的柵源不擊穿。D2的作用是M1斷開時為負載續流。

以上談的是中壓中功率高端開關的實現方式。

下面簡單介紹一款高壓大功率高端開關的實現策略。（見下框圖）

由上圖可以看出，采用N-MOS管作為開關元件，采用磁惠斯通橋來作為電流采樣，采用HJ393A來驅動 N-MOS，加入溫度傳感器測量N-MOS的結溫，要引入控制電源VDD。這樣的組合有利于減小功耗（無上述的 RO），能夠完成N-MOS的浮柵驅動也能完成過溫保護。