Auswahlkriterien für Leistungsschalter »Intelligent« schalten

Mit Leistungsschaltern lassen sich in komplexen Systemen unter anderem Steuerungs-, Sequenzierungs-, Schutz- und Energieverteilungsfunktionen oder sogar das komplette Einschaltmanagement von Systemversorgungsspannungen realisieren. Dieser Artikel soll einen Überblick über wichtige Parameter und Konzepte von Lastschaltern vermitteln, die zu berücksichtigen sind. Darüber hinaus werden einige Realisierungsmöglichkeiten vorgestellt, um dem Entwickler bei der Auswahl einer optimierten Lösung zu helfen.

Bei der Auswahl eines Leistungsschalters (Bild 1) sollte sich der Entwickler natürlich als erstes fragen: Was will ich mit diesem Schalter bewerkstelligen? Eine simple Frage anscheinend, doch die Antwort ist eine entscheidende Hilfe, wenn er das für den vorgesehenen Anwendungsfall richtige Produkt definieren möchte. Schließlich gibt es für Leistungsschalter verschiedene Einsatzmöglichkeiten, von denen die gängigsten hier einmal zusammengestellt sind:

- Steuern, Verteilen und Sequenzieren von Betriebsspannungen (koordiniertes Ein- bzw. Ausschalten einer Betriebsspannung zum Aktivieren eines Subsystems oder zum Verteilen einer Betriebsspannung auf mehrere Lasten),

- Schutz vor Kurzschlüssen oder vor Überströmen beziehungsweise -spannungen aller Art (USB-Strombegrenzung, Sensorschutz, Kurzschlussschutz für die Versorgungsspannung),

- Verwalten des Einschaltstroms (beim Laden eines Kondensators) und

- Auswählen von Stromversorgungen (durch Multiplexen oder ORing) oder Verteilung einer Versorgungsspannung auf verschiedene Lasten.

Wichtige Bauteilparameter

Tabelle 1 zeigt, welche Merkmale bei den verschiedenen Anwendungen eines Leistungsschalters besonders zu berücksichtigen sind. Der ON-Widerstand (rON), der maximale Dauerstrom und der Eingangsspannungsbereich sind entscheidende Eigenschaften, die in jedem Fall zu bedenken sind.

 Steuern, Verteilen und Sequen-zieren

Kurzschluss-schutz

Einschalt-strom-Management

Multiplexen von Strom-versor-gungen (ORing)

ON-Widerstand des Cahlter-FETs
++
++
++
++
Steuerbarkeit der Anstiegsgeschwindigkeit (Slew Rate)
++
 ++
 
Überstromschutz (OCP)
 ++
+
+
Überspannungsschutz (OVP)
 +
 +
Schutz gegen Rückströme
 +
 ++
Verlustleistung
++
++
++
++
Baugröße
++
+
+
+
Eingangsspannungsbereich
++
++
++
++
Hoher maximaler Dauerstrom
++
++
++
++
Thermischer Überlastungsschutz
+
++
+
+
Steuerlogik, GPIO-Kompatibilität
++
 +
+
Tabelle 1: Anwendungsspezifische Anforderungen (+: vorteilhaft, aber nicht unbedingt erforderlich; ++: wichtige Eigenschaft, zu berücksichtigendes Merkmal)

Mit diesen grundlegenden Eigenschaften müssen sich Entwickler also vertraut machen, bevor sie sich näher mit einem bestimmten Baustein beschäftigen. In Abhängigkeit vom Anwendungsfall kann der Entwickler leicht den zu schaltenden Strom ermitteln und festlegen, bei welcher Spannung der Schaltvorgang erfolgt. Anhand dieser Basisdaten ist dann eine erste Auswahl möglich. So kommen für Schalter, die zum Beispiel  eine Spannung von 1,2 V beziehungsweise 36 V schalten müssen, in jedem Fall zwei verschiedene Produktlinien in Betracht. Der ON-Widerstand bestimmt den Spannungsabfall über dem Schalter. Dem Entwickler muss klar sein, wie hoch der maximal zulässige Spannungsabfall im Hinblick auf seinen jeweiligen Schaltungsaufbau ist (Spannung, Strom).

Dieser lässt sich mit Formel (1) leicht berechnen,  wobei UDrop der Spannungsabfall, rON der Durchlasswiderstand des eingeschalteten FETs und I der Strom durch den Schalter sind:

(1)                                           «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msub»«mi»U«/mi»«mi»Drop«/mi»«/msub»«mo»=«/mo»«msub»«mi»r«/mi»«mi»ON«/mi»«/msub»«mo»§#183;«/mo»«mi»I«/mi»«/math»

Sind in der Anwendung hohe Ströme oder eine niedrige Betriebsspannung (z.B. 1,0 V) zu schalten, sollte der Spannungsabfall minimiert werden. Dazu muss der ON-Widerstand so niedrig wie möglich sein, etwa wie bei der Bausteinserie »TPS2292x« von Texas Instruments, die bei 3,6 V einen rON-Wert von 14 mΩ aufweist. Ist der zu schaltende Strom dagegen gering, so ist der ON-Widerstand weniger kritisch, sodass auch ein Baustein mit einem höheren rON ausreicht, beispielsweise ein Schalter aus der Serie »TPS2294x«, deren Durchlasswiderstände in der Größenordnung von 1 Ω liegen. Der ON-Widerstand ist einer der entscheidenden Faktoren für die Chipgröße eines Leistungsschalters und damit für die Kosten des Bauelements. Diesem Umstand sollten Anwender besondere Aufmerksamkeit widmen,  denn sie eine möglichst kostengünstige Lösung anstreben.

Neben dem maximal zu schaltenden Dauerstrom ist der maximale gepulste Strom, den der Schalter verarbeiten kann, ein wichtiger Gesichtspunkt für die Auswahl des richtigen Bausteins. In bestimmten Anwendungen nimmt die Last meist nur moderate Dauerströme auf. Benötigt aber ein Subsystem zusätzliche Leistung, so treten unweigerlich Stromspitzen auf. Ein gutes Beispiel hierfür ist der GSM/GPRS-Sendeburst, bei dem die Stromaufnahme für die Dauer von 576 μs bei einem Tastverhältnis von 12,5% auf bis zu 1,7 A steigt. In solch einem Anwendungsfall muss gewährleistet sein, dass das gewählte Schalterbauelement solche gepulsten Ströme verkraften kann.