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Zufriedenstellende Lösung für ein nicht triviales Problem: Ausgabe 16/2018, 10.10.2018

Wertvolle Tipps zum Verpolungsschutz für Batterieladegeräte

Eine versehentliche Umkehrung der Spannungen kann leicht mal passieren, umso wichtiger wird daher der Verpolungsschutz, um in jedem Fall Schäden zu vermeiden. Das Design der Schutzschaltung muss aber sehr sorgfältig vorgenommen werden.

Autor: Henning Wriedt, USA-Korrespondent

Bilder: Analog Devices

Um dieses gewiss nicht triviale Problem zufriedenstellend zu lösen, gab Analog Devices (Linear) eine sehr interessante Applikationsschrift heraus, die dieses Thema detailliert beschreibt und mehrere Lösungswege aufzeigt. Es gibt einige bekannte Techniken für die Handhabung der Quellenspannungsumkehr. Am offensichtlichsten ist eine Diode von der Quelle bis zur Last, aber sie hat den Nachteil der zusätzlichen Verlustleistung durch die Durchlassspannung der Diode. So elegant diese Massnahme auch sein mag, eine Diode funktioniert nicht in tragbaren Geräten oder Backup-Anwendungen, da die Batterie beim Laden Strom aufnehmen und sonst beim Entladen Strom abgeben muss.

MOSFET-Schaltungen sind weiterer Ansatz
Ein weiterer Ansatz ist die Verwendung von MOSFET-Schaltungen, die im Bericht detailliert beschrieben werden. Bei lastseitigen Schaltungen ist dieser Ansatz der Diode überlegen, da die Spannung der Quelle (Batterie) die MOSFET-Funktion verbessert, was zu einem geringeren Spannungsabfall und effektiv höherer Leitfähigkeit führt. Die NMOS-Version der Schaltung ist der PMOS-Variante wegen der höheren Leitfähigkeit, der geringeren Kosten und der besseren Verfügbarkeit von diskreten NMOS-Transistoren vorzuziehen. In beiden Stromkreisen leitet der MOSFET, sobald die Batteriespannung positiv ist, und schaltet sich ab, wenn die Batteriespannung umgekehrt wird.
Der physikalische Drain des MOSFETs wird zur elektrischen Quelle, da er in der PMOSVersion das höhere und in der NMOS-Version das niedrigere Potenzial ist. Da MOSFETs im Triodenbereich elektrisch symmetrisch sind, leiten sie den Strom in beide Richtungen gleich gut. Bei diesem Ansatz muss der Transistor maximale VGS- und VDS-Nennwerte aufweisen, die grösser als die Batteriespannung sind.
Diese Vorgehensweise gilt leider nur für die Schaltungen der Lastseite und funktioniert nicht mit einem Stromkreis, der die Batterie aufl aden kann. Das Batterieladegerät erzeugt Leistung, aktiviert wieder den MOSFET und stellt die Verbindung zu einer umgekehrten Batterie wieder her. Ein Beispiel mit der NMOS-Version wird im Bericht beschrieben, wo die Batterie in einem Fehlerzustand dargestellt wird.

Zwei Alternativen: N-Kanal- und P-Kanal-MOSFET Designs
Wenn die Batterie angeschlossen ist und das Ladegerät inaktiv bleibt, sind die Last und das Ladegerät sicher von der umgekehrten Batterie entkoppelt. Wenn das Ladegerät jedoch aktiv wird, erzeugt das Ladegerät eine Spannung vom Gate zur Source des NMOS und veranlasst diesen zu leiten. Auch diese Situation wird im Bericht veranschaulicht.
Die Last und das Ladegerät sind also von der Umkehrspannung getrennt, aber der Schutz-MOSFET muss nun mit einer extrem hohen Verlustleistung fertig werden. In diesem Szenario wird das Ladegerät zu einem Entladegerät. Die Schaltung kommt dann ins Gleichgewicht, wenn das Batterieladegerät genügend Gateunterstützung für den MOSFET erzeugt, um den vom Ladegerät gelieferten Strom aufzunehmen.
Wenn zum Beispiel die VTH eines starken MOSFET etwa 2 V beträgt und das Ladegerät Strom bei 2 V liefern kann, dann wird sich die Ausgangsspannung des Batterieladegerätes bei 2 V einpendeln. Die Drainspannung des MOSFETs ist dann 2 V plus die Batteriespannung. Die Verlustleistung im MOSFET erwärmt den MOSFET so lange, bis sie von der Platine abfl iesst. Die PMOS-Version dieser Schaltung erleidet das gleiche Schicksal.

Hinweise auf einfache und kostengünstige Auswege
Im weiteren Verlauf des Berichts werden hierfür zwei Alternativen aufgezeigt, die jeweils Vor- und Nachteile haben: N-Kanal- und PKanal-MOSFET Designs. Es ist also möglich, einen guten Verpolungsschutz für Batterieladegeräte zu entwickeln, aber der Autor des Berichtes weist darauf hin, dass es keine Ideallösung gibt, aber die in der Schrift beschriebenen verschiedenen Lösungsvarianten bieten dem Schaltungsdesigner wertvolle Hinweise auf einfache und kostengünstige Auswege aus der Problematik.

Infoservice
Analog Devices power by Linear
Osterfeldstrasse 84, Haus C, DE-85737 Ismaning
Tel. 0049 89 962 45 50, Fax 0049 89 963 147
www.linear.com

 

 

 



Es gibt einige bekannte Techniken für die Handhabung der Quellenspannungsumkehr


Schaltungsbeispiel eines Verpolungsschutzes für Batterieladegeräte


Schutzschaltung auf der Lastseite mit einem Batterieladegerät