ORing в портативных устройствах

Всё чаще мы сталкиваемся с разработкой портативных устройств, где основное питание - это литиевая батарея, а зарядка осуществляется от USB. Зачастую, во время заряда устройство продолжает выполнять какой-то небольшой функционал. Поэтому, если на девайс подано питание от USB, то есть смысл, чтоб оно питалось от него, а не от батареи.

Для этого человечество придумало такую вещь как ORing. В простейшем виде это два диода: аноды подключены к разным источникам питания, а катоды - выводят на основное питание платы.

Очевидный минус такого решения — потери на диодах. При больших токах на них рассеивается много энергии и они сильно греются.

Обычно, при основной работе девайс потребляет много тока, а при зарядке - мало: может светодиодами помигать, может какой-то ограниченный функционал выполнять и т.п. При этом, чаще всего, портативное устройство - это коммерческий или компактный (или всё вместе) девайс, где особо не разгуляешься.

Исходя из всех этих вводных, для ORingа родилась схема, которую очень часто и много где используют. Один из диодов заменяется на полевой транзистор, через который течет ток от батареи при основной работе. Когда подключается USB, транзистор закрывается и небольшой ток питает схему через диод.

А чтоб снизить перегрев еще больше - ставят диод Шоттки. У него меньше прямое падение, а значит меньше тепла рассеивается.

Схема, конечно классная. Она изящная, дешевая, простая в исполнении и компактная. При этом каких-то других альтернатив на двух полупроводниках и одном пассиве - не наблюдается.

Но всё-таки есть нюанс...

Почему 100к?

Первый пункт, на который стоит обратить внимание - это сопротивление в затворе.

Чтобы в очередной раз сэкономить ток, уменьшить перегрев и сэкономить место на плате, в затвор мосфета ставят резистор с большим номиналом. На нём, всё-таки прямое падение напряжение 5В. Чем больше сопротивление, тем меньше ток через него течет, тем меньше рассеиваемая мощность, тем меньший типоразмер можно поставить - вплоть до 0201.

Токи утечки

Второй пункт - это токи утечки диода Шоттки. Мы уже обсуждали, что токи утечки кажутся незначительными только на первый взгляд. Если во время работы на плате что-то нагревается, то они вырастают кратным образом.

И вот представьте ситуацию:

1. Девайс работает от батареи, USB не подключен
2. Девайс потребляет какое-то количество тока и возможно даже греется
3. С увеличением температуры, ток утечки через Шоттки возрастает и по сути он из диода превращается в маленький источник тока, который забирает его от батареи
4. (Как минимум он увеличивает разряд батареи)
5. Но куда течет ток? Через диод -> затем через R1 -> и в землю
6. При сопротивлении 100к, даже небольшой ток вызовет на нем ощутимое падение напряжения

7. Напоминаю, что транзистор Q1 открыт только потому, что на его затворе 0V (потенциал земли, подтянутый через R1), а на Истоке - напряжение батареи (от 4.2В до 3В)

8. Ток утечки всего лишь в 1мкА создаст на затворе напряжение 1В вместо 0В, соответственно разница напряжений будет меньше

9. По мере разряда батареи и увеличения тока утечки, в какой-то момент разница между затвором и истоком станет меньше, чем Vgs(threshold) и транзистор просто закроется

10. Ток, конечно, сможет протечь через паразитный диод мосфета, но это еще минус 0.8В на VIN

11. Скорее всего, такое маленькое напряжение вы не рассчитывали увидеть на VIN и питание устройства просто пропадет. Пока разница Vgs снова не превысит Vgs(threshold)

12. А если девайс должен работать при высокой температуре окружающей среды, то это вообще до свидания

Разумеется, вся эта последовательность событий может не произойти и самое худшее, что случится - батарея будет разряжаться на несколько микроампер быстрее. Но возможные риски лучше предусмотреть заранее.

Что с этим можно сделать?

1. Самый простой способ - снизить номинал резистора.
   При значении в 1к, падение в 1 В возникнет только при токе утечки 1 мА. Стоит уточнить, что это вполне реальная цифра для диода Шоттки, но запас всё-таки неплохой.
   Ну и не забываем, что во время заряда на 1к будет рассеиваться 0.25Вт и в таком случае, лучше ставить типоразмер 2512 :)
2. Можно диод Шоттки заменить на обычный диод.
   В этом случае проблема с утечками снизится до незначительной, но, как ни странно, чем меньше ток утечки, тем больше прямое падение напряжения диода Vf.
   Если напряжение на VBUS ровно 5В, то вам не страшно Vf вплоть до 0.8В.
   Но если там не 5В, а меньше (допустим что-то падает на проводах) или Vf диода более 0.8В, то в какой-то момент напряжение батареи будет больше, чем напряжение VIN. А значит, она больше не сможет заряжаться и будет недозаряженной.
   К слову, стандарт USB допускает отклонение напряжения до 4.75В, а Vf более 0.8В - обычное явление для диодов с малыми утечками.
3. Использовать какую-то другую схему ORing.
   Тут уже универсальной рекомендации нет, но на рынке есть простые и дешевые ORing микросхемы, которые могут как-то компенсировать все эти недостатки.

Какую схему в этой ситуации использовали бы вы? Пишите в комментариях ;)