Interruptores digitales electrónicos en lado alto, y diréis, pues tan fácil como montar un transistor o un mosfet P y a otra cosa. Es correcto, pero vamos a dar un paso mas!
En aplicaciones de IoT de bajo consumo, una de las claves mas importantes es tener controlado el consumo de todas las etapas que componen nuestro circuito. Por tanto, necesitamos controlar la alimentación de todo, tanto de etapas, como de módulos tipo radio, etc. Aquí es donde reside el secreto de obtener un sistema de muy bajo consumo. Los interruptores digitales electrónicos en el lado alto de nuestros circuitos, nos permitirán tener el control de la alimentación sin sacrificar el consumo, ya que disponemos de componentes que apenas nos consumen 2uA.
Para controlar estas alimentaciones, tenemos componentes como los transistores o mosfet que nos permiten cortar y realizar ciertas operaciones de control en nuestros circuitos. Peeeero, cuando queremos hacer ciertas cosas, se empieza a complicar un poco el circuito (o la lista de componentes empieza a crecer a buen ritmo).
Ya vimos en una entrada anterior la forma de controlar la alimentación de un sistema con un consumo de 0uA, y hoy vamos a ver otro sistema en el que vamos a meter toda nuestra lista de componentes en un solo IC.
Que pasa si os digo que existen componentes de bajo coste que nos permiten controlar la alimentación de lo que queramos como si de un interruptor se tratara? Si además le añadimos características como:
- Protección de corriente inversa.
- Descarga de la etapa desconectada
- Arranque suave
- Muy bajo consumo
- Todo en 1 solo IC, muy pequeño (lo cual es una putada) con una disipación de potencia muy baja.
- Control del IC mediante una señal digital, que puede ser incluso de baja tensión (1,5v – 1,8v)
- Coste del IC sobre 1€, dependiendo de los modelos.
Ya estáis pensando en que esto es brujería? o que el componente igual me cuesta una fortuna y solo lo pueden comprar los seres de luz. Nada de eso, para esto tenemos los componentes llamados Power Switches, digital switches o load switches. Diversos nombres para el mismo concepto de interruptores digitales electrónicos de lado alto.
¿Qué es un Load switch o Power Switch?
Estamos hablando de un componente electrónico IC que suele ir colocado en nuestro lado alto del circuito (va conectado directamente a VCC o al rail de alimentación que queramos), que nos permite controlar la alimentación de una carga con un control digital básico.
Podemos gestionar hasta varios amperios (depende del IC, pero para aplicaciones lowpower podemos gestionar 7A o más), y disponer de una serie de características que, de otra forma, necesitaríamos añadir un montón de componentes extra.
En esencia, estos IC llevan en su interior un mosfet, con toda esta circuitería extra que necesitaríamos si lo implementáramos de otra forma. Todo en componentes que a veces son muy pequeños (menos de 2mm de lado). La verdad es que los encapsulados no ayudan mucho debido al tamaño tan reducido.
¿ Que pasa con el consumo del propio componente para aplicaciones lowpower?
Para estos casos, dentro del extenso catalogo que nos ofrecen los diferentes fabricantes, tenemos la serie de Microchip donde sus consumos de corriente son de unos pocos uA en el peor de los casos. Si, habeis leido bien, tan solo unos pocos uA de consumo por la gestion de grandes cantidades de A
Si os fijáis en esta pequeña tabla de características del modelos MIC94060/1/2/3, os dejo el datasheet, veis que el consumo de corriente para activar el IC es de unos 2uA y si necesitamos que este apagado, apenas llegamos a 1uA. Esto es una pasada!
En este caso, este componente puede gestionar hasta 2A en continuo de corriente. Que es un valor importante para este tipo de aplicaciones. Por ejemplo, podemos gestionar la alimentación de un radio de comunicaciones.
Mas características sobre estos interruptores sigitales
Podrías estar escribiendo todo el día y no acabaría de detallar todas las ventajas de este tipo de IC sobre diferentes aplicaciones.
El fabricante Texas Instruments, dejo un par de Application Notes donde detalla las ventajas de este tipo de IC y donde compara estos componentes frente a diferentes mosfet con diferentes etapas. Son dos documentos cortitos que merece la pena leerlos un par de veces detenidamente.
Leerlos con detalle, merece la pena. Alguna vez ya lo he comentado, pero todos los fabricantes tienen diferentes Application Notes (cada fabricante los puede llamar de forma diferente), con información muy útil. Trucos, consejos de diseños, circuitos, reglas, estudios, etc etc. Estos documentos son nuestra biblia para los desarrolladores electrónicos, después de los datasheet. No todo sale en el datasheet, luego hay mucho documento detrás para reforzar y extender.
Soft Start - Arranque suave
Una de las principales características de este tipo de componente es su gestión de encendido, como arranca el componente y como deja pasar la corriente a la carga.
En cargas que requieren muchos A nos encontramos con unos picos de corriente al ser alimentadas tremendamente elevados. Esto es un problema, bueno, es un problemón que te cagas. Este efecto negativo nos puede tumbar todo el funcionamiento de nuestro circuito.
Un pico de corriente puede hacer fluctuar la tensión de alimentación de forma muy apreciable, hasta el punto de reiniciar sistemas por la caída puntual que ocurre. Además, puede activar las protecciones de limitación de corriente de los circuitos de protección que llevan las baterías, y si esto ocurre, adiós al funcionamiento de toda nuestra aplicación.
Para gestionar esta situación, los fabricantes de estos interruptores digitales electrónicos nos ofrecen modelos con la opción de arranque suave. Según el modelo podemos encontrar opciones con valores de hasta 1ms.
El funcionamiento de este arranque no es otro que el de alimentar la carga de forma suave, la curva de la tensión pasa a ser una rampa de duración determinada, en vez de un escalon.
Os dejo unas graficas del modelo IC comentado antes, concretamente el MIC94061 vs MIC94062. Esta opción de arranque suave nos evita que se genere ese pico de corriente al alimentar la carga.
Tenemos también modelos con la opción de descarga al desconectar la carga. Esto quiere decir, si la etapa que estamos controlando es altamente capacitiva o tiene bastantes condensadores, podemos necesitar que estos se descarguen cuando desconectamos la alimentación. Estos IC pueden hacer que la etapa quede totalmente aislada en su desconexión y los condensadores permanezcan cargados, con lo que podemos llegar a funcionamientos anómalos.
Por ejemplo, tenemos un sistema gestionado por un IC, puede ser facilmente un radio de comunicaciones que necesite condensadores de varios cientos de uF para su correcto funcionamiento. Supongamos que esa etapa a experimentado un error y se ha colgado. En nuestro sistema, podemos programar la desconexión de esa etapa de alimentación y así provocar un reseteo del sistema. En el caso de que nuestro Load Switch no permita la descarga, este sistema que se ha quedado colgado sigue alimentado por la carga de los condensadores, por lo que si no dejamos un tiempo muy largo de desconexión, cuando volvamos a alimentar nuestra etapa con funcionamiento errático, no habremos producido el efecto deseado. Si usamos un modelo que permita la descarga, es cuestión de unos pocos uS, la etapa que estamos controlando estará totalmente descargada y, si que habremos producido ese reseteo buscado al cortar la alimentación.
Otra solución para arranque suave de diferentes cargas es asignar un IC Load Switch a da una y conectar los Enable en cascada. De esta forma irán alimentándose una tras otra y no todas al mismo tiempo.
Donde puedo encontrar este tipo de componentes en las webs de los fabricantes
Para localizar en los portales web/catalogo de cada fabricante estos interruptores digitales electrónicos en lado alto del circuito, podremos buscar dentro de sus productos que suelen estar ubicados en la sección de “Power Management“. Posteriormente tendrán otra categoría que se llamara “Load Switch” o “Power Switch“. Depende un poco de como gestione el catalogo cada uno.
Por ejemplo, Microchip lo tiene en esta ruta y TI tiene esta otra sección. Hay mas fabricantes que hacen estos IC, todo es ponerse un ratito a buscar. Eso si, si la memoria no me falla, para aplicaciones de bajo consumo, los que mejores características tienen son los de Microchip.
Explorar estas secciones, podréis descubrir mas soluciones que puedan ser interesantes para vuestros desarrollos.
Alternativa al Load Switch - LDO con pin Enable
Alguien puede estar pensando que en el catalogo de los fabricantes de componentes electrónicos también tenemos los reguladores de tensión LDO, y dentro de estos a su vez tenemos modelos que integran su control mediante un pin de Enable.
Es correcta su afirmación, y para corrientes pequeñas <500mA, es una solución perfectamente válida.
Nuevamente Microchip tiene modelos de LDO con pin Enable como la serie MCP1811A/12A/11B/12B, con su datasheet aquí. Son reguladores con un consumo en corriente cuando están apagados ridícula (de unos 5-10nA) y cuando están conectados de unos 250nA. Otra maravilla para nuestras aplicaciones donde cada uA cuenta, no os parece?
Según el tipo de aplicación, tenemos diferentes soluciones en el mercado que pueden ser integradas. No dejéis de investigar en vuestros ratos libres.
Conclusiones
Cerrando este capitulo para daros a conocer un poco este tipo de componentes, que a mi tan bien me han ido para los diseños. Valorar la facilidad y sencillez de integrar interruptores digitales electrónicos en lado alto del circuito de este tipo frente a la opción de todos los componentes necesarios para replicar su funcionamiento con un mosfet.
Un BoM mas reducido es un coste menor a la hora de montar con servicio PCBA, pero también mas fiabilidad para el circuito.
Nada mas que añadir por mi parte, espero que os haya sido de utilidad. Como siempre, cualquier duda, tenéis los comentarios mas abajo. Nos vemos en el siguiente.
Saludos,
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