Interruptor Bi-direccional con MOSFETs (BPS)

En esta entrada os traigo un truco con MOSFEFs, se trata de realizar un bidirectional power switch (BPS), o Interruptor de potencia bidireccional. Y es que, si utilizamos un MOSFET como switch (Os lo expliqué aquí), tenemos el problema del diodo del cuerpo del MOSFET. Sino sabes que es esto quedate por aquí que te interesará, ya que este diodo, va a hacer que un MOSFET se pueda utilizar como switch, en un único sentido, conduciendo en sentido contrario independientemente del voltaje de control.

En resumen, en este post os voy a enseñar como montar un switch que cuando lo enciendas conduzca en ambos sentidos, y cuando no, en ninguno, es decir un switch MOSFET que funcione como un switch mecánico.

La situación: Control de alimentación.

Para ver la utilidad de este BPS vamos a poner este circuito super simple que sirve para controlar la alimentación de un dispositivos, a través de dos posibles entradas: podrían ser dos baterías, o una batería y un USB… En cualquier caso, lo que nos interesa es que tenemos dos entradas de voltaje, y un elemento a alimentar.

Para el ejemplo concreto vamos a suponer alimentación por USB y alimentación a batería de 7V. El circuito, para cada una de las ramas por separado, se podría hacer muy sencillo con un par de MOSFET un PMOS y otro NMOS.

En el caso de la rama de la alimentación por USB lo podemos ver en el siguiente esquema, donde controlamos el paso de V_USB a V_OUT mediante la señal ENABLE.

• Cuando ENABLE = LOW, la Vgs de Q1 es 0, y por lo tanto Q1 no conduce. Así que el voltaje que hay en la puerta de Q2 será el mismo que V_USB, por lo que su Vgs es también 0 y no conduce el transistor Q2. Es decir, VOUT estará “desconectado” de V_USB. Bien! Es lo que queríamos, vamos a ver el caso contrario.
• Cuando ENABLE = HIGH (Siendo HIGH > Vth de Q1), entonces Q1 pasa a conducción, por lo que la puerta de Q2 ahora estaría conectada a tierra. R1 es tan grande que en este caso no nos afecta, y la Vgs de Q2 sería igual a -V_USB y por tanto también entraría en conducción, conectando V_OUT a V_USB.

Es decir, hemos conseguido lo que queríamos no? Claro que si, fin de post… Que no, que hemos visto el caso sencillo, pero recuerda que tenemos dos alimentaciones, y que a veces en V_OUT hay V_USB y otras veces tenemos V_BAT(voltaje de la batería). Y esto, cambia mucho el juego, vamos a ver que pasa…

El problema: El diodo del cuerpo

Imagina ahora que estás en la rama de antes, el control de alimentación de V_USB, la tienes desactivada, pero activas la alimentación de la batería de 7V. En ese momento V_OUT pasa a ser 7V y eso puede ser un problema, por el body diode o diodo del cuerpo del MOSFET. Y es que en realidad, los diagramas del MOSFET incluyen un dibujo de un diodo (que he borrado del circuito anterior 👿 ) para mostrar que en realidad, pueden conducir al revés.

Este diodo no se puede eliminar, ya que forma parte de la construcción del MOSFET, así que tenemos que buscamos las castañas para evitar que conduzca cuando no queremos.

Si dejaremos el USB conectado, y encendiésemos la alimentación de la V_BAT, tendríamos un cortocircuito rico rico, que nos iba a dejar chamuscados varios componentes, en el mejor de los casos.

La solución: circuito BPS con MOSFETs

Como hemos visto, nuestro circuito funciona como interruptor en una sola dirección, no podemos parar la corriente en el sentido contrario al que queremos. La solución, es un circuito que con solo un componente más, nos permite parar por completo la circulación de corriente en cualquier sentido. Y además, cuando lo encendemos, la corriente puede circular en ambos sentidos de de igual manera.

Para hacer funcionar este circuito usamos, a nuestro beneficio, el diodo del cuerpo. En este caso vamos a ver como funciona en 2 situaciones distintas:

• El caso apagado, es decir ENABLE=LOW, la corriente no puede circular en ningún sentido, ya que tenemos dos diodos opuestos y por tanto aunque tengamos V_OUT mayor que V_USB, siempre habrá un diodo que bloquee el camino.

• Cuando está encendido (ENABLE=HIGH), la corriente puede fluir ambos sentidos y por tanto se comporta como un switch mecánico, no hay diferencia entre un sentido u otro.

Desventajas

La principal desventaja de este circuito, es la caída de voltaje mínima de un diodo en conducción. Con un solo MOSFET conduciendo, la caída de voltaje depende de la Resistencia equivalente del MOSFET, que generalmente es del orden de miliOhmios.

Sin embargo, en este caso, en cualquier camino que siga la corriente, tiene que pasar a través de un diodo, por lo que podemos tener caídas de tensión de 0.7V hasta 1.5V, que dependiendo de la aplicación, no es asumible.

Además, necesitamos más componentes y más caros, depende del volumen habrá que ver si es interesante o no.

Conclusión

Hemos visto un circuito muy sencillo para evitar corrientes no deseadas en alimentaciones controladas por MOSFETs, y que en muchos casos nos puede ser útil para nuestras aplicaciones.