Muligheder for MOSFET-indgangsswitch med høj side til systemets strømcyklus

Strømcyklusser spiller en afgørende rolle for at sikre uafbrudt drift af elektroniske applikationer, især dem, der er placeret i fjerntliggende områder og drives af batterier. Når man afbryder og tilslutter strømforsyningen igen, kan man nulstille et system, der ikke reagerer på grund af vedvarende inaktivitet eller ophængning af systemet. En effektiv og udbredt tilgang til strømcyklusser er at bruge den aktive lav udgang fra et overvågningskredsløb til at drive en MOSFET-indgangskontakt på høj side.

Spændingsovervågning eller overvågningskredsløb kan give to muligheder for deres logiske niveauudgang: et aktivt lavt og et aktivt højt udgangssignal. Dette gælder enten for en push-pull-udgangstopologi eller en open-drain-udgangstopologi med en pull-up-modstand.

• Aktiv lav, hvor udgangen bliver lav, når indgangsbetingelsen er opfyldt, og bliver høj, når indgangsbetingelsen ikke er opfyldt.
• Aktiv høj, hvor udgangen bliver høj, når indgangsbetingelsen er opfyldt, og bliver lav, når indgangsbetingelsen ikke er opfyldt.

Overvågningskredsløb overvåger systemaktiviteten ved at spore spændingsforsyningen eller bruge watchdog-timere til at registrere inaktivitet, eller begge dele. Når disse sikkerhedsforanstaltninger opdager et problem, åbnes og lukkes stien mellem strømforsyningen og et downstream-system, hvilket får mikrocontrollerenheden (MCU) til at gå ind i en nulstillingsproces. En indgangskontakt på den høje side af kredsløbet (figur 1) bruges til at styre strømmen til det efterfølgende elektroniske system.

Det er dog vigtigt at vælge de rigtige komponenter og håndtere potentielle udfordringer som varmeudvikling og switching-støj, der kan opstå som følge af strømcyklusprocessen.

Figur 1: Et applikationskredsløb, der bruger en kontakt på høj side til at beskytte et elektronisk system mod fejl under brownout-tilstande. (Billedkilde: Analog Devices, Inc.)

Det er dog vigtigt at vælge de rigtige komponenter og håndtere potentielle udfordringer som varmeudvikling og switching-støj, der kan opstå som følge af strømcyklusprocessen.

Strømcyklus tå høj side

Strømcyklusser kan bruges i forskellige applikationer til at forbedre systemets pålidelighed og afbøde potentielle skader, herunder trådløse transceivere, medicinsk udstyr, smart home-enheder, strømforsyninger og forbrugerelektronik.

Metal-oxid-halvleder-felteffekttransistorer (MOSFET'er) bruges i vid udstrækning til strømcyklusser, fordi de har lav on-modstand, høj skiftehastighed og høj indgangsimpedans.

Outputtet fra overvågningskredsløbet kan styre MOSFET'ens gate og effektivt tænde eller slukke for strømmen. Denne metode sikrer optimal systempålidelighed ved at give systemet mulighed for at nulstille og komme sig efter en tilstand, hvor det ikke reagerer.

Udviklere, der vælger denne tilgang, har mulighed for at bruge N-kanal- eller P-kanal-MOSFET'er, men mange foretrækker en P-kanal-tilgang, da de betingelser og kredsløb, der er nødvendige for at tænde og slukke dem, er mindre komplicerede end med N-kanal-MOSFET'er.

For en P-kanal MOSFET skal gatespændingen være lavere end kildespændingen for at tænde den, mens gatespændingen for en N-kanal MOSFET skal være højere end kildespændingen for at tænde den.

Når en N-kanal MOSFET bruges som input-kontakt på høj side, får lav gate-spænding kontakten til at åbne og afbryde strømforsyningen. Mens N-kanal MOSFET'er generelt giver bedre effektivitet og ydeevne, kræves der i denne sammenhæng yderligere kredsløb, såsom en ladningspumpe, for at generere positiv gate-source-spænding (V_GS) for at sikre, at kontakten genindkobler strømforsyningen fuldstændigt.

Det ekstra kredsløb er ikke nødvendigt, når man bruger en P-kanal MOSFET, som kan tændes med negativ V_GS, hvilket forenkler applikationsdesignet, selv om kompromiset er højere on-modstand og lavere effektivitet.

Implementering af en P-kanal kontakt på høj side

Med P-kanalmetoden skal gate-source-spændingen til styring af MOSFET'en være lavere end forsyningen med mindst gate-source-tærskelspændingen V_GS(th) for at tillade strøm at flyde fra source til drain. En anden overvejelse er at sikre, at spændingen mellem drain og source (V_DS) ligger inden for de specificerede grænser for at sikre, at enheden ikke bliver beskadiget.

Når et aktivt lavt overvågningskredsløb er forbundet til gaten på en P-kanal MOSFET, trækker OUT-benet gaten lavt, når den angivne tærskel overskrides, hvilket aktiverer forbindelsen fra forsyningsspændingen til belastningen. Når spændingen falder til under tærsklen, bliver OUT-benet høj, og P-kanal-MOSFET'en slukkes og kobler belastningen fra strømforsyningen.

Udviklere kan skabe et overspændingsbeskyttelseskredsløb, der er meget effektivt, ved at forbinde enhedens OUT-ben direkte til gaten på P-kanal-MOSFET'en. Denne robuste tilgang, der bruger en P-kanal MOSFET som kontakt på høj side forbundet til en Analog Devices, Inc, MAX16052 effektstyrings-IC (figur 2), sikrer, at belastningen er forbundet til forsyningsspændingen.

Figur 2: En P-kanal MOSFET bruges som kontakt på høj side til overspændingsbeskyttelse. (Billedkilde: Analog Devices, Inc.)

En ekstern pull-up-modstand mellem den overvågede spænding og gaten på P-kanal-MOSFET'en holder gaten høj, når open-drain OUT-benet er i en højimpedanstilstand. OUT-benet går i en højimpedanstilstand, når den overvågede spænding overskrider tærsklen, hvilket slukker for P-kanal-MOSFET'en og afbryder belastningen fra forsyningsspændingen. Omvendt trækker OUT-benet gate-benet lavt, når den overvågede spænding falder under tærsklen.

MAX16052 udgør sammen med ADI's MAX16053 en serie af små, strømbesparende højspændingsovervågningskredsløb med sekvenseringsfunktion, begge tilgængelige i en kompakt 6-bens SOT23-pakke. MAX16052 giver en aktiv-høj open-drain-udgang, mens MAX16053 giver en aktiv-høj push-pull-udgang. Begge giver justerbar spændingsovervågning for indgange ned til 0,5 V og udfører spændingsovervågning ved hjælp af en højimpedansindgang (IN) med en internt fastsat 0,5 V-tærskel.

Brug af en watchdog-timer

Watchdog-timere (WDT'er) kan forbedre beskyttelsesevnen for overvågningskredsløb i tilfælde, hvor udgangssignalet er lavt, når den overvågede tilstand er opfyldt. Under disse omstændigheder kan en watchdog-timer registrere manglen på en puls eller overgang i et bestemt tidsrum, kaldet watchdog timeout (t_WD), og aktivere en nulstilling af mikrocontrolleren eller starte en strømcyklus.

ADI's MAX16155 nanoPower supervisor med watchdog-timer starter en nulstillet udgang, når den positive forsyningsspænding (V_CC) overskrider den minimale driftsspænding, selv om den er mindre end nustillingstærsklen. En applikation, der bruger to WDT'er (figur 3), kan aktivere en blød nulstilling af mikrocontrolleren efter 32 sekunders inaktivitet og en strømcyklus af systemet efter 128 sekunders inaktivitet.

Figur 3: I denne konfiguration ville Watchdog Timer 1 aktivere en blød nulstilling, mens Watchdog Timer 2 ville starte en strømcyklus af systemet. (Billedkilde: Analog Devices, Inc.)

En mulighed for at drive en P-kanal kontakt på høj side er at bruge en NPN bipolar junction transistor (BJT) som inverter til at konvertere et lavt signal fra watchdog-udgangen, som slukker for NPN-transistoren, til et højt signal, der slukker for P-kanal MOSFET'en via en pull-up modstand. (Figur 4). Når systemet er aktivt, er watchdog-udgangen (WDO) høj og sender sit signal gennem en modstand til basen af NPN-transistoren, så den tændes.

Figur 4: En NPN bipolar junction-transistor (Q1) driver P-kanal MOSFET'en (Q2). (Billedkilde: Analog Devices, Inc.)

En modstandsdeler, der er forbundet med MOSFET'ens gate og source, styrer V_GS. Når NPN-transistoren er tændt, trækker den modstandsdeleren lav, hvilket gør gatespændingen lavere end kildespændingen og tænder P-kanal-MOSFET'en for at levere strøm til systemet.

Hvis mikroprocessoren ikke reagerer eller ikke sender indgangsimpulser inden for MAX16155 watchdog-timerens foruddefinerede timeout-periode, opstår der en watchdog-timeout-begivenhed, som får WDO-benet til at blive lavt. Denne handling trækker basen af NPN til jord og slukker den. Når NPN-transistoren er slukket, er spændingen ved gate og source på P-kanal-MOSFET'en den samme, hvilket slukker MOSFET'en og afbryder strømmen til mikroprocessoren.

Når watchdog-timerens WDO-udgang bliver høj igen, genoptager systemet normal drift. Mikroprocessoren sender derefter regelmæssige impulser til WDI-benet, hvilket forhindrer yderligere timeouts. NPN-transistoren tændes, hvilket holder MOSFET'ens høje side tændt og sikrer kontinuerlig strøm til mikroprocessoren.

De lave omkostninger ved bipolære junction-transistorer er en designfordel for P-kanals kontakter på høj side, men kræver korrekt indstilling ved hjælp af ekstra eksterne komponenter som f.eks. modstande.

Driverkredsløb med en N-kanal MOSFET

At bruge en N-kanal MOSFET til at styre en P-kanal MOSFET på høj side har flere fordele i forhold til en bipolær transistor.

N-kanal-MOSFET'en har lav on-modstand, hvilket reducerer effekttabet og øger effektiviteten. Den skifter også hurtigt, hvilket forbedrer systemets svartider. Den har lavere koblingstab og kan fungere ved højere frekvenser, hvilket gør den ideel til energieffektive anvendelser som batteridrevne enheder. Kravene til gate-drive er også mindre krævende end for en BJT, hvilket forenkler drivkredsløbet og reducerer antallet af komponenter.

Watchdog-udgangen kan styre gaten på N-kanal-MOSFET'en direkte. WDO'ens pull-up-spænding skal matche MOSFET'ens gate-tærskelspænding (V_GS(th)) for at fungere korrekt. Når systemet er aktivt, tænder et højt WDO-signal for N-kanal-MOSFET'en (Q1 i figur 5), som derefter tænder for P-kanal-MOSFET'en (Q2 i figur 5) og leverer strøm til systemet. Når systemet er inaktivt, slukker et lavt WDO-signal for Q1, som slukker for Q2 og afbryder strømforsyningen.

Figur 5: En N-kanal MOSFET (Q1) driver en P-kanal MOSFET (Q2). (Billedkilde: Analog Devices, Inc.)

Konklusion

At bruge en N-kanal eller en P-kanal MOSFET til at drive en kontakt på høj side er begge pålidelige metoder til systemets strømcyklus. P-kanalmetoden med NPN bipolær transistor og ekstra komponenter er den billigste løsning, mens den dyrere N-kanalmetode er bedre til højfrekvente skift. Udviklerens designpræferencer og applikationens krav vil diktere den optimale tilgang.