Opțiuni de comutatoare de intrare MOSFET high-side pentru ciclul de alimentare al sistemului

Ciclurile de alimentare joacă un rol esențial în asigurarea funcționării neîntrerupte a aplicațiilor electronice, în special a celor implementate în zone îndepărtate și alimentate cu baterii. Deconectarea și reconectarea sursei de alimentare poate reseta un sistem care a devenit nereceptiv din cauza inactivității persistente sau din cauza blocării sistemului. O abordare eficientă și utilizată pe scară largă pentru ciclurile de alimentare este utilizarea ieșirii active joase a unui circuit de supraveghere pentru a acționa un comutator de intrare MOSFET high-side.

Monitoarele de tensiune sau circuitele de supraveghere pot oferi două opțiuni pentru nivelul lor logic de ieșire: un semnal de ieșire activ scăzut și unul activ ridicat. Acest lucru se aplică fie unei topologii de ieșire în contratimp, fie unei topologii de ieșire cu drenă deschisă cu un rezistor de ridicare.

• Activ scăzut, în care ieșirea scade atunci când condiția de intrare este îndeplinită și crește atunci când condiția de intrare nu este îndeplinită
• Activ ridicat, în care ieșirea devine ridicată atunci când condiția de intrare este îndeplinită și devine scăzută atunci când condiția de intrare nu este îndeplinită

Circuitele de supraveghere monitorizează activitatea sistemului prin urmărirea alimentării cu tensiune sau folosind temporizatoare pentru dispozitivul de semnalizare pentru a detecta inactivitatea, sau ambele. Atunci când aceste măsuri de protecție detectează o problemă, ciclurile de alimentare deschid și apoi închid calea dintre sursa de alimentare și un sistem din aval, determinând unitatea de microcontroler (MCU) să intre într-un proces de resetare. Un comutator de intrare de pe partea high-side a circuitului (Figura 1) este utilizat pentru a controla alimentarea sistemului electronic din aval.

Cu toate acestea, este esențial să alegeți componentele potrivite și să rezolvați potențialele provocări, cum ar fi generarea de căldură și zgomotul de comutare, care pot rezulta din procesul de activare/dezactivare a alimentării.

Figura 1: Un circuit de aplicație care utilizează un comutator high-side pentru a proteja un sistem electronic din aval de erori în timpul căderilor de tensiune. (Sursă imagine: Analog Devices, Inc.)

Cu toate acestea, este esențial să alegeți componentele potrivite și să rezolvați potențialele provocări, cum ar fi generarea de căldură și zgomotul de comutare, care pot rezulta din procesul de activare/dezactivare a alimentării.

Comutator de alimentare high-side

Ciclurile de alimentare pot fi utilizate în diverse aplicații pentru a îmbunătăți fiabilitatea sistemului și a atenua potențialele daune, inclusiv în cazul emițătoarelor-receptoarelor fără fir, al dispozitivelor medicale, al dispozitivelor inteligente pentru acasă, al surselor de alimentare și al produselor electronice de larg consum.

Tranzistoarele cu efect de câmp de tip metal-oxid-semiconductor (MOSFET) sunt utilizate pe scară largă în ciclurile de putere deoarece au o rezistență scăzută la pornire, o viteză mare de comutare și o impedanță de intrare ridicată.

Ieșirea de la circuitul de supraveghere poate controla poarta MOSFET-ului, practic, activându-l sau dezactivându-l pentru a comuta puterea. Această metodă asigură fiabilitatea optimă a sistemului, permițându-i acestuia să se reseteze și să se redreseze din stările nereceptive.

Dezvoltatorii care adoptă această abordare au opțiunea de a utiliza MOSFET-uri cu canal N sau cu canal P, dar mulți preferă o abordare cu canal P, deoarece condițiile și circuitele necesare pentru a le porni și opri sunt mai puțin complicate decât în cazul MOSFET-urilor cu canal N.

Pentru un MOSFET cu canal P, tensiunea de poartă trebuie să fie mai mică decât tensiunea sursei pentru a-l porni, în timp ce la un MOSFET cu canal N, tensiunea de poartă trebuie să fie mai mare decât tensiunea sursei pentru a-l porni.

Atunci când un MOSFET cu canal N este utilizat ca și comutator de intrare high-side, o tensiune de poartă scăzută determină deschiderea comutatorului și deconectarea sursei de alimentare. În timp ce MOSFET-urile cu canal N oferă, în general, eficiență și performanță mai bune, în acest context, sunt necesare circuite suplimentare, cum ar fi o pompă de încărcare, pentru a genera o tensiune poartă-sursă pozitivă (V_GS) pentru a garanta că comutatorul reconectează complet sursa de alimentare.

Acest circuit suplimentar nu este necesar atunci când se utilizează un MOSFET cu canal P, care poate fi pornit prin V_GS negativ, simplificând proiectarea aplicației, deși compromisul este o rezistență mai mare la pornire și o eficiență mai scăzută.

Implementarea unui comutator cu canal P high-side

În cazul abordării cu canal P, tensiunea poartă-sursă pentru controlul MOSFET trebuie să fie mai mică decât sursa cu cel puțin tensiunea de prag poartă-sursă V_GS(th) pentru a permite trecerea curentului de la sursă la drenă. Un alt aspect de luat în considerare este garantarea funcționării tensiunii dintre drenă și sursă (V_DS) între limitele specificate pentru a garanta că dispozitivul nu este deteriorat.

Atunci când o ieșire activă scăzută a circuitului de supraveghere este conectată la poarta unui MOSFET cu canal P, pinul OUT trage poarta în jos atunci când pragul specificat este depășit, activând conectivitatea de la tensiunea de alimentare la sarcină. Atunci când tensiunea scade sub prag, pinul OUT se ridică, iar MOSFET-ul cu canal P este oprit, deconectând sarcina de la sursă.

Dezvoltatorii pot crea un circuit de protecție la supratensiune foarte eficient, prin conectarea directă a pinului OUT al dispozitivului la poarta MOSFET-ului cu canal P. Această abordare robustă, care utilizează un MOSFET cu canal P ca și comutator high-side conectat la un circuit integrat de gestionare a alimentării MAX16052 de la Analog Devices, Inc. (Figura 2), asigură conectarea sarcinii la tensiunea de alimentare.

Figura 2: Un MOSFET cu canal P este utilizat ca și comutator high-side pentru protecția la supratensiune. (Sursă imagine: Analog Devices, Inc.)

Un rezistor extern de ridicare între tensiunea monitorizată și poarta MOSFET-ului cu canal P menține poarta ridicată atunci când pinul OUT cu drenă deschisă este într-o stare de impedanță ridicată. Pinul OUT trece într-o stare de impedanță ridicată atunci când tensiunea monitorizată depășește pragul, oprind MOSFET-ul cu canal P și deconectând sarcina de la tensiunea de alimentare. În schimb, pinul OUT trage pinul de poartă la nivel scăzut atunci când tensiunea monitorizată scade sub prag.

MAX16052, împreună cu MAX16053 de la ADI, includ o linie de circuite de monitorizare mici, de înaltă tensiune și cu consum redus de energie, cu capacitate de secvențiere, ambele disponibile într-o capsulă compactă SOT23 cu 6 pini. MAX16052 oferă o ieșire cu drenă deschisă activă ridicată, în timp ce MAX16053 oferă o ieșire în contratimp activă ridicată. Ambele oferă monitorizarea reglabilă a tensiunii pentru intrări de până la 0,5 V și realizează monitorizarea tensiunii utilizând o intrare de impedanță ridicată (IN) cu un prag de 0,5 V fixat intern.

Utilizarea unui temporizator pentru dispozitivul de semnalizare

Temporizatoarele pentru dispozitivul de semnalizare (WDT) pot spori capacitățile de protecție ale circuitelor de supraveghere în cazurile în care semnalul de ieșire este scăzut atunci când condiția monitorizată este îndeplinită. În aceste circumstanțe, un temporizator pentru dispozitivul de semnalizare poate detecta lipsa unui impuls sau a unei tranziții pentru o anumită perioadă de timp, denumită expirarea timpului dispozitivului de semnalizare (t_WD), și poate activa o resetare a microcontrolerului sau poate iniția un ciclu de alimentare.

Monitorul nanoPower MAX16155 de la ADI cu temporizator pentru dispozitivul de semnalizare inițiază o ieșire de resetare atunci când tensiunea de alimentare pozitivă (V_CC) depășește tensiunea minimă de funcționare, chiar dacă este mai mică decât pragul de resetare. O aplicație care utilizează două WDT-uri (Figura 3) poate activa o resetare soft a microcontrolerului după 32 s de inactivitate și un ciclu de alimentare a sistemului după 128 s de inactivitate.

Figura 3: În această configurație, temporizatorul pentru dispozitivul de semnalizare 1 ar activa o resetare soft, în timp ce temporizatorul pentru dispozitivul de semnalizare 2 ar iniția un ciclu de alimentare a sistemului. (Sursă imagine: Analog Devices, Inc.)

O opțiune pentru acționarea unui comutator high-side cu canal P este utilizarea unui tranzistor de joncțiune bipolar NPN (BJT) ca invertor pentru convertirea unui semnal scăzut de la ieșirea dispozitivului de semnalizare, care oprește tranzistorul NPN, într-un semnal ridicat care oprește MOSFET-ul cu canal P prin intermediul unui rezistor de ridicare. (Figura 4). Atunci când sistemul este activ, ieșirea dispozitivului de semnalizare (WDO) este ridicată, trimițând semnalul său printr-un rezistor la baza tranzistorului NPN, activându-l.

Figura 4: Un tranzistor de joncțiune bipolar NPN (Q1) acționează MOSFET-ul cu canal P (Q2). (Sursă imagine: Analog Devices, Inc.)

Un divizor de rezistor conectat la poarta și sursa MOSFET-ului controlează V_GS. Atunci când tranzistorul NPN este pornit, acesta trage divizorul de rezistor la un nivel scăzut, făcând ca tensiunea porții să fie mai mică decât tensiunea sursei, pornind MOSFET-ul cu canal P pentru a furniza alimentare sistemului.

Dacă microprocesorul nu răspunde sau nu trimite impulsuri de intrare în perioada de timp predefinită a temporizatorului dispozitivului de semnalizare MAX16155, are loc un eveniment de expirare a temporizatorului dispozitivului de semnalizare, determinând pinul WDO să își afirme poziția scăzută. Această acțiune trage baza NPN la masă, oprindu-l. Atunci când tranzistorul NPN este oprit, tensiunea la poarta și sursa MOSFET-ului cu canal P este aceeași, oprind MOSFET-ul și întrerupând alimentarea microprocesorului.

Odată ce ieșirea WDO a temporizatorului dispozitivului de semnalizare revine la un nivel ridicat, sistemul își reia funcționarea normală. Microprocesorul trimite apoi impulsuri regulate la pinul WDI, împiedicând alte expirări. Tranzistorul NPN pornește, menținând MOSFET-ul high-side pornit și asigurând alimentarea continuă a microprocesorului.

Costul scăzut al tranzistoarelor bipolare cu joncțiune reprezintă un avantaj de proiectare pentru comutatoarele high-side cu canal P, dar necesită o reglare adecvată cu ajutorul unor componente externe suplimentare, cum ar fi rezistoarele.

Acționarea unui circuit cu un MOSFET cu canal N

Utilizarea unui MOSFET cu canal N pentru a controla un MOSFET cu canal P high-side are mai multe avantaje față de un tranzistor bipolar.

MOSFET-ul cu canal N are rezistență scăzută la pornire, ceea ce reduce pierderile de putere și crește eficiența. De asemenea, comută rapid, îmbunătățind timpii de răspuns ai sistemului. Are pierderi de comutare mai mici și poate funcționa la frecvențe mai mari, ceea ce îl face ideal pentru aplicații eficiente din punct de vedere energetic, cum ar fi dispozitivele alimentate cu baterii. În plus, cerințele de comandă a porții sunt mai puțin exigente decât cele ale unui BJT, simplificând circuitul de comandă și reducând numărul de componente.

Ieșirea dispozitivului de semnalizare poate controla direct poarta MOSFET-ului cu canal N. Tensiunea de ridicare a WDO trebuie să fie egală cu tensiunea de prag a porții MOSFET-ului (V_GS(th)) pentru a funcționa corect. Când sistemul este activ, un semnal WDO ridicat pornește MOSFET-ul cu canal N (Q1 în figura 5), care pornește apoi MOSFET-ul cu canal P (Q2 în figura 5), alimentând sistemul. În timpul inactivității sistemului, un semnal WDO scăzut oprește Q1, care oprește Q2, întrerupând alimentarea.

Figura 5: Un MOSFET cu canal N (Q1) acționează un MOSFET cu canal P (Q2). (Sursă imagine: Analog Devices, Inc.)

Concluzie

Utilizarea unui MOSFET cu canal N sau a unui MOSFET cu canal P pentru a acționa un comutator high-side reprezintă o metodă sigură pentru ciclurile de alimentare ale sistemului. Abordarea cu canal P cu tranzistor bipolar NPN și componente suplimentare oferă opțiunea cea mai ieftină, în timp ce abordarea mai costisitoare cu canal N este mai bună pentru comutarea la frecvențe înalte. Preferințele de proiectare ale dezvoltatorului și cerințele aplicației vor dicta abordarea optimă.