Alternativer for høyside-MOSFET-inngangsbryter for strømsykluser (strømsyklisk drift)

Strømsykluser (strømsyklisk drift) spiller en avgjørende rolle når det gjelder å sikre uavbrutt drift av elektroniske utrustninger, spesielt de som er utplassert i avsidesliggende områder og drives av batterier. Ved å koble fra og koble til strømforsyningen på nytt kan man nullstille et system som ikke lenger reagerer på grunn av vedvarende inaktivitet eller systemavbrudd. En effektiv og mye brukt tilnærming til strømsykluser (strømsyklisk drift) er å bruke den aktive lave utgangen til en overvåkingskrets for å drive en høyside-MOSFET-inngangsbryter.

Spenningsovervåkeres eller overvåkingskretser kan ha to alternativer for logisk nivåutgang: et aktivt lavt og et aktivt høyt utgangssignal. Dette gjelder enten en push-pull-utgangstopologi eller en open-drain-utgangstopologi med en pull-up-motstand.

• Aktiv lav, der utgangen blir lav når inngangsvilkåret er oppfylt, og blir høy når inngangsvilkåret ikke er oppfylt
• Aktiv høy, der utgangen går høy når inngangsvilkårene er oppfylt, og går lav når inngangsvilkårene ikke er oppfylt

Overvåkingskretser overvåker systemaktiviteten ved å spore spenningsforsyningen eller bruke overvåkningstimere (watchdog timere) for å oppdage inaktivitet, eller begge deler. Når disse sikkerhetsmekanismene oppdager et problem, åpnes og lukkes banen mellom strømforsyningen og et nedstrøms system, noe som fører til at mikrokontrollerenheten (MCU-en) går inn i en nullstillingsprosess. En inngangsbryter på den høye siden av kretsen (figur 1) brukes til å styre strømmen til det elektroniske systemet nedstrøms.

Det er imidlertid viktig å velge de riktige komponentene og ta hensyn til potensielle utfordringer som varmeutvikling og vekslingsstøy som kan oppstå i forbindelse med strømsyklusprosessen.

Figur 1: En utrustningskrets som bruker en høysideswitch (en side koblet til jord) for å beskytte et nedstrøms elektronisk system mot feil under strømbrudd. (Bildekilde: Analog Devices, Inc.)

Det er imidlertid viktig å velge de riktige komponentene og ta hensyn til potensielle utfordringer som varmeutvikling og vekslingsstøy som kan oppstå i forbindelse med strømsyklusprosessen.

Høyside-strømbryter

Strømsykling kan brukes i ulike bruksområder for å forbedre systemets pålitelighet og redusere potensielle skader, blant annet i trådløse transceivere, medisinsk utstyr, smarthusutstyr, strømforsyninger og forbrukerelektronikk.

MOSFET-er (metal–oxide–semiconductor field-effect-transistorer / felteffekttransistorer) er mye brukt i strømsykluser fordi de har lav på-motstand, høy vekslingshastighet og høy inngangsimpedans.

Utgangen fra overvåkingskretsen kan styre gate på MOSFET-enheten, slik at den effektivt slås av eller på for å veksle strømmen. Denne metoden sikrer optimal systemsikkerhet ved at systemet kan nullstilles og gjenopprettes fra en tilstand uten respons.

Utviklere som velger denne tilnærmingen, har muligheten til å bruke N- eller P-kanal-MOSFET-er, men mange foretrekker en P-kanal-tilnærming, ettersom forholdene og kretsene som trengs for å slå dem av og på, er mindre kompliserte enn med N-kanal-MOSFET-er.

For en P-kanal MOSFET må gate-spenningen være lavere enn source-spenningen for å slå den på, mens for en N-kanal-MOSFET må gate-spenningen være høyere enn source-spenningen for å slå den på.

Når en N-kanal-MOSFET brukes som høyside-inngangsbryter, fører lav gate-spenning til at bryteren åpner seg og kobler fra strømforsyningen. Selv om N-kanal-MOSFET-er generelt gir bedre virkningsgrad og ytelse, er det i denne sammenhengen nødvendig med ekstra kretser, for eksempel en ladepumpe, for å generere en positiv gate-source-spenning (V_GS) som sikrer at bryteren kobler strømforsyningen helt inn igjen.

Denne ekstra kretsen er ikke nødvendig når man bruker en P-kanal-MOSFET, som kan slås på med negativ V_GS, noe som forenkler applikasjonsdesignet, selv om ulempen er høyere på-motstand og lavere effektivitet.

Implementering av en P-kanal-høysidebryter

Med P-kanal-tilnærmingen må gate-source-spenningen for å styre MOSFET-en være lavere enn forsyningen med minst gate-source-terskelspenningen V_GS(th) for å la strøm flyte fra source til drain. Et annet hensyn er å sikre at spenningen mellom drain og source (V_DS) ligger innenfor spesifiserte grenser, slik at enheten ikke blir skadet.

Når en aktiv lav utgang fra en overvåkingskrets er koblet til gate på en P-kanal-MOSFET, trekker OUT-pinnen gate lavt når den spesifiserte terskelen overskrides, noe som aktiverer tilkoblingen fra forsyningsspenningen til lasten. Når spenningen faller under terskelen, blir OUT-pinnen høy, og P-kanal-MOSFET-en slås av, slik at lasten kobles fra strømforsyningen.

Utviklere kan lage en svært effektiv overspenningsbeskyttelseskrets ved å koble OUT-pinnen på enheten direkte til gate på P-kanal-MOSFET-en. Denne robuste tilnærmingen, som bruker en P-kanal-MOSFET som høysidebryter koblet til strømstyrings-IC (PMIC) MAX16052 (figur 2) fra Analog Devices, Inc., sørger for at lasten er koblet til forsyningsspenningen.

Figur 2: En P-kanal-MOSFET brukes som høysidebryter for overspenningsbeskyttelse. (Bildekilde: Analog Devices, Inc.)

En ekstern opptrekksmotstand (pull-up resistor) mellom den overvåkede spenningen og gaten på P-kanal-MOSFET-en holder gaten høy når open-drain-OUT-pinnen er i en høyimpedanstilstand. OUT-pinnen går over i en høyimpedanstilstand når den overvåkede spenningen overskrider terskelen, noe som slår av P-kanal-MOSFET-en og kobler lasten fra forsyningsspenningen. I motsatt fall, OUT-pinnen trekker gate-pinnen lavt når den overvåkede spenningen faller under terskelen.

MAX16052, sammen med ADI sin MAX16053, utgjør en serie små, strømsvake høyspenningsovervåkningskretser med sekvenseringskapasitet, begge tilgjengelige i en kompakt 6-pinners SOT23-kapsling. MAX16052 har en aktiv-høy open-drain-utgang, mens MAX16053 har en aktiv-høy push-pull-utgang. Begge gir justerbar spenningsovervåking for innganger ned til 0,5 V og utfører spenningsovervåking ved hjelp av en høyimpedansinngang (IN) med en internt fastsatt terskel på 0,5 V.

Bruk av en overvåkningstimer (watchdog timer)

Overvåkningstimere (watchdog timere) (WDT-er) kan forbedre beskyttelsesevnen til overvåkingskretser i tilfeller der utgangssignalet er lavt når den overvåkede tilstanden er oppfylt. I slike tilfeller kan en overvåkningstimer (watchdog timer) oppdage at det ikke har vært noen puls eller overgang i en viss tid, kalt watchdog-timeout (t_WD), og aktivere en nullstilling av mikrokontrolleren eller starte en strømsyklus.

ADI sin MAX16155 nanoPower-overvåker (supervisor) med watchdog-timer initierer en nullstillingsutgang når den positive forsyningsspenningen (_VCC) overskrider minimum driftsspenning, selv om den er lavere enn nullstillingsterskelen. En utrustning som bruker to WDT-er (figur 3), kan aktivere en myk nullstilling av mikrokontrolleren etter 32 sekunders inaktivitet, og en strømsyklus for systemet etter 128 sekunders inaktivitet.

Figur 3: I denne konfigurasjonen vil overvåkningstimer 1 (Watchdog Timer 1) aktivere en myk nullstilling, mens overvåkningstimer 2 (Watchdog Timer 2) vil starte en system-strømsyklus. (Bildekilde: Analog Devices, Inc.)

Et alternativ for å drive en P-kanalbryter på primærsiden er å bruke en NPN-bipolar sperreskikttransistor (NPN-BJT) som en inverter for å konvertere et lavt signal på overvåkningstimerutgangen, for å slå av NPN-transistoren, til et høyt signal som slår av P-kanal-MOSFET-en via en opptrekksmotstand (pull-up resistor). (Figur 4). Når systemet er aktivt, er overvåkningstimerutgangen (watchdog-utgangen – WDO) høy og sender signalet gjennom en motstand til basen på NPN-transistoren, slik at den slås på.

Figur 4: En NPN-bipolar sperreskikttransistor (NPN-BJT) (Q1) driver en P-kanal MOSFET (Q2). (Bildekilde: Analog Devices, Inc.)

En motstandsdeler som er koblet til MOSFET-ens gate og source styrer V_GS. Når NPN-transistoren er på, trekker den motstandsdeleren lavt, slik at gate-spenningen blir lavere enn source-spenningen, og P-kanal-MOSFET-en slås på for å forsyne systemet med strøm.

Hvis mikroprosessoren ikke reagerer eller ikke sender inngangspulser innen den forhåndsdefinerte tidsavbruddsperioden til overvåkningstimeren (watchdog timeren) MAX16155, oppstår en overvåkningstimer-timeout-hendelse (watchdog-timeout-hendelse), noe som fører til at WDO-pinnen blir lav. Denne handlingen trekker basen til NPN til jord og slår den av. Når NPN-transistoren er av, er spenningen ved gate og source til P-kanal-MOSFET-en den samme, slik at MOSFET-en slås av og strømmen til mikroprosessoren kuttes.

Når overvåkningstimeren (watchdog timeren) WDO-utgang blir høy igjen, gjenopptar systemet normal drift. Mikroprosessoren sender deretter regelmessige pulser til WDI-pinnen, noe som forhindrer ytterligere tidsavbrudd. NPN-transistoren slår seg på, holder MOSFET-en på høy side på og sørger for kontinuerlig strøm til mikroprosessoren.

Den lave prisen på bipolare sperreskikttransistorer (BJT-er) er er en designfordel for P-kanal-høysidebrytere, men krever riktig innstilling ved hjelp av eksterne tilleggskomponenter, for eksempel motstander.

Drivkrets ved hjelp av en N-kanal-MOSFET

Å bruke en N-kanal-MOSFET til å styre en høy-side P-kanal-MOSFET har flere fordeler i forhold til en bipolar transistor.

N-kanal-MOSFET-en har lav på-motstand (motstand i påslått tilstand), noe som reduserer effekttapet og øker virkningsgraden. Den veksler også raskt, noe som forbedrer systemets responstid. Den har lavere vekslingstap og kan operere ved høyere frekvenser, noe som gjør den ideell for energieffektive/energibesparende utrustninger som batteridrevne enheter. Kravene til gate-drift er dessuten mindre krevende enn for en bipolar sperreskikttransistor (BJT), noe som forenkler drivkretsen og reduserer antall komponenter.

Overvåkningskrets-utgangen (Watchdog-utgangen kan styre gaten til N-kanal MOSFET-en direkte. WDO-ens opptrekksspenning (pull-up-spenning) må samsvare med MOSFET-ens gate-terskelspenning (V_GS(th)) for å fungere riktig. Når systemet er aktivt, slår et høyt WDO-signal på N-kanal-MOSFET-en (Q1 i figur 5), som deretter slår på P-kanal-MOSFET-en (Q2 i figur 5), som forsyner systemet med strøm. Når systemet er inaktivt, slår et lavt WDO-signal av Q1, som igjen slår av Q2 og kutter strømforsyningen.

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

Konklusjon

Bruk av en N- eller P-kanal-MOSFET til å drive en høysidebryter er begge pålitelige metoder for syklisk strømtilførsel til systemet. P-kanal-metoden med NPN bipolar transistor og tilleggskomponenter er det rimeligste alternativet, mens den mer kostbare N-kanal-metoden er bedre for høyfrekvent veksling. Utviklerens designpreferanser og utrustningns krav vil avgjøre hvilken tilnærming som er optimal.