Možnosti vstupního high-side spínače s tranzistorem MOSFET pro cyklování napájení systému

Cyklování napájení má zásadní význam při zajišťování nepřetržitého provozu elektronických aplikací, zejména těch, které jsou rozmístěny ve vzdálených oblastech a jsou napájené z baterií. Odpojení a opětovné připojení napájecího zdroje může vyvolat reset systému, který přestal reagovat vlivem přetrvávající nečinnosti nebo zasekávání. Jedním účinným a široce využívaným přístupem k cyklování napájení je využití aktivního nízkého výstupu dohlížecího obvodu k ovládání vstupního high-side spínače s tranzistorem MOSFET.

Monitory napětí nebo dohlížecí obvody mohou poskytovat dvě možnosti výstupu logické úrovně: aktivní nízký a aktivní vysoký výstupní signál. Toto pravidlo se vztahuje na výstupní dvojčinnou topologii, nebo na výstupní topologii s otevřeným odtokem s pull-up rezistorem.

• Aktivní nízká úroveň, při které výstup klesne na nízkou hodnotu při splnění vstupní podmínky, nebo přejde vysokou hodnotu, pokud výstupní podmínka není splněna.
• Aktivní vysoká úroveň, při které vstup přejde na vysokou hodnotu, je-li splněna vstupní podmínka, nebo na nízkou hodnotu, pokud vstupní podmínka splněna není.

Dohlížecí obvody monitorují aktivitu systému sledováním napájecího napětí, pomocí časovačů sledovacích požadavků detekují nečinnost, popř. obojí. Pokud tyto ochrany detekují problém, cyklování napájení rozpojí a následně sepne cestu mezi napájecím zdrojem a navazujícím systémem, což způsobí uvedení jednotky mikrokontroléru (MCU) do stavu resetu. Vstupní spínač na high-side straně obvodu (obrázek 1) se používá k ovládání napájení navazujícího elektronického systému.

Výběr správných součástí a řešení potenciálních problémů, které může vyvolat proces cyklování napájení, například tvorba tepla a spínací šum, má však zásadní význam.

Obrázek 1: aplikační obvod využívající high-side spínač k ochraně navazujícího elektronického systému před chybami během doby poklesu napájecího napětí. (Zdroj obrázku: Analog Devices, Inc.)

Výběr správných součástí a řešení potenciálních problémů, které může vyvolat proces cyklování napájení, například tvorba tepla a spínací šum, má však zásadní význam.

High-side spínač napájení

Cyklování napájení lze využívat v různých aplikacích ke zlepšení spolehlivosti systémů a zmírnění potenciálních škod, včetně bezdrátových transceiverů, lékařských přístrojů, zařízení pro chytrou domácnost, napájecích zdrojů a spotřební elektroniky.

V cyklování napájení jsou široce využívány metal-oxidové polovodičové tranzistory s efektem pole (MOSFET), neboť vykazují nízký odpor v zapnutém stavu, vysokou rychlost spínání a vysokou vstupní impedanci.

Výstup z dohlížecího obvodu je schopen ovládat hradlo tranzistoru MOSFET a provádět cyklování napájení jeho efektivním zapínáním a vypínáním. Tato metoda zajišťuje optimální spolehlivost systému podporou resetu a zotavení z nereagujících stavů.

Vývojáři používající tuto koncepci mají možnost využívat N-kanálové nebo P-kanálové tranzistory MOSFET, mnozí však dávají přednost koncepci s P-kanálovými tranzistory MOSFET, protože podmínky a obvody potřebné k jejich zapínání a vypínání jsou méně komplikované než v případě N-kanálových tranzistorů MOSFET.

Sepnutí P-kanálového tranzistoru MOSFET vyžaduje, aby napětí hradla bylo nižší než napětí zdroje, zatímco sepnutí N-kanálového tranzistoru MOSFET vyžaduje, aby napětí hradla bylo vyšší než napětí zdroje.

Pokud se N-kanálový tranzistor MOSFET používá jako vstupní high-side spínač, nízké napětí hradla způsobí rozpojení spínače a odpojení napájecího zdroje. Ačkoli N-kanálové tranzistory MOSFET obecně nabízejí lepší účinnost i výkon, generování kladného napětí mezi hradlem a zdrojem (V_GS) v tomto kontextu vyžaduje přídavný obvod, například nábojovou pumpu, aby bylo zaručeno, že spínač znovu zcela připojí zdroj.

Tento přídavný obvod není vyžadován při použití P-kanálového tranzistoru MOSFET, který lze spínat záporným napětím V_GS, což zjednodušuje návrh aplikace, avšak za cenu vyššího odporu v sepnutém stavu a nižší účinnosti.

Implementace P-kanálového high-side spínače

U P-kanálové koncepce musí být napětí mezi hradlem a zdrojem ovládající tranzistor MOSFET minimálně o prahové napětí hradlo-zdroj V_GS(th) nižší než napětí zdroje, aby mohl protékat proud ze zdroje do odtoku. Dalším aspektem je zajištění pohybu napětí mezi odtokem a zdrojem (V_DS) v rámci předepsaných limitů, aby bylo zaručena ochrana zařízení proti poškození.

Pokud je výstup aktivního dohlížecího obvodu s nízkou úrovní připojen k hradlu P-kanálového tranzistoru MOSFET, pak pin OUT při překročení specifikovaného prahu sníží napětí hradla na nízkou úroveň, čímž se aktivuje spojení napájecího napětí se zátěží. Pokud napětí klesne pod prahovou hodnotu, napětí pinu OUT stoupne na vysokou úroveň, P-kanálový tranzistor MOSFET se vypne a zátěž bude odpojena od napájecího napětí.

Přímým propojením pinu OUT zařízení s hradlem P-kanálového tranzistoru MOSFET mohou vývojáři vytvořit vysoce účinný obvod přepěťové ochrany. Tato robustní koncepce využívající P-kanálový tranzistor MOSFET jako high-side spínač připojený k IO řízení spotřeby energie MAX16052 od společnosti Analog Devices, Inc. (obrázek 2) zajišťuje připojení zátěže k napájecímu napětí.

Obrázek 2: P-kanálový tranzistor MOSFET slouží jako high-side spínač pro přepěťovou ochranu. (Zdroj obrázku: Analog Devices, Inc.)

Externí pull-up rezistor mezi monitorovaným napětím a hradlem P-kanálového tranzistoru MOSFET udržuje napětí hradla na vysoké úrovni, pokud se pin OUT s otevřeným odtokem nachází ve stavu vysoké impedance. Pokud monitorované napětí překročí prahovou hodnotu, pin OUT přejde do stavu vysoké impedance, čímž vypne P-kanálový tranzistor MOSFET a odpojí zátěž od napájecího napětí. Při poklesu monitorovaného napětí pod prahovou hodnotu naopak naopak pin OUT sníží napětí na pinu hradla na nízkou úroveň.

Model MAX16052 společně s modelem MAX16053 od společnosti ADI představují řadu malých, nízkoenergetických vysokonapěťových monitorovacích obvodů s funkcemi sekvencování, přičemž oba jsou dostupné v kompaktním 6pinovém pouzdru SOT23. Obvod MAX16052 poskytuje výstup s vysokou úrovní a otevřeným odtokem, zatímco obvod MAX16053 nabízí aktivní dvojčinný výstup s vysokou úrovní. Oba obvody poskytují nastavitelné monitorování napětí na vstupech až do 0,5 V. Napětí monitorují pomocí vysokoimpedančního vstupu (IN) s interní, pevně nastavenou prahovou hodnotou 0,5 V.

Použití časovače sledovacích požadavků

Časovače sledovacích požadavků (WDT) mohou zlepšit ochranné schopnosti dohlížecích obvodů v případech, je-li při splnění podmínky monitorování výstupní signál na nízké úrovni. Za těchto okolností může časovač sledovacích požadavků detekovat chybějící impuls nebo přechodový jev trvající určitou dobu označovanou jako prodleva časovače sledovacích požadavků (t_WD) a aktivovat reset mikrokontroléru nebo spustit cyklování napájení.

Supervizor nanoPower MAX16155 od společnosti ADI s časovačem sledovacích požadavků provede reset výstupu, pokud kladné napájecí napětí (V_CC) překračuje minimální hodnotu pracovního napětí i tehdy, je-li nižší než prahová hodnota resetu. Aplikace využívající dva časovače sledovacích požadavků (WDT) (obrázek 3) může aktivovat měkký reset mikrokontroléru po 32 s nečinnosti a cyklování napájení systému po 128 s nečinnosti.

Obrázek 3: v této konfiguraci aktivuje časovač sledovacích požadavků 1 měkký reset, zatímco časovač sledovacích požadavků 2 provede inicializaci cyklování napájení systému. (Zdroj obrázku: Analog Devices, Inc.)

Jednou z možností ovládání P-kanálového high-side spínače je využití bipolárního tranzistoru NPN (BJT) jako invertoru pro převod signálu s nízkou úrovní na výstupu sledovacího zařízení, který vypíná tranzistor NPN, na signál s vysokou úrovní, který vypíná P-kanálový tranzistor MOSFET přes pull-up rezistor. (Obrázek 4). Je-li systém aktivní, výstup sledovacího zařízení (WDO) má vysokou úroveň a odesílá svůj signál přes rezistor na bázi tranzistoru NPN, který zapíná.

Obrázek 4: bipolární tranzistor NPN (Q1) ovládá P-kanálový tranzistor MOSFET (Q2). (Zdroj obrázku: Analog Devices, Inc.)

Odporový dělič připojený k hradlu tranzistoru MOSFET a ke zdroji ovládá napětí V_GS. Je-li tranzistor NPN zapnutý, napětí na odporovém děliči klesne na nízkou úroveň, čímž bude napětí hradla nižší než napětí zdroje a P-kanálový tranzistor MOSFET se zapne, aby přivedl do systému napájecí napětí.

Pokud během předdefinovaného limitu časovače sledovacích požadavků MAX16155 mikroprocesor přestane reagovat nebo odesílat vstupní impulsy, vznikne událost časové prodlevy sledovacího zařízení, která způsobí přechod pinu WDO na nízkou úroveň. Tato akce připojí bázi tranzistoru NPN na zem a vypne jej. Je-li tranzistor NPN vypnutý, napětí na hradle P-kanálového tranzistoru MOSFET je stejné jako na jeho zdroji, čímž se tranzistor MOSFET vypne a odpojí přívod energie do mikroprocesoru.

Jakmile se výstup časovače sledovacích požadavků WDO navrátí na vysokou úroveň, systém obnoví normální provoz. Mikroprocesor pak vysílá pravidelné impulsy na pin WDI, čímž zabraňuje dalším časovým prodlevám. Tranzistor NPN se zapne, čímž udržuje high-side tranzistor MOSFET zapnutý a zajišťuje nepřetržité napájení mikroprocesoru.

Ačkoli nízká cena bipolárních tranzistorů představuje pro P-kanálové high-side spínače konstrukční výhodu, takové řešení vyžaduje správné vyladění pomocí dalších externích součástek, jako jsou rezistory.

Budicí obvod využívající N-kanálový tranzistor MOSFET

Využití N-kanálového tranzistoru MOSFET k ovládání P-kanálového high-side spínače s tranzistorem MOSFET má oproti bipolárnímu tranzistoru několik výhod.

N-kanálový tranzistor MOSFET vykazuje nízký odpor v zapnutém stavu, což snižuje energetické ztráty a zvyšuje účinnost. Tranzistor také rychle spíná, což zlepšuje doby odezvy systému. Tranzistor také vykazuje nižší spínací ztráty a je schopen pracovat na vyšších frekvencích, čímž je ideální pro energeticky účinné aplikace, jako jsou zařízení napájená bateriemi. Požadavky na buzení hradla jsou také méně náročné než požadavky bipolárního tranzistoru (BJT), čímž se zjednodušují budicí obvody a snižuje počet součástí.

Výstup sledovacího zařízení je schopný přímo ovládat hradlo N-kanálového tranzistoru MOSFET. Správná funkce systému vyžaduje, aby se pull-up napětí časovače sledovacích požadavků (WDO) shodovalo s prahovým napětím hradla tranzistoru MOSFET (V_GS(th)). Je-li systém aktivní, signál časovače sledovacích požadavků (WDO) s vysokou úrovní zapne N-kanálový tranzistor MOSFET (Q1 na obrázku 5), který následně zapne P-kanálový tranzistor MOSFET (Q2 na obrázku 5) přivádějící energii do systému. Během nečinnosti systému signál časovače sledovacích požadavků (WDO) s nízkou úrovní vypne tranzistor Q1, který následně vypne tranzistor Q2 a odpojí přívod energie.

Obrázek 5: N-kanálový tranzistor MOSFET (Q1) ovládající P-kanálový tranzistor MOSFET (Q2). (Zdroj obrázku: Analog Devices, Inc.)

Závěr

Využití N-kanálového nebo P-kanálového tranzistoru MOSFETu k ovládání high-side spínače představuje dvě spolehlivé metody cyklování napájení systému. P-kanálová koncepce s NPN bipolárním tranzistorem a dalšími součástkami poskytuje levnější variantu, zatímco nákladnější N-kanálový koncepce je vhodnější pro vysokofrekvenční spínání. Optimální přístup je určen konstrukčními preferencemi vývojářů a požadavky na aplikaci.