High-side MOSFET-ingangsschakelaaropties voor systeemvoeding

Power cycling speelt een cruciale rol bij het garanderen van een ononderbroken werking van elektronische toepassingen, vooral als deze worden ingezet in afgelegen gebieden en worden gevoed door batterijen. Het loskoppelen en weer aansluiten van de voeding kan een systeem resetten dat niet meer reageert door aanhoudende inactiviteit of systeemstoringen. Een effectieve en veelgebruikte benadering van vermogenscyclus is het gebruik van de actieve lage uitgang van een bewakingscircuit om een high-side MOSFET-ingangsschakelaar aan te sturen.

Spanningsmonitoren of bewakingsschakelingen kunnen twee opties bieden voor hun logicaniveau-uitgang: een actief laag en een actief hoog uitgangssignaal. Dit geldt voor een push-pull uitgangstopologie of een open-drain uitgangstopologie met een pull-up weerstand.

• Actief laag, waarbij de uitgang laag gaat als aan de ingangsvoorwaarde wordt voldaan en hoog gaat als niet aan de ingangsvoorwaarde wordt voldaan
• Actief hoog, waarbij de uitgang hoog gaat als aan de ingangsvoorwaarde wordt voldaan en laag gaat als niet aan de ingangsvoorwaarde wordt voldaan

Supervisiecircuits bewaken de systeemactiviteit door de spanningstoevoer te volgen of door waakhondtimers te gebruiken om inactiviteit te detecteren, of beide. Wanneer deze beveiligingen een probleem detecteren, wordt het pad tussen de voeding en een stroomafwaarts systeem geopend en vervolgens gesloten, waardoor de microcontrollereenheid (MCU) een resetproces activeert. Een high-side ingangsschakelaar van het circuit (Afbeelding 1) wordt gebruikt om de stroom naar het stroomafwaartse elektronische systeem te regelen.

Het is echter van vitaal belang om de juiste componenten te kiezen en mogelijke uitdagingen aan te pakken, zoals warmteontwikkeling en schakelruis die het gevolg kunnen zijn van het cyclische vermogensproces.

Afbeelding 1: Een toepassingscircuit dat een high-side schakelaar gebruikt om een stroomafwaarts elektronisch systeem te beschermen tegen fouten tijdens spanningsdaling. (Bron afbeelding: Analog Devices, Inc.)

Het is echter van vitaal belang om de juiste componenten te kiezen en mogelijke uitdagingen aan te pakken, zoals warmteontwikkeling en schakelruis die het gevolg kunnen zijn van het cyclische vermogensproces.

High-side voedingsschakelaar

Power cycling kan in verschillende toepassingen worden gebruikt om de betrouwbaarheid van systemen te verbeteren en potentiële schade te beperken, waaronder draadloze zendontvangers, medische apparaten, smart home-apparaten, voedingen en consumentenelektronica.

Metaaloxide-halfgeleider-veldeffecttransistors (MOSFET's) worden veel gebruikt in vermogensschakelingen omdat ze een lage inschakelweerstand, hoge schakelsnelheid en hoge ingangsimpedantie hebben.

De uitgang van het bewakingscircuit kan de gate van de MOSFET besturen, waardoor deze effectief wordt in- of uitgeschakeld om de stroom te schakelen. Deze methode zorgt voor een optimale betrouwbaarheid van het systeem doordat het systeem zich kan resetten en herstellen van niet-reagerende toestanden.

Ontwikkelaars die voor deze aanpak kiezen, hebben de optie om N-kanaals of P-kanaals MOSFET's te gebruiken, maar veel ontwikkelaars geven de voorkeur aan een P-kanaals aanpak omdat de voorwaarden en schakelingen die nodig zijn om ze aan en uit te zetten minder ingewikkeld zijn dan bij N-kanaals MOSFET's.

Bij een P-kanaals MOSFET moet de gatespanning lager zijn dan de bronspanning om hem aan te zetten, terwijl bij een N-kanaals MOSFET de gatespanning hoger moet zijn dan de bronspanning om hem aan te zetten.

Wanneer een N-kanaals MOSFET wordt gebruikt als high-side ingangsschakelaar, zorgt een lage gatespanning ervoor dat de schakelaar opent en de voeding wordt afgesloten. Hoewel N-kanaals MOSFET's over het algemeen beter presteren en efficiënter zijn, zijn er in deze context extra schakelingen zoals een laadpomp nodig om een positieve gate-source spanning (V_GS) te genereren om ervoor te zorgen dat de schakelaar de voeding volledig herstart.

Die extra schakelingen zijn niet nodig bij gebruik van een P-kanaals MOSFET, die kan worden ingeschakeld door negatieve V_GS, wat het ontwerp van toepassingen vereenvoudigt, hoewel de ruil daarvoor een hogere inschakelweerstand en een lager rendement is.

Een P-kanaal high-side schakelaar implementeren

Bij de P-kanaal benadering moet de gate-source spanning voor het aansturen van de MOSFET ten minste de gate-source drempelspanning V_GS(th) lager zijn dan de voeding om stroom van de bron naar de drain mogelijk te maken. Een andere overweging is ervoor te zorgen dat de spanning tussen de drain en de bron (_VDS) binnen de gespecificeerde limieten blijft om ervoor te zorgen dat het apparaat niet beschadigd raakt.

Wanneer een actief-laag uitgang van het bewakingscircuit is aangesloten op de gate van een P-kanaal MOSFET, trekt de OUT-pin de gate laag wanneer de gespecificeerde drempel wordt overschreden, waardoor de verbinding van de voedingsspanning naar de belasting wordt geactiveerd. Wanneer de spanning onder de drempel valt, gaat de OUT-pin hoog en wordt de P-kanaal MOSFET uitgeschakeld, waardoor de belasting wordt losgekoppeld van de voeding.

Ontwikkelaars kunnen een zeer effectief overspanningsbeveiligingscircuit maken door de OUT-pin van het apparaat rechtstreeks aan te sluiten op de gate van de P-kanaal MOSFET. Deze robuuste aanpak, met een P-kanaal MOSFET als high-side schakelaar verbonden met een Analog Devices, Inc, MAX16052 power management IC (Afbeelding 2), zorgt ervoor dat de belasting verbonden is met de voedingsspanning.

Afbeelding 2: Een P-kanaal MOSFET wordt gebruikt als high-side schakelaar voor overspanningsbeveiliging. (Bron afbeelding: Analog Devices, Inc.)

Een externe pull-up-weerstand tussen de bewaakte spanning en de gate van de P-kanaal MOSFET houdt de gate hoog als de open-drain OUT-pin een hoge impedantietoestand heeft. De OUT-pin gaat in een hoge impedantietoestand wanneer de bewaakte spanning de drempel overschrijdt, waardoor de P-kanaal MOSFET wordt uitgeschakeld en de belasting wordt losgekoppeld van de voedingsspanning. Omgekeerd trekt de OUT-pin de gate-pin laag wanneer de bewaakte spanning onder de drempel valt.

De MAX16052 vormt samen met de MAX16053 van ADI een serie kleine, krachtige hoogspanningsbewakingsschakelingen met sequentiecontrolefunctie, beide verkrijgbaar in een compacte 6-pins SOT23-behuizing. De MAX16052 biedt een actief-hoog open-drain uitgang, terwijl de MAX16053 een actief-hoog push-pull uitgang biedt. Beide bieden instelbare spanningsbewaking voor ingangen tot 0,5 V en voeren spanningsbewaking uit via een ingang met hoge impedantie (IN) met een intern vastgelegde drempelwaarde van 0,5 V.

Een watchdog-timer gebruiken

Watchdog-timers (WDT's) kunnen de beschermingsmogelijkheden van bewakingsschakelingen verbeteren in gevallen waarin het uitgangssignaal laag is wanneer aan de bewaakte voorwaarde wordt voldaan. In die omstandigheden kan een watchdogtimer het ontbreken van een puls of overgang gedurende een bepaalde tijd detecteren, watchdog timeout (t_WD) genoemd, en een reset van de microcontroller activeren of een energiecyclus starten.

ADI's MAX16155 nanoPower-supervisor met watchdog-timer start een resetuitgang wanneer de positieve voedingsspanning (V_CC) de minimale bedrijfsspanning overschrijdt, ook al is deze lager dan de resetdrempel. Een toepassing die gebruik maakt van twee WDT's (Afbeelding 3) kan een zachte reset van de microcontroller inschakelen na 32 s inactiviteit en een power cycle van het systeem na 128 s inactiviteit.

Afbeelding 3: In deze configuratie activeert watchdog-timer 1 een zachte reset, terwijl watchdog-timer 2 een power cycle van het systeem initieert. (Bron afbeelding: Analog Devices, Inc.)

Eén optie voor het aansturen van een P-kanaals high-side schakelaar is het gebruik van een NPN bipolaire junctie transistor (BJT) als een inverter om een laag signaal van de watchdoguitgang, die de NPN-transistor uitschakelt, om te zetten in een hoog signaal dat de P-kanaals MOSFET uitschakelt via een pull-up weerstand. (Afbeelding 4). Wanneer het systeem actief is, is de watchdog-uitgang (WDO) hoog, waardoor het signaal via een weerstand naar de basis van de NPN-transistor wordt gestuurd, waardoor deze wordt ingeschakeld.

Afbeelding 4: Een NPN bipolaire junctietransistor (Q1) stuurt de P-kanaal MOSFET (Q2) aan. (Bron afbeelding: Analog Devices, Inc.)

Een weerstandsdeler aangesloten op de gate en source van de MOSFET regelt de V_GS. Wanneer de NPN-transistor is ingeschakeld, trekt deze de weerstandsdeler laag waardoor de gatespanning lager wordt dan de bronspanning, waardoor de P-kanaals MOSFET wordt ingeschakeld om het systeem van stroom te voorzien.

Als de microprocessor niet reageert of geen ingangspulsen stuurt binnen de vooraf gedefinieerde time-outperiode van de MAX16155-watchdog-timer, treedt een watchdog-time-outgebeurtenis op, waardoor de WDO-pin laag wordt. Deze actie trekt de basis van de NPN naar massa, waardoor deze wordt uitgeschakeld. Wanneer de NPN-transistor uit staat, is de spanning aan de gate en source van de P-kanaal MOSFET gelijk, waardoor de MOSFET wordt uitgeschakeld en de microprocessor geen stroom meer krijgt.

Zodra de WDO-uitgang van de watchdog-timer weer hoog wordt, hervat het systeem de normale werking. De microprocessor stuurt dan regelmatige pulsen naar de WDI-pin om verdere time-outs te voorkomen. De NPN-transistor wordt ingeschakeld, waardoor de high-side MOSFET aan blijft en de microprocessor continu van stroom wordt voorzien.

De lage kosten van bipolaire junctie transistoren is een ontwerpvoordeel voor P-kanaal high-side schakelaars, maar vereist een goede afstemming met behulp van extra externe componenten zoals weerstanden.

Stuurcircuit met een N-kanaal MOSFET

Het gebruik van een N-kanaal MOSFET om een high-side P-kanaal MOSFET aan te sturen heeft verschillende voordelen ten opzichte van een bipolaire transistor.

De N-kanaals MOSFET heeft een lage inschakelweerstand, wat het vermogensverlies vermindert en de efficiëntie verhoogt. Het schakelt ook snel, waardoor de reactietijden van het systeem verbeteren. Het heeft lagere schakelverliezen en kan werken bij hogere frequenties, waardoor hij ideaal is voor energiezuinige toepassingen zoals apparaten die op batterijen werken. Er worden ook minder hoge eisen gesteld aan de gatedrive dan bij een BJT, waardoor het aandrijfcircuit eenvoudiger is en het aantal componenten kleiner.

De watchdog-uitgang kan rechtstreeks de gate van de N-kanaals MOSFET aansturen. De pull-upspanning van de WDO moet overeenkomen met de gate drempelspanning (V_GS(th)) van de MOSFET om correct te werken. Wanneer het systeem actief is, schakelt een hoog WDO-signaal de N-kanaals MOSFET (Q1 in afbeelding 5) in, die vervolgens de P-kanaals MOSFET (Q2 in afbeelding 5) inschakelt en het systeem van stroom voorziet. Tijdens inactiviteit van het systeem schakelt een laag WDO-signaal Q1 uit, waardoor Q2 wordt uitgeschakeld en de voeding wordt onderbroken.

Afbeelding 5: Een N-kanaals MOSFET (Q1) die een P-kanaals MOSFET (Q2) aanstuurt. (Bron afbeelding: Analog Devices, Inc.)

Conclusie

Het gebruik van een N-kanaals of een P-kanaals MOSFET om een high-side schakelaar aan te sturen, zijn beide betrouwbare methoden voor het cyclisch schakelen van het systeem. De P-kanaal benadering met NPN bipolaire transistor en extra componenten biedt de goedkopere optie, terwijl de duurdere N-kanaal benadering beter is voor hoogfrequent schakelen. De ontwerpvoorkeuren van de ontwikkelaar en de vereisten van de toepassing bepalen de optimale aanpak.