Opcje przełączników wejściowych strony wysokiej MOSFET do wyłączania i ponownego włączania zasilania systemu

Monitory napięcia lub obwody nadzorujące mogą oferować dwie opcje logicznego poziomu wyjściowego: sygnał wyjściowy aktywny w stanie niskim oraz sygnał wyjściowy aktywny w stanie wysokim. Dotyczy to zarówno topologii wyjścia komplementarnego, jak i topologii wyjścia o otwartym drenie z rezystorem podciągającym.

• Jeśli wyjście jest aktywne w stanie niskim, oznacza to, że gdy warunek wejściowy jest spełniony, przechodzi w stan niski, a gdy warunek wejściowy nie jest spełniony, przechodzi w stan wysoki
• Jeśli natomiast wyjście jest aktywne w stanie wysokim, oznacza to, że gdy warunek wejściowy jest spełniony, przechodzi w stan wysoki, a gdy warunek wejściowy nie jest spełniony, przechodzi w stan niski

Obwody nadzorujące monitorują aktywność systemu, śledząc napięcie zasilania lub wykorzystując układy czasowe nadzorujące w celu wykrycia braku aktywności. Gdy te zabezpieczenia wykryją problem, procedura wyłączenia i ponownego włączenia zasilania otwiera, a następnie zamyka drogę pomiędzy zasilaczem i dalszym układem, powodując rozpoczęcie procesu resetowania mikrokontrolera MCU. Przełącznik wejściowy po stronie wysokiej obwodu (ilustracja 1) służy do sterowania zasilaniem dalszej części układu elektronicznego.

Kluczowy jest jednak dobór odpowiednich komponentów i sprostanie potencjalnym wyzwaniom, takim jak wytwarzanie ciepła i szumy przełączania, które mogą wynikać z procesu wyłączania i ponownego włączania zasilania.

Ilustracja 1: obwód rozwiązania wykorzystujący przełącznik strony wysokiej do ochrony układu elektronicznego za urządzeniem przed błędami występującymi w warunkach spadku napięcia. (Źródło ilustracji: Analog Devices, Inc.)

Kluczowy jest jednak dobór odpowiednich komponentów i sprostanie potencjalnym wyzwaniom, takim jak wytwarzanie ciepła i szumy przełączania, które mogą wynikać z procesu wyłączania i ponownego włączania zasilania.

Przełącznik zasilania strony wysokiej

Wyłączanie i ponowne włączanie zasilania może być wykorzystywane w różnych zastosowaniach w celu poprawy niezawodności systemu i zminimalizowania potencjalnych szkód, np. w nadajniko-odbiornikach bezprzewodowych, urządzeniach medycznych, urządzeniach domów inteligentnych, zasilaczach i elektronice użytkowej.

W wyłączaniu i ponownym włączaniu zasilania szeroko stosowane są tranzystory polowe typu metal-tlenek-półprzewodnik (MOSFET) ze względu na niską rezystancję w stanie włączenia, wysoką szybkość przełączania i wysoką impedancję wejściową.

Sygnał wyjściowy z obwodu nadzorującego może sterować bramką tranzystora MOSFET, włączając go lub wyłączając w celu wyłączenia i ponownego włączenia zasilania. Metoda ta zapewnia optymalną niezawodność systemu, umożliwiając jego zresetowanie i odzyskanie sprawności w stanach braku odpowiedzi.

Deweloperzy stosujący to podejście mają możliwość użycia tranzystorów MOSFET z kanałem N lub P, ale wielu preferuje użycie kanału P, ponieważ warunki i obwody potrzebne do ich włączania i wyłączania są mniej skomplikowane niż w przypadku tranzystorów MOSFET z kanałem N.

Aby włączyć tranzystor MOSFET z kanałem P, napięcie bramki musi być niższe od napięcia źródła, natomiast w przypadku tranzystora MOSFET z kanałem N napięcie bramki musi być wyższe od napięcia źródła.

Gdy tranzystor MOSFET z kanałem N jest używany jako przełącznik wejściowy strony wysokiej, niskie napięcie bramki powoduje otwarcie przełącznika i odłączenie zasilania. Tranzystory MOSFET z kanałem N generalnie oferują lepszą sprawność i parametry działania, jednak w tym kontekście do wygenerowania dodatniego napięcia bramka-źródło (VGS) wymagany jest dodatkowy obwód, taki jak pompa ładunku, co ma zapewnić pełne przywrócenie zasilania przełącznika.

W przypadku użycia tranzystora MOSFET z kanałem P, który można włączać przy ujemnym napięciu VGS, nie ma konieczności stosowania dodatkowych obwodów, co upraszcza projektowanie rozwiązań, jednak kompromis polega na wyższej rezystancji w stanie włączenia i niższej sprawności.

Wdrażanie przełącznika strony wysokiej z kanałem P

W przypadku podejścia opartego na kanale P, napięcie bramka-źródło do sterowania tranzystorem MOSFET musi być niższe od napięcia zasilania o co najmniej napięcie progowe bramka-źródło VGS(th), aby umożliwić przepływ prądu ze źródła do drenu. Inną kwestią jest zapewnienie, że napięcie między drenem a źródłem (VDS) oscyluje w określonych granicach, aby zapobiec uszkodzeniu urządzenia.

Gdy aktywne w stanie niskim wyjście obwodu nadzorującego zostanie podłączone do bramki tranzystora MOSFET z kanałem P, wtyk OUT ustawia dla bramki stan niski po przekroczeniu określonej wartości progowej, tworząc połączenie między napięciem zasilania a obciążeniem. Gdy napięcie spadnie poniżej wartości progowej, wtyk OUT przechodzi w stan wysoki, a tranzystor MOSFET z kanałem P jest wyłączany, odłączając obciążenie od zasilania.

Deweloperzy mogą stworzyć wysoce skuteczny obwód zabezpieczenia nadnapięciowego, łącząc wtyk OUT urządzenia bezpośrednio z bramką tranzystora MOSFET z kanałem P. To niezawodne podejście wykorzystujące tranzystor MOSFET z kanałem P w charakterze przełącznika strony wysokiej podłączonego do układu scalonego zarządzania zasilaniem MAX16052 firmy Analog Devices Inc. (ilustracja 2) zapewnia, że obciążenie jest podłączone do napięcia zasilania.

Ilustracja 2: tranzystor MOSFET z kanałem P używany jako przełącznik strony wysokiej w celu zapewnienia zabezpieczenia nadnapięciowego. (Źródło ilustracji: Analog Devices, Inc.)

Zewnętrzny rezystor podciągający umieszczony pomiędzy monitorowanym napięciem a bramką tranzystora MOSFET z kanałem P utrzymuje stan wysoki bramki, gdy wtyk otwartodrenowy OUT jest w stanie wysokiej impedancji. Wtyk OUT przechodzi w stan wysokiej impedancji, gdy monitorowane napięcie przekracza wartość progową, wyłączając tranzystor MOSFET z kanałem P i odłączając obciążenie od napięcia zasilania. I odwrotnie, wtyk OUT ustawia stan niski na wtyku bramki, gdy monitorowane napięcie spadnie poniżej wartości progowej.

Urządzenia MAX16052 oraz MAX16053 firmy ADI stanowią linię niewielkich obwodów niskiej mocy do monitorowania wysokiego napięcia z funkcjami sekwencjonowania, dostępnych w kompaktowej 6-wtykowej obudowie SOT23. Urządzenie MAX16052 posiada aktywne w stanie wysokim wyjście otwartodrenowe, natomiast MAX16053 oferuje aktywne w stanie wysokim wyjście komplementarne. Oba zapewniają nastawne monitorowanie napięcia na wejściach do zaledwie 0,5V i monitorowanie napięcia przy użyciu wejścia wysokoimpedancyjnego (IN) z ustaloną wewnętrznie wartością progową 0,5V.

Wykorzystanie czasowego układu nadzorującego

Czasowe układy nadzorujące (WDT) mogą zwiększyć możliwości ochrony obwodów nadzorujących w przypadkach, gdy sygnał wyjściowy jest niski, gdy spełniony jest monitorowany warunek. W takich okolicznościach czasowy układ nadzorujący może wykrywać brak impulsu lub przejścia przez pewien czas, zwany limitem czasowym czasowego układu nadzorującego (tWD) i aktywować resetowanie mikrokontrolera lub inicjować cykl wyłączania i ponownego włączania zasilania.

Układ nadzorujący nanoPower MAX16155 firmy ADI z czasowym układem nadzorującym inicjuje sygnał wyjściowy resetowania, gdy dodatnie napięcie zasilania (VCC) przekracza minimalne napięcie robocze, mimo że jest niższe od wartości progowej resetowania. Rozwiązanie wykorzystujące dwa czasowe układy nadzorujące (WDT) (ilustracja 3) umożliwia płynne resetowanie mikrokontrolera po upływie 32s braku aktywności oraz wyłączenie i ponowne włączenie zasilania systemu po upływie 128s braku aktywności.

Ilustracja 3: w tej konfiguracji czasowy układ nadzorujący 1 aktywuje miękkie resetowanie, podczas gdy czasowy układ nadzorujący 2 inicjuje cykl wyłączenia i ponownego włączenia zasilania. (Źródło ilustracji: Analog Devices, Inc.)

Jedną z opcji sterowania przełącznikiem strony wysokiej z kanałem P jest użycie bipolarnego złączowego tranzystora NPN (BJT) jako elementu odwracającego niski sygnał z wyjścia układu nadzorującego, które wyłącza tranzystor NPN, na sygnał wysoki, który wyłącza tranzystor MOSFET z kanałem P za pośrednictwem rezystora podciągającego. (Ilustracja 4). Gdy system jest aktywny, wyjście układu nadzorującego (WDO) znajduje się w stanie wysokim, wysyłając sygnał przez rezystor do bazy tranzystora NPN i włączając go.

Ilustracja 4: bipolarny tranzystor złączowy NPN (Q1) steruje tranzystorem MOSFET z kanałem P (Q2). (Źródło ilustracji: Analog Devices, Inc.)

Dzielnik rezystorowy podłączony do bramki i źródła tranzystora MOSFET steruje napięciem VGS. Gdy tranzystor NPN jest włączony, ustawia dzielnik rezystorowy w stan niski, dzięki czemu napięcie bramki jest niższe niż napięcie źródła, co włącza tranzystor MOSFET z kanałem P w celu zapewnienia zasilania układu.

Jeśli mikroprocesor przestanie odpowiadać lub nie wyśle impulsów wejściowych w ciągu limitu czasowego wstępnie zdefiniowanego dla układu czasowego układu nadzorującego MAX16155, wystąpi zdarzenie upływu limitu czasu układu nadzorującego, powodując przejście wtyku wyjścia układu nadzorującego (WDO) w stan niski. Działanie takie ściąga bazę tranzystora NPN do masy, wyłączając go. Gdy tranzystor NPN jest wyłączony, napięcie na bramce i źródle tranzystora MOSFET z kanałem P jest takie samo, co powoduje wyłączenie tranzystora MOSFET i odcięcie zasilania mikroprocesora.

Po powrocie stanu wysokiego na wyjściu układu nadzorującego (WDO) wznawiane jest normalne działanie systemu. Mikroprocesor wysyła następnie regularne impulsy do wtyku wejścia układu nadzorującego (WDI), zapobiegając dalszemu przekroczeniu limitu czasowego. Tranzystor NPN włącza się, utrzymując tranzystor MOSFET strony wysokiej w stanie włączenia i zapewniając ciągłość zasilania mikroprocesora.

Niski koszt bipolarnych tranzystorów złączowych jest zaletą konstrukcyjną przełączników strony wysokiej z kanałem P, ale wymaga odpowiedniego dostrojenia za pomocą dodatkowych komponentów zewnętrznych, takich jak rezystory.

Sterowanie obwodem z wykorzystaniem tranzystora MOSFET z kanałem N

Użycie tranzystora MOSFET z kanałem N do sterowania tranzystorem MOSFET strony wysokiej z kanałem P ma kilka zalet w porównaniu z użyciem tranzystorów bipolarnych.

Tranzystory MOSFET z kanałem N charakteryzują się niską rezystancją w stanie włączenia, co zmniejsza straty mocy i podnosi sprawność. Zapewnia to również szybkie włączanie, skracając czas reakcji systemu. Takie rozwiązanie charakteryzuje się niższymi stratami przełączania i może pracować przy wyższych częstotliwościach, dzięki czemu idealnie sprawdza się w takich zastosowaniach energooszczędnych jak urządzenia z zasilaniem bateryjnym. Ponadto wymagania dotyczące sterowania bramkami są mniej rygorystyczne niż w przypadku bipolarnego tranzystora złączowego (BJT), co upraszcza obwody sterujące i zmniejsza liczbę komponentów.

Wyjście układu nadzorującego może bezpośrednio sterować bramką tranzystora MOSFET z kanałem N. Prawidłowe działanie wymaga, aby napięcie podciągające wyjścia układu nadzorującego (WDO) odpowiadało napięciu progowemu bramki tranzystora MOSFET (VGS(th)). Gdy system jest aktywny, wysoki sygnał wyjścia układu nadzorującego (WDO) powoduje włączenie tranzystora MOSFET z kanałem N (Q1 na ilustracji 5), co z kolei powoduje włączenie tranzystora MOSFET z kanałem P (Q2 na ilustracji 5), zasilającego system. Podczas braku aktywności systemu niski sygnał wyjścia układu nadzorującego (WDO) powoduje wyłączenie tranzystora Q1, co powoduje wyłączenie tranzystora Q2 i odcięcie zasilania.

Ilustracja 5: tranzystor MOSFET z kanałem N (Q1) sterujący tranzystorem MOSFET z kanałem P (Q2). (Źródło ilustracji: Analog Devices, Inc.)

Podsumowanie

Użycie tranzystorów MOSFET z kanałem N lub P do sterowania przełącznikiem strony wysokiej to niezawodne metody realizacji wyłączania i ponownego włączania zasilania systemu. Podejście wykorzystujące tranzystor z kanałem P i tranzystor bipolarny NPN z dodatkowymi komponentami stanowi tańszą opcję, podczas gdy droższe podejście z tranzystorem z kanałem N lepiej sprawdza się w przypadku przełączania z wysoką częstotliwością. Optymalne podejście będzie zależeć od preferencji projektowych dewelopera i wymagań konkretnego zastosowania.

Źródło: Opcje przełączników wejściowych strony wysokiej MOSFET do wyłączania i ponownego włączania zasilania systemu

Kontakt w Polsce: poland.support@digikey.pl

Autor: Rolf Horn

Rolf Horn, Applications Engineer at DigiKey, has been in the European Technical Support group since 2014 with primary responsibility for answering any Development and Engineering related questions from final customers in EMEA, as well as writing and proof-reading German articles and blogs on DK’s TechForum and maker.io platforms. Prior to DigiKey, he worked at several manufacturers in the semiconductor area with focus on embedded FPGA, Microcontroller and Processor systems for Industrial and Automotive Applications. Rolf holds a degree in electrical and electronics engineering from the university of applied sciences in Munich, Bavaria and started his professional career at a local Electronics Products Distributor as System-Solutions Architect to share his steadily growing knowledge and expertise as Trusted Advisor.

Hobbies: spending time with family + friends, travelling in our VW-California transporter and motorbiking on a 1988 BMW GS 100.

Zapraszamy na TEK.day Wrocław, 6 marca 2025. Zapisz się tutaj!