Alternativ för switchning av inspänning med MOSFET på primärsidan för att slå på och av system

Att slå på och av strömmen spelar en avgörande roll för att garantera oavbruten drift i elektroniska tillämpningar, särskilt sådana som används i avlägsna områden och drivs med batterier. Genom att koppla från och återansluta strömförsörjningen kan du återställa ett system som inte längre svarar på grund av ihållande inaktivitet eller att systemet stannat. En effektiv och allmänt använd metod för att slå på och av strömmen är att använda den aktivt låga utgången från en övervakningskrets för att driva en MOSFET-switch på primärsidan.

Spänningsvakter eller övervakningskretsar kan tillhandahålla två alternativ för sin logiska utgångsnivå: en aktiv låg och en aktiv hög utgångssignal. Detta gäller antingen i en push-pull topologi för utgången eller en open-drain topologi för utgången med en pull-up-resistor.

• Aktivt låg, då utgången blir låg när ingångens villkor är uppfyllt och blir hög när ingångens villkor inte är uppfyllt
• Aktivt hög, då utgången blir hög när ingångens villkor är uppfyllt och blir låg när ingångens villkor inte är uppfyllt

Övervakningskretsar övervakar systemets aktivitet genom att spåra spänningen eller använda övervakningstimers för att upptäcka inaktivitet, eller bådadera. När skyddsåtgärderna upptäcker ett problem öppnas och stängs vägen mellan strömförsörjningen och ett nedströms system, vilket medför att microcontrollern (MCU) inleder en återställningsprocess. En inspänningsbrytare på kretsens primärsida (fig. 1) används för att styra strömmen till det elektroniska systemet nedströms.

Det är dock viktigt att välja rätt komponenter och hantera potentiella utmaningar som värmeutveckling och switchningsbrus som kan uppstå till följd av att strömmen slås av och på.

Figur 1: En tillämpningskrets som använder en brytare på primärsidan för att skydda ett elektroniskt system nedströms från fel vid strömavbrott. (Bildkälla: Analog Devices, Inc.)

Det är dock viktigt att välja rätt komponenter och hantera potentiella utmaningar som värmeutveckling och switchningsbrus som kan uppstå till följd av att strömmen slås av och på.

Strömbrytare på primärsida

Att slå av och på strömmen kan användas i olika tillämpningar för att förbättra systemets tillförlitlighet och minska risken för skador, bland annat i trådlösa transceivers, medicintekniska produkter, smarta hem, nätaggregat och konsumentelektronik.

MOSFET-transistorer (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors) används ofta i effektkretsar eftersom de har låg tillslagsresistans, hög switchningshastighet och hög ingångsimpedans.

Utspänningen från övervakningskretsen kan styra MOSFET-grinden och effektivt slå på eller av den för att slå på eller av strömmen. Metoden garanterar optimal systemtillförlitlighet genom att låta systemet återställa och återhämta sig från tillstånd utan svar.

Utvecklare som använder den här metoden kan välja mellan N-kanals- eller P-kanals-MOSFET:ar, men många föredrar MOSFET:ar med P-kanal eftersom de förhållanden och kretsar som krävs för att slå på och av dem är mindre komplicerade än med MOSFET:ar med N-kanal.

För en MOSFET med P-kanal måste grindspänningen vara lägre än källspänningen för att den ska slås på, medan grindspänningen för en MOSFET med N-kanal måste vara högre än källspänningen för att den ska slås på.

När en MOSFET med N-kanal används som en inspänningsswitch på primärsidan gör en låg grindspänning att switchen öppnas och strömförsörjningen kopplas från. MOSFET:ar med N-kanal har i allmänhet bättre effektivitet och prestanda, men i det här sammanhanget krävs ytterligare kretsar, t.ex. en laddningspump, för att generera en positiv gate-source-spänning (V_GS) som garanterar att switchen återansluter strömförsörjningen helt.

Denna extra krets behövs inte när man använder en MOSFET med P-kanal, som kan slås på med negativ V_GS, vilket förenklar tillämpningskonstruktionen, även om kompromissen är högre på-resistans och lägre verkningsgrad.

Implementering av en primär switch med P-kanal

Med P-kanalmetoden måste gate-source-spänningen för styrning av MOSFET:en vara lägre än matningsspänningen med minst gate-source-tröskelspänningen V_GS(th) för att en ström ska kunna flyta från source till drain. Dessutom måste man se till att spänningen mellan drain och source (V_DS) ligger inom de specificerade gränserna så att enheten inte skadas.

När en utgången på en aktivt låg övervakningskret är ansluten till grinden på en MOSFET med P-kanal, drar OUT-stiftet grinden låg när det angivna gränsvärdet överskrids, vilket aktiverar anslutningen från matningsspänningen till lasten. När spänningen faller under gränsvärdet blir OUT-stiftet högt och MOSFET:en med P-kanal stängs av, varvid lasten kopplas bort från strömförsörjningen.

Utvecklare kan skapa en mycket effektiv krets för överspänningsskydd genom att ansluta enhetens OUT-stift till grinden på MOSFET:en med P-kanal direkt. Denna robusta metod, som använder en MOSFET med P-kanal som switch på primärsidan ansluten till strömhanteringskretsen MAX16052 från Analog Devices, Inc, (figur 2), garanterar att lasten är ansluten till matningsspänningen.

Figur 2: En MOSFET med P-kanal används som en switch på primärsidan för överspänningsskydd (Bildkälla: Analog Devices, Inc.)

En extern pull-up-resistor mellan den övervakade spänningen och grinden på MOSFET:en med P-kanal håller grinden hög när OUT-stiftet med open-drain är i ett högimpedansläge. OUT-stiftet övergår till ett högimpedansläge när den övervakade spänningen överskrider gränsvärdet, vilket stänger av MOSFET:en med P-kanal, och kopplar bort lasten från matningsspänningen. Omvänt drar OUT-stiftet grind-stiftet lågt när den övervakade spänningen faller under gränsvärdet.

MAX16052, består, tillsammans med MAX16053 från ADI, av en serie små, övervakningskretsar för hög spänning med låg strömförbrukning och sekvenseringsfunktion, där båda finns tillgängliga i en kompakt SOT23-kapsling med sex stift. MAX16052 har en aktivt hög open-drain utgång, medan MAX16053 har en aktivt hög push-pull utgång. Båda har justerbar spänningsövervakning för inspänning ned till 0,5 V och utför spänningsövervakning med hjälp av en högimpedansingång (IN) med ett internt fastställt gränsvärde på 0,5 V.

Användning av en övervakningstimer

Övervakningstimers kan förbättra skyddskapaciteten hos övervakningskretsar i fall där utsignalen är låg när det övervakade villkoret är uppfyllt. Under sådana omständigheter kan en övervakningstimer upptäcka avsaknaden av en puls eller övergång under en viss tid, kallad övervakningstimeout (t_WD), och aktivera en återställning av microcontrollern eller se till att strömmen slås av och på.

Övervakningskretsen MAX16155 nanoPower med övervakningstimer initialiserar en återställningsutgång när den positiva matningsspänningen (V_CC) överskrider den lägsta driftspänningen, även om den är lägre än gränsvärdet för återställning. En tillämpning som använder två övervakningstimers (figur 3) kan aktivera en mjuk återställning av microcontrollern efter 32 sekunders inaktivitet och slå av och på strömmen till systemet efter 128 sekunders inaktivitet.

Figur 3: I den här konfigurationen skulle övervakningstimer 1 aktivera en mjuk återställning medan övervakningstimer 2 skulle slå av och på strömmen till systemet. (Bildkälla: Analog Devices, Inc.)

Ett alternativ för att driva en switch med P-kanal på primärsidan är att använda en BJT-transistor som en inverterare för att omvandla en låg signal på övervakningstimerns utgång, för att stänga av NPN-transistorn, till en hög signal som stänger av MOSFET:en med P-kanal via en pull-up-resistor. (figur 4). När systemet är aktivt är övervakningstimerns utgång (WDO) hög och skickar sin signal genom en resistor till NPN-transistorns bas, vilket får den att slå på.

Figur 4: En NPN-transistor med bipolär koppling (Q1) driver MOSFET:en med P-kansl (Q2). (Bildkälla: Analog Devices, Inc.)

Ett resistornät anslutet till MOSFET:ens gate och source, styr V_GS. När NPN-transistorn är på sänker den resistornätet så att gate-spänningen blir lägre än source-spänningen, vilket medför att MOSFET:en med P-kanal slås på för att strömförsörja systemet.

Om mikroprocessorn inte svarar eller inte skickar inmatningspulser inom den fördefinierade timeout-perioden för övervakningsenheten MAX16155, inträffar en timeout-händelse i övervakningstimern, vilket gör att WDO-stiftet blir lågt. Åtgärden sänker basen på NPN till jord, vilket stänger av den. När NPN-transistorn är avstängd är spänningen vid gate och source på MOSFET:en med P-kanal densamma, vilket stänger av MOSFET:en och bryter strömmen till mikroprocessorn.

När övervakningstimerns WDO-utgång återgår till hög nivå, återgår systemet till normal drift. Mikroprocessorn skickar sedan regelbundna pulser till WDI-stiftet, för att förhindra ytterligare timeouter. NPN-transistorn slås på, vilket håller MOSFET:en på primärsidan påslagen och garanterar en kontinuerlig strömförsörjning till mikroprocessorn.

Den låga kostnaden för bipolära övergångstransistorer är en konstruktionsfördel för switchar med P-kanal på primärsidan, men kräver korrekt justering med hjälp av ytterligare kringkomponenter som t.ex. resistorer.

Drivkrets som använder en MOSFET med N-kanal

Att använda en MOSFET med N-kanal för att styra en MOSFET med P-kanal på primärsidan, har flera fördelar jämfört med en bipolär transistor.

MOSFET:en med N-kanal har låg på-resistans, vilket minskar effektförlusterna och ökar verkningsgraden. Den växlar även snabbt, vilket förbättrar systemets svarstider. Den har lägre switchningsförluster och kan arbeta vid högre frekvenser, vilket gör den perfekt i energieffektiva tillämpningar som t.ex. batteridrivna enheter. Dessutom är kraven på gate-drivning lägre än för en BJT, vilket förenklar drivkretsen och minskar antalet komponenter.

Utgången på övervakningstimern kan styra grinden på MOSFET:en med N-kanal direkt. Övervakningstimerns pull-up-spänning måste motsvara gränsvärdet för MOSFET:ens gate-spänning (V_GS(th)) för att fungera korrekt. När systemet är aktivt slår en hög signal från övervakningstimern på MOSFET:en med N-kanal (Q1 i figur 5), som sedan slår på MOSFET:en med P-kanal (Q2 i figur 5), vilket strömförsörjer systemet. När systemet är inaktivt stänger en låg siglan från övervakningstimern av Q1, som i sin tur stänger av Q2 och slår av strömförsörjningen.

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

Sammanfattning

Att använda en MOSFET med N- eller P-kanal för att driva en switch på primärsidan är två tillförlitliga metoder för att slå av och på systemet. P-kanalmetoden med en bipolär NPN-transistor och ytterligare komponenter är det billigare alternativet, medan den dyrare metoden med N-kanal är bättre för högfrekvent switchning. Utvecklarens konstruktionspreferenser och tillämpningens krav avgör vilket tillvägagångssätt som är optimalt.