Yläpuolen MOSFET-tulokytkinvaihtoehdot järjestelmän virran katkaisua ja uudelleenkytkentää varten

Virran kytkemisellä pois päältä ja jälleen päälle on tärkeä rooli keskeytymättömän toiminnan varmistamisessa elektroniikkasovelluksissa – erityisesti sellaisissa, joita käytetään etäisissä paikoissa ja jotka saavat virran akusta/paristosta. Virransyötön katkaiseminen ja uudelleenkytkeminen voi nollata järjestelmän, joka ei enää reagoi pitkään kestäneen odotuksen tai järjestelmän juuttumisen vuoksi. Yksi tehokas ja laajalti käytetty lähestymistapa virransyötön katkaisemiseen ja uudelleenkytkemiseen on käyttää valvontapiirin alhaalla aktiivista lähtöä yläpuolen MOSFET-tulokytkimen ohjaukseen.

Jännitemonitorit tai valvontapiirit voivat tarjota kaksi vaihtoehtoa logiikkatason lähdölle: alhaalla aktiivisen ja ylhäällä aktiivisen lähtösignaalin. Tämä pätee joko push-pull-lähtötopologiaan tai ylösvetovastusta käyttävään avoimen nielun lähtötopologiaan.

• Alhaalla aktiivinen, jolloin lähtö laskee alas, kun tuloehto täyttyy, ja nousee ylös, kun tuloehto ei täyty
• Ylhäällä aktiivinen, jolloin lähtö nousee ylös, kun tuloehto täyttyy, ja laskee alas, kun tuloehto ei täyty

Valvontapiirit valvovat järjestelmän aktiivisuutta seuraamalla jännitteensyöttöä tai käyttämällä ei-aktiivisuuden tunnistavia vahtiajastimia, tai molempia. Kun nämä suojatoiminnot havaitsevat ongelman, virtalähteen ja myötäsuunnassa olevan järjestelmän välinen polku avataan ja suljetaan kytkemällä virta pois päältä ja jälleen päälle, jolloin mikrokontrolleriyksikkö (MCU) käynnistyy uudelleen. Piirin yläpuolella olevaa tulokytkintä (kuva 1) käytetään ohjaamaan virtaa myötäsuunnassa olevaan elektroniikkajärjestelmään.

On kuitenkin tärkeää valita oikeat komponentit ja ratkaista mahdolliset haasteet, kuten lämmönmuodostus ja kytkentäkohina, jotka voivat johtua virran katkaisusta ja uudelleen päälle kytkemisestä.

Kuva 1: Sovelluspiiri, jossa käytetään yläpuolen kytkintä suojaamaan myötäsuunnassa olevaa elektroniikkajärjestelmää virheiltä jännitteenlaskun aikana. (Kuvan lähde: Analog Devices, Inc.)

On kuitenkin tärkeää valita oikeat komponentit ja ratkaista mahdolliset haasteet, kuten lämmönmuodostus ja kytkentäkohina, jotka voivat johtua virran katkaisusta ja uudelleen päälle kytkemisestä.

Yläpuolen virtakytkin

Virran katkaisua ja uudelleenkytkentää voidaan käyttää erilaisissa sovelluksissa parantamaan järjestelmän luotettavuutta ja minimoimaan potentiaalisia vaurioita, esimerkiksi langattomissa lähetinvastaanottimissa, lääketieteellisissä laitteissa, älykkäissä kodinkoneissa, virtalähteissä ja kuluttajaelektroniikassa.

MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) -transistoreja käytetään paljon virran katkaisussa ja uudelleenkytkennässä, koska niillä on alhainen johtamisresistanssi, korkea kytkentänopeus ja korkea tuloimpedanssi.

Valvontapiirin lähtö voi ohjata MOSFET-transistorin hilaa kytkemällä sen päälle tai pois päältä virran katkaisemiseksi ja uudelleenkytkemiseksi. Tämä menetelmä takaa järjestelmän optimaalisen luotettavuuden, koska se mahdollistaa järjestelmän nollauksen ja palauttamisen reagoimattomista tiloista.

Tämän lähestymistavan valitsevat kehittäjät voivat käyttää joko N- tai P-kanavan MOSFET-transistoreita. Monet suosivat P-kanavatyyppiä, koska sen päälle- ja poiskytkemiseen vaadittavat ehdot ja piirit ovat yksinkertaisempia kuin N-kanavan MOSFET-transistoreilla.

P-kanavatyypin MOSFET-transistorin hilajännitteen on oltava lähdejännitettä alhaisempi sen kytkemiseksi päälle, kun taas N-kanavatyypin MOSFETin hilajännitteen on oltava vastaavasti lähdejännitettä korkeampi.

Kun N-kanavan MOSFET-transistoria käytetään yläpuolen tulokytkimenä, alhainen hilajännite saa kytkimen aukeamaan ja katkaisemaan virransyötön. Vaikka N-kanavan MOSFET tarjoaa yleisesti paremman hyötysuhteen ja suorituskyvyn, tässä yhteydessä tarvitaan lisäpiiriä, kuten latauspumppua, positiivisen hila-lähdejännitteen (V_GS) tuottamiseksi, jotta voidaan varmistaa, että kytkin kytkee virtalähteen kokonaan takaisin päälle.

Tätä lisäpiiriä ei tarvita käytettäessä P-kanavan MOSFET-transistoria, joka voidaan kytkeä päälle negatiivisella jännitteellä (V_GS). Tämä yksinkertaistaa sovellusrakennetta, vaikkakin kompromissina on korkeampi johtamisresistanssi ja alhaisempi hyötysuhde.

P-kanavan yläpuolen kytkimen toteuttaminen

P-kanavan MOSFET-transistorin ohjaukseen käytettävän hila-lähdejännitteen täytyy olla vähintään hila-lähde-kynnysjännitteen (V_GS(th)) verran syöttöjännitettä alhaisempi, jotta virta voi kulkea lähteestä nieluun. Lisäksi on varmistettava, että nielun ja lähteen välinen jännite (V_DS) toimii määritellyissä rajoissa, jotta laite ei vaurioidu.

Kun P-kanavan MOSFETin hilaan kytketään valvontapiirin alhaalla aktiivinen lähtö, OUT-nasta vetää hilan alas, kun määritelty kynnysarvo ylittyy, ja aktivoi syöttöjännitteen ja kuorman välisen yhteyden. Kun jännite laskee kynnysarvon alapuolelle, OUT-nasta vedetään ylös ja P-kanavan MOSFET kytkeytyy pois päältä erottaen kuorman syöttöjännitteestä.

Kehittäjät voivat luoda erittäin tehokkaan ylijännitesuojapiirin liittämällä laitteen OUT-nastan suoraan P-kanavan MOSFET-transistorin hilaan. Tämä robusti lähestymistapa, jossa käytetään Analog Devices, Inc. -yrityksen MAX16052-tehonhallintamikropiiriin (kuva 2) liitettyä P-kanavan MOSFET-transistoria yläpuolen kytkimenä, varmistaa, että kuorma on kytketty syöttöjännitteeseen.

Kuva 2: P-kanavan MOSFET-transistoria käytetään yläpuolen kytkimenä ylijännitesuojaukseen. (Kuvan lähde: Analog Devices, Inc.)

Valvottavan jännitteen ja P-kanavan MOSFET-transistorin hilan välinen ulkoinen ylösvetovastus pitää hilan ylhäällä, kun avoimen nielun OUT-nasta on korkean impedanssin tilassa. OUT-nasta menee korkean impedanssin tilaan, kun valvottava jännite ylittää kynnysarvon, ja kytkee P-kanavan MOSFET-transistorin pois päältä ja erottaa kuorman syöttöjännitteestä. OUT-nasta puolestaan vetää hilanastan alas, kun valvottava jännite laskee kynnysarvon alapuolelle.

MAX16052-tehonhallintamikropiiri muodostaa yhdessä ADI:n MAX16053-mallin kanssa sarjan pieniä, vähävirtaisia, korkeajännitteisiä valvontapiirejä sekvensointiominaisuuksilla. Molemmat ovat saatavilla kompaktissa 6-nastaisessa SOT23-kotelossa. MAX16052 tarjoaa ylhäällä aktiivisen avoimen nielun lähdön, kun taas MAX16053 ylhäällä aktiivisen push-pull-lähdön. Molemmat tarjoavat säädettävää jännitevalvontaa tuloille 0,5 volttiin saakka. Ne suorittavat jännitevalvonnan käyttämällä korkeaimpedanssista tuloa (IN) sisäisellä kiinteällä kynnysarvolla 0,5 V.

Vahtiajastimen käyttäminen

Vahtiajastimet (WDT) voivat parantaa valvontapiirien suojausominaisuuksia tapauksissa, joissa lähtösignaali on alhaalla, kun valvottava ehto täyttyy. Näissä tilanteissa vahtiajastin voi tunnistaa, ettei pulssia tai siirtymää ole tapahtunut tietyn ajan sisällä, jota kutsutaan vahtiajastimen katkaisuajaksi (t_WD), ja aktivoida mikrokontrollerin nollauksen tai käynnistää virran katkaisun ja uudelleenkytkennän.

ADI:n vahtiajastimella varustettu nanoPower-valvontalaite MAX16155 käynnistää nollauslähdön, kun positiivinen syöttöjännite (V_CC) ylittää vähimmäiskäyttöjännitteen, vaikka se olisi nollauskynnyksen alapuolella. Kahta vahtiajastinta (kuva 3) käyttävä sovellus voi aktivoida mikrokontrollerin pehmeän nollauksen 32 sekunnin ei-aktiivisuuden jälkeen ja järjestelmän virran katkaisun ja uudelleenkytkennän 128 sekunnin ei-aktiivisuuden jälkeen.

Kuva 3: Tässä konfiguraatiossa vahtiajastin 1 aktivoisi pehmeän nollauksen ja vahtiajastin 2 käynnistäisi järjestelmän virran katkaisun ja uudelleenkytkennän. (Kuvan lähde: Analog Devices, Inc.)

Yksi vaihtoehto P-kanavan yläpuolen kytkimen ohjaamiseen on käyttää NPN-bipolaaritransistoria (BJT) invertterinä muuntamaan vahtilähdöstä tuleva NPN-transistorin pois päältä kytkevä matala signaali korkeaksi signaaliksi, joka kytkee P-kanavan MOSFET-transistorin pois päältä ylävetovastuksen kautta. (Kuva 4). Kun järjestelmä on aktiivinen, vahtilähtö (WDO) on ylhäällä ja lähettää signaalinsa vastuksen kautta NPN-transistorin kantaan kytkien sen päälle.

Kuva 4: NPN-bipolaaritransistori (Q1) ohjaa P-kanavan MOSFET-transistoria (Q2). (Kuvan lähde: Analog Devices, Inc.)

MOSFETin hilaan ja lähteeseen liitetty vastusjakaja ohjaa V_GS-jännitettä. Kun NPN-transistori on kytkettynä päälle, se vetää vastusjakajan alas laskien hilajännitteen lähdejännitteen alapuolelle, jolloin P-kanavan MOSFET kytkeytyy päälle syöttämään virtaa järjestelmään.

Jos mikroprosessori ei vastaa tai ei lähetä tulopulsseja MAX16155-vahtiajastimelle määritellyn aikakatkaisujakson sisällä, tapahtuu vahtiaikakatkaisu, jolloin WDO-nasta vedetään alas. Tämä toiminto vetää NPN-kannan maahan ja kytkee sen pois päältä. Kun NPN-transistori on pois päältä, P-kanavan MOSFET-transistorin hilan ja lähteen jännite on sama, mikä kytkee sen pois päältä ja katkaisee mikroprosessorin virran.

Kun vahtiajastimen WDO-lähtö palaa ylös, järjestelmä palaa normaaliin toimintaan. Tämän jälkeen mikroprosessori lähettää säännöllisiä pulsseja WDI-nastaan estäen uudet aikakatkaisut. NPN-transistori kytkeytyy päälle ja pitää yläpuolen MOSFET-transistorin kytkettynä päälle ja takaa mikroprosessorin jatkuvan virransaannin.

Bipolaaritransistorien edullisuus tarjoaa suunnitteluedun P-kanavan yläpuolen kytkimille, mutta ne vaativat tarvittavaa hienosäätöä ulkoisten lisäkomponenttien, kuten vastusten, avulla.

Ohjauspiiri N-kanavan MOSFET-transistorilla

N-kanavan MOSFET-transistorin käyttö yläpuolen P-kanavan MOSFET-transistorin ohjaukseen tarjoaa useita etuja bipolaaritransistoriin nähden.

N-kanavan MOSFET-transistorilla on alhainen johtamisresistanssi, mikä vähentää tehohäviöitä ja parantaa hyötysuhdetta. Lisäksi se kytkeytyy nopeasti parantaen järjestelmän vasteaikoja. Sen kytkentähäviöt ovat alhaisemmat ja se voi toimia korkeammilla taajuuksilla, mikä tekee siitä ihanteellisen energiatehokkaisiin sovelluksiin, kuten akku- ja paristokäyttöisiin laitteisiin. Myös sen hilaohjausvaatimukset ovat vähemmän vaativia kuin bipolaaritransistoreilla, mikä yksinkertaistaa ohjauspiiriä ja vähentää komponenttien määrää.

Vahtilähtö voi ohjata suoraan N-kanavan MOSFET-transistorin hilaa. Vahtilähdön ylösvetojännitteen täytyy vastata MOSFET-transistorin hilan kynnysjännitettä (V_GS(th)), jotta se toimisi oikein. Kun järjestelmä on aktiivinen, vahtilähdön korkea signaali kytkee päälle N-kanavan MOSFET-transistorin (Q1 kuvassa 5), joka puolestaan kytkee päälle P-kanavan MOSFET-transistorin (Q2 kuvassa 5) ja syöttää näin virtaa järjestelmään. Kun järjestelmä on ei-aktiivisena, vahtilähdön matala signaali kytkee pois päältä Q1-transistorin, joka kytkee pois päältä Q2-transistorin ja katkaisee virransyötön.

Kuva 5: N-kanavan MOSFET (Q1) ohjaa P-kanavan MOSFET-transistoria (Q2). (Kuvan lähde: Analog Devices, Inc.)

Yhteenveto

Sekä N-kanavan että P-kanavan MOSFET-transistorin käyttö yläpuolen kytkimen ohjaamiseen ovat kumpikin luotettavia menetelmiä järjestelmän virran katkaisuun ja uudelleenkytkentään. P-kanavatyyppi tarjoaa NPN-bipolaaritransistorin ja lisäkomponenttien kanssa edullisemman vaihtoehdon, kun taas kalliimpi N-kanavatyyppi on parempi korkeataajuiseen kytkentään. Kehittäjän suunnittelumieltymykset ja sovellusvaatimukset määräävät optimaalisen lähestymistavan.