Lehetőségek magasoldali MOSFET bemeneti kapcsolók használatára a rendszer ki-be kapcsolási ciklusainak végrehajtásához

A ki-be kapcsolási ciklusok kulcsfontosságú szerepet játszanak az elektronikus berendezések zavartalan működésének biztosításában, különösen a távoli területekre telepített és az akkumulátorról működő készülékek esetében. Az áramellátás ki-, majd bekapcsolásával esetenként helyreállíthatók a hosszan tartó tétlenség vagy rendszerleállás miatt semmire nem reagáló rendszerek. A ki-be kapcsolási ciklusok egyik hatékony és széles körben használt módja, hogy egy magasoldali MOSFET bemeneti kapcsolót vezérlünk a figyelőáramkör működéskor alacsony szintű kimenőjelével.

A feszültségfigyelők vagy figyelőáramkörök kimenőjelének logikai szintje kétféle lehet: működéskor alacsony szintű vagy működéskor magas szintű. Ez érvényes az ellenütemű kimenetű és a felhúzó ellenállásos nyitott nyelőjű kimenetű áramkörre is.

• A működéskor alacsony szint az, amikor a kimenőjel alacsony szintre vált, ha a bemeneti feltétel teljesül, és magas szintre, ha a bemeneti feltétel nem teljesül.
• A működéskor magas szint az, amikor a kimenőjel magas szintre vált, ha a bemeneti feltétel teljesül, és alacsony szintre, ha a bemeneti feltétel nem teljesül.

A figyelőáramkörök a rendszer aktivitását figyelik a feszültségellátás nyomon követésével, vagy a tétlenségét észlelik „felügyeletidőzítőkkel” (watchdog), vagy mindkettőt végzik. Amikor ezek a védelmi eszközök problémát észlelnek, a ki-be kapcsolási ciklus megszakítja, majd újra zárja a tápegység és a rendszer utána következő része közötti útvonalat, és a mikrovezérlő (MCU, microcontroller unit) egy újraindítási folyamatot kezdeményez. Az áramkör magasoldalán egy bemeneti kapcsoló (1. ábra) vezérli az elektronikus rendszer tápegység utáni részének áramellátását.

Létfontosságú azonban a megfelelő alkatrészek kiválasztása és a ki-be kapcsolási ciklus folyamatából adódó olyan lehetséges problémák kezelése, mint a hőtermelés és a kapcsolási zaj.

1. ábra: Az utána következő elektronikus rendszer feszültségesés esetén bekövetkező hibáktól való védelmére magasoldali kapcsolót használó áramkör (ábra: Analog Devices, Inc.)

Létfontosságú azonban a megfelelő alkatrészek kiválasztása és a ki-be kapcsolási ciklus folyamatából adódó olyan lehetséges problémák kezelése, mint a hőtermelés és a kapcsolási zaj.

Magasoldali tápkapcsoló

A ki-be kapcsolási ciklus több felhasználási területen használható a rendszer megbízhatóságának javítására és a lehetséges károk enyhítésére, beleértve a vezeték nélküli adó-vevőket, a gyógyászati eszközöket, az okosotthonokba szánt eszközöket, a tápegységeket és a szórakoztatóelektronikát.

A MOSFET-eket (metal oxide semiconductor field-effect transistor, fém-oxid-záróréteges térvezérelt tranzisztor) széles körben használják a ki-be kapcsolási ciklusok végrehajtására, mivel kicsi a nyitóirányú ellenállásuk, valamint nagy a kapcsolási sebességük és bemeneti impedanciájuk.

A figyelőáramkör kimenőjele képes vezérelni a MOSFET kapuját, hatékonyan nyitva vagy zárva a MOSFET-et a ki-be kapcsolási ciklus végrehajtásához. Ezzel a módszerrel megteremthető a rendszer optimális megbízhatósága, mivel lehetővé teszi a rendszer újraindítását és a nem reagáló állapotból való helyreállítását.

Azok a fejlesztők, akik ezt a megoldást használják, választhatnak az n csatornás és a p csatornás MOSFET-ek között, de sokan a p csatornás változatot részesítik előnyben, mert az ezek nyitásához és zárásához szükséges feltételek és áramkörök kevésbé bonyolultak, mint az n csatornás MOSFET-ek esetében.

A p csatornás MOSFET-ek nyitásához a kapufeszültségnek a forrásfeszültségnél kisebbnek, míg az n csatornás MOSFET-ek nyitásához a kapufeszültségnek a forrásfeszültségnél nagyobbnak kell lennie.

Ha n csatornás MOSFET-et használnak magasoldali bemeneti kapcsolóként, a kis kapufeszültség miatt a kapcsoló lezár, és megszakítja az áramellátást. Bár az n csatornás MOSFET-ek általában jobb hatásfokúak és nagyobb teljesítményűek, ebben az esetben további áramkörökre, például töltésszivattyúkra van szükség a pozitív kapu–forrás feszültség (V_GS) előállításához, hogy a kapcsoló képes legyen teljesen visszakapcsolni az áramellátást.

P csatornás MOSFET-et használva, amely negatív V_GS kapu–forrás feszültséggel nyitható, ilyen kiegészítő áramkörre nincs szükség, ami egyszerűsíti az készülék tervezését, bár ennek hátulütője viszont a nagyobb nyitóirányú ellenállás és a rosszabb hatásfok.

P csatornás magasoldali kapcsoló megvalósítása

A p csatornás megoldás esetében a MOSFET vezérlésére szolgáló kapu–forrás feszültségnek legalább a V_GS(th) kapu–forrás küszöbfeszültséggel kisebbnek kell lennie a tápfeszültségnél, hogy az áram a forrásból a nyelőbe folyhasson. Egy másik szempont annak biztosítása, hogy a nyelő és a forrás közötti feszültség (V_DS) a megadott határokon belül legyen, hogy az eszköz biztosan ne sérüljön meg.

Ha egy működéskor alacsony szintű figyelőáramkör kimenete egy p csatornás MOSFET kapujára van kötve, az OUT (Kimenet) láb a megadott küszöbérték túllépésekor alacsony szintre húzza a kaput, rákapcsolva a tápfeszültséget a terhelésre. Amikor a feszültség a küszöbérték alá esik, az OUT lábon lévő jel magas értékre áll át, és a p csatornás MOSFET lezár, leválasztva a tápfeszültséget a terhelésről.

A fejlesztők rendkívül hatékony túlfeszültség-védelmi áramkört hozhatnak létre, ha az eszköz OUT lábát közvetlenül egy p csatornás MOSFET kapujára kötik. Ez a hatékony megoldás egy p csatornás MOSFET-et használ magasoldali kapcsolóként, amely egy Analog Devices, Inc. MAX16052 áramellátás-kezelő IC-hez van kapcsolva (2. ábra), és biztosítja a terhelés tápfeszültségre kapcsolását.

2. ábra: Túlfeszültség-védelemre egy p csatornás MOSFET szolgál magasoldali kapcsolóként (ábra: Analog Devices, Inc.)

A figyelt feszültség és a p csatornás MOSFET kapuja közötti külső felhúzó ellenállás magas szinten tartja a kaput, amikor a nyitott nyelőjű OUT láb nagy impedanciájú állapotban van. Amikor a figyelt feszültség meghaladja a küszöbértéket, az OUT láb nagy impedanciájú állapotba kerül, ezzel lezárja a p csatornás MOSFET-et, és leválasztja a tápfeszültséget a terhelésről. Ezzel szemben amikor a figyelt feszültség a küszöbérték alá esik, az OUT láb alacsony szintre húzza a kaput.

Az ADI MAX16052 és az ADI MAX16053 együtt egy kis méretű, kis fogyasztású, nagyfeszültségű figyelőáramkör termékcsaládot alkot sorba rendezési képességgel. Mindkettő kis méretű, 6 lábú SOT23 tokban kapható. A MAX16052 működéskor magas szintű, nyitott nyelőjű kimenetet, míg a MAX16053 működéskor magas szintű ellenütemű kimenetet kínál. Mindkettő a bemenetek lefelé egészen 0,5 V-ig állítható feszültségfigyelését teszi lehetővé, és egy nagy impedanciájú bemenet (IN) segítségével végzi a feszültségfigyelést, belsőleg rögzített 0,5 V-os küszöbértékkel.

Felügyeletidőzítő (watchdog) használata

A felügyeletidőzítők (watchdog timer, WDT) növelhetik a figyelőáramkörök védelmi képességeit olyan esetekben, ahol a kimenőjel alacsony, amikor a figyelt feltétel teljesül. Ilyen körülmények között a felügyeletidőzítő érzékeli, ha egy bizonyos ideig nem észlelhető impulzus vagy átmenet – ezt felügyeletidőzítési időtúllépésnek (watchdog timeout, t_WD) hívják –, és kezdeményezi egy mikrovezérlő újraindítását, vagy elindít egy ki-be kapcsolási ciklust.

Amikor a pozitív tápfeszültség (V_CC) meghaladja a legkisebb üzemi feszültséget – még akkor is, ha az kisebb, mint az újraindítási küszöbérték –, az ADI felügyeletidőzítővel ellátott MAX16155 nanoPower eszközfigyelője egy újraindító kimenőjelet ad ki. Egy két felügyeletidőzítőt használó készülék (3. ábra) 32 másodperc (32 s) tétlenség után képes engedélyezni a mikrovezérlő lágy újraindítását, és 128 s tétlenség után a rendszer ki-be kapcsolási ciklusát.

3. ábra: Ebben a kapcsolásban az 1. felügyeletidőzítő (Watchdog Timer 1) lágy újraindítást, míg a 2. felügyeletidőzítő (Watchdog Timer 2) rendszer-ki-be kapcsolási ciklust kezdeményez (ábra: Analog Devices, Inc.)

A p csatornás magasoldali kapcsoló vezérlésére az egyik lehetőség egy bipoláris npn tranzisztor negálóeszközként (negátorként) történő használata. Ez a felügyeletidőzítő kimenetének az npn tranzisztort záró alacsony jelét magas jellé alakítja, amely aztán egy felhúzó ellenálláson keresztül zárja a p csatornás MOSFET-et (4. ábra). Amikor a rendszer megfelelően működik, a felügyeletidőzítő kimenete (WDO) magas értéken van, és a jelét egy ellenálláson keresztül az npn tranzisztor bázisára küldi, nyitva a tranzisztort.

4. ábra: A p csatornás MOSFET-et (Q2) egy bipoláris npn tranzisztor (Q1) vezérli (ábra: Analog Devices, Inc.)

A V_GS kapu–forrás feszültséget a MOSFET kapujára és forrására kötött ellenállásosztó szabályozza. Amikor az npn tranzisztor nyitva van, alacsony szintre húzza az ellenállásosztót, így a kapufeszültség kisebb lesz, mint a forrásfeszültség, aminek hatására kinyit a p csatornás MOSFET, és árammal látja el a rendszert.

Ha a mikroprocesszor semmire nem reagál, vagy nem küld bemeneti impulzusokat a MAX16155 felügyeletidőzítő előre beállított időtúllépési korlátján belül, akkor egy felügyeletidőzítő-időtúllépési esemény következik be, aminek hatására a WDO láb alacsony szintre kapcsol. Ez a művelet az npn tranzisztor bázisát testre húzza, és ezzel lezárja a tranzisztort. Amikor az npn tranzisztor lezár, a p csatornás MOSFET kapuja és forrása azonos feszültségre kerül, ezért a MOSFET lezár, és a mikroprocesszor áramellátása megszűnik.

Amint a felügyeletidőzítő WDO kimenete visszatér magas szintre, a rendszer folytatja a normál működést. A mikroprocesszor ezután rendszeres impulzusokat küld a WDI lábra, megakadályozva a további időtúllépéseket. Az npn tranzisztor kinyit, és nyitva tartja a magasoldali MOSFET-et, így biztosítva a mikroprocesszor folyamatos áramellátását.

A bipoláris tranzisztorok alacsony ára előnyt jelent a p csatornás magasoldali kapcsolók tervezésekor, de a bipoláris tranzisztorokok megfelelő finombeállítást igényelnek további külső alkatrészek, például ellenállások használatával.

Vezérlőáramkör n csatornás MOSFET használatával

Ha a magasoldali p csatornás MOSFET vezérlésére n csatornás MOSFET-et használunk, az számos előnnyel jár a bipoláris tranzisztorral szemben.

Az n csatornás MOSFET-nek kicsi a nyitóirányú ellenállása, ami csökkenti a teljesítményveszteséget, és javítja a hatásfokot. Ezenkívül gyorsan kapcsol, javítva a rendszer válaszidejét. Kisebbek a kapcsolási veszteségei, és nagyobb frekvencián képes működni, így ideális az energiatakarékos, például akkumulátoros készülékekhez. Emellett a kapuvezérlés alacsonyabb követelményeket támaszt, mint a bipoláris tranzisztorok vezérlése, ami egyszerűsíti a vezérlőáramkört, és kevesebb külső alkatrészt igényel.

A felügyeletidőzítő kimenete képes közvetlenül vezérelni az n csatornás MOSFET kapuját. A helyes működéshez a WDO felhúzófeszültségének meg kell egyeznie a MOSFET kapu-küszöbfeszültségével (V_GS(th)). Amikor a rendszer megfelelően működik, a WDO magas jele nyitja az n csatornás MOSFET-et (5. ábra, Q1), ezzel nyitva a p csatornás MOSFET-et (5. ábra, Q2), amely pedig ellátja árammal a rendszert. Amikor a rendszer tétlen, a WDO alacsony jele lezárja a Q1-et, ennek hatására lezár a Q2, és ezzel megszakítja az áramellátást.

5. ábra: A p csatornás MOSFET-et (Q2) egy n csatornás MOSFET vezérli (ábra: Analog Devices, Inc.)

Összegzés

A rendszer ki-be kapcsolási ciklusainak végrehajtásához egyaránt megbízható módszer az n csatornás és a p csatornás MOSFET használata is magasoldali kapcsolóként. A p csatornás MOSFET bipoláris npn tranzisztorral és további alkatrészekkel történő használata az alacsonyabb költségű megoldás, míg a költségesebb n csatornás MOSFET-es áramkör jobb a nagyfrekvenciás kapcsolásokhoz. Azt, hogy melyik az optimális megoldás, a felhasználási terület követelményei szabják meg, valamint az, hogy a fejlesztő mit részesít előnyben a tervezés során.