High-Side-MOSFET-Eingangsschalter-Optionen für die zyklische Energieversorgung von Systemen

Die zyklische Energieversorgung spielt eine entscheidende Rolle bei der Sicherstellung des unterbrechungsfreien Betriebs elektronischer Anwendungen, insbesondere solcher, die in entlegenen Gebieten eingesetzt und mit Batterien betrieben werden. Durch das Trennen und Wiederverbinden der Stromversorgung kann ein System zurückgesetzt werden, das aufgrund von anhaltender Inaktivität oder Systemstörungen nicht mehr reagiert. Ein effektiver und weit verbreiteter Ansatz für die zyklische Energieversorgung ist die Verwendung des aktiven Low-Ausgangs einer Überwachungsschaltung zur Ansteuerung eines High-Side-MOSFET-Eingangsschalters.

Spannungsmonitore oder Überwachungsschaltungen können zwei Optionen für ihren Logikpegel-Ausgang bieten: ein aktives Low- und ein aktives High-Ausgangssignal. Dies gilt entweder für eine Gegentakt-Ausgangstopologie oder eine Open-Drain-Ausgangstopologie mit einem Pull-up-Widerstand.

• Betrieb mit aktivem Low-Pegel - hier geht der Ausgang auf Low-Pegel, wenn die Eingangsbedingung erfüllt ist, und auf High-Pegel, wenn die Eingangsbedingung nicht erfüllt ist
• Betrieb mit aktivem High-Pegel - in diesem Fall geht der Ausgang auf High-Pegel, wenn die Eingangsbedingung erfüllt ist, und auf Low-Pegel, wenn die Eingangsbedingung nicht erfüllt ist

Überwachungsschaltungen überwachen die Systemaktivität, indem sie die Spannungsversorgung verfolgen oder Watchdog-Timer verwenden, um Inaktivität zu erkennen, oder beides. Wenn diese Schutzvorrichtungen ein Problem erkennen, wird der Pfad zwischen der Stromversorgung und einem nachgeschalteten System durch Aus- und Einschalten geöffnet und geschlossen, wodurch die Mikrocontroller-Einheit (MCU) in einen Rücksetzvorgang eintritt. Ein Eingangsschalter auf der High-Seite des Schaltkreises (Abbildung 1) wird zur Steuerung der Stromversorgung des nachgeschalteten elektronischen Systems verwendet.

Es ist jedoch von entscheidender Bedeutung, die richtigen Komponenten auszuwählen und potenzielle Probleme wie Wärmeentwicklung und Schaltrauschen zu berücksichtigen, die sich aus dem Stromversorgungszyklus ergeben können.

Abbildung 1: Eine Anwendungsschaltung, die einen High-Side-Schalter verwendet, um ein nachgeschaltetes elektronisches System vor Fehlern während eines Stromausfalls zu schützen. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Es ist jedoch von entscheidender Bedeutung, die richtigen Komponenten auszuwählen und potenzielle Probleme wie Wärmeentwicklung und Schaltrauschen zu berücksichtigen, die sich aus dem Stromversorgungszyklus ergeben können.

High-Side-Leistungsschalter

Zyklische Energieversorgung kann in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden, um die Systemzuverlässigkeit zu verbessern und potenzielle Schäden zu mindern, z. B. bei drahtlosen Sende- und Empfangsgeräten, medizinischen Geräten, Smart-Home-Geräten, Netzteilen und Unterhaltungselektronik.

Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) werden häufig in der Leistungselektronik eingesetzt, da sie einen geringen Einschaltwiderstand, eine hohe Schaltgeschwindigkeit und eine hohe Eingangsimpedanz aufweisen.

Das Ausgangssignal des Überwachungsschaltkreises kann das Gate des MOSFETs steuern, wodurch dieser ein- oder ausgeschaltet wird, um den Stromkreislauf zu aktivieren/deaktivieren. Diese Methode gewährleistet eine optimale Systemzuverlässigkeit, indem sie es dem System ermöglicht, sich zurückzusetzen und von nicht ansprechbaren Zuständen zu erholen.

Entwickler, die diesen Ansatz verfolgen, haben die Möglichkeit, N-Kanal- oder P-Kanal-MOSFETs zu verwenden, aber viele bevorzugen den P-Kanal-Ansatz, da die Bedingungen und Schaltungen, die zum Ein- und Ausschalten erforderlich sind, weniger kompliziert sind als bei N-Kanal-MOSFETs.

Bei einem P-Kanal-MOSFET muss die Gate-Spannung niedriger als die Source-Spannung sein, um ihn einzuschalten, während bei einem N-Kanal-MOSFET die Gate-Spannung höher als die Source-Spannung sein muss, um ihn einzuschalten.

Wenn ein N-Kanal-MOSFET als High-Side-Eingangsschalter verwendet wird, führt eine niedrige Gate-Spannung dazu, dass der Schalter geöffnet und die Stromversorgung unterbrochen wird. Während N-Kanal-MOSFETs im Allgemeinen einen besseren Wirkungsgrad und eine bessere Leistung bieten, ist in diesem Zusammenhang eine zusätzliche Schaltung wie eine Ladungspumpe erforderlich, um eine positive Gate-Source-Spannung (V_GS) zu erzeugen, damit der Schalter die Stromversorgung vollständig wiederherstellt.

Diese zusätzliche Schaltung ist nicht erforderlich, wenn ein P-Kanal-MOSFET verwendet wird, der durch eine negative V_GS eingeschaltet werden kann, was das Anwendungsdesign vereinfacht, auch wenn der Preis dafür ein höherer Einschaltwiderstand und eine geringere Effizienz ist.

Implementierung eines P-Kanal-High-Side-Schalters

Beim P-Kanal-Ansatz muss die Gate-Source-Spannung zur Steuerung des MOSFETs mindestens um die Gate-Source-Schwellenspannung V_GS(th) niedriger als die Versorgungsspannung sein, damit Strom von Source zu Drain fließen kann. Außerdem muss sichergestellt werden, dass die Spannung zwischen Drain und Source (V_DS) innerhalb der vorgegebenen Grenzen liegt, damit das Gerät nicht beschädigt wird.

Wenn ein „Aktiv-Low“-Überwachungsschaltkreisausgang mit dem Gate eines P-Kanal-MOSFET verbunden ist, zieht der OUT-Pin das Gate auf Low, wenn der festgelegte Schwellenwert überschritten wird, und aktiviert die Verbindung von der Versorgungsspannung zur Last. Wenn die Spannung unter den Schwellenwert fällt, geht der OUT-Pin auf High, und der P-Kanal-MOSFET wird ausgeschaltet, wodurch die Last von der Versorgung getrennt wird.

Entwickler können eine hochwirksame Überspannungsschutzschaltung erstellen, indem sie den OUT-Pin des Bausteins direkt mit dem Gate des P-Kanal-MOSFET verbinden. Dieser robuste Ansatz, bei dem ein P-Kanal-MOSFET als High-Side-Schalter verwendet wird, der mit einem Energiemanagement-IC MAX16052 von Analog Devices, Inc. verbunden ist (Abbildung 2), stellt sicher, dass die Last mit der Versorgungsspannung verbunden ist.

Abbildung 2: Ein P-Kanal-MOSFET wird als High-Side-Schalter für den Überspannungsschutz verwendet. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Ein externer Pull-up-Widerstand zwischen der überwachten Spannung und dem Gate des P-Kanal-MOSFET hält das Gate auf High-Pegel, wenn sich der Open-Drain-Pin OUT in einem hochohmigen Zustand befindet. Wenn die Spannung unter den Schwellenwert fällt, geht der OUT-Pin auf High, und der P-Kanal-MOSFET wird ausgeschaltet, wodurch die Last von der Versorgung getrennt wird. Umgekehrt zieht der OUT-Pin den Gate-Pin auf Low-Pegel, wenn die überwachte Spannung unter den Schwellenwert fällt.

Der MAX16052 bildet zusammen mit dem MAX16053 von ADI eine Reihe von kleinen, stromsparenden Hochspannungsüberwachungsschaltungen mit Sequenzierungsfunktion, die beide in einem kompakten 6-Pin-SOT23-Gehäuse erhältlich sind. Der MAX16052 bietet einen „Aktiv-High“-Open-Drain-Ausgang, während der MAX16053 einen „Aktiv-High“-Gegentaktausgang bietet. Beide bieten eine einstellbare Spannungsüberwachung für Eingänge bis zu 0,5 V und führen eine Spannungsüberwachung über einen hochohmigen Eingang (IN) mit einem intern festgelegten Schwellenwert von 0,5 V durch.

Einsatz eines Watchdog-Timers

Watchdog-Timer (WDTs) können die Schutzfähigkeiten von Überwachungsschaltungen in Fällen verbessern, in denen das Ausgangssignal Low-Pegel führt, wenn die überwachte Bedingung erfüllt ist. Unter diesen Umständen kann ein Watchdog-Timer das Ausbleiben eines Impulses oder eines Übergangs für eine bestimmte Zeitspanne erkennen, die als Watchdog-Timeout (t_WD) bezeichnet wird, und einen Mikrocontroller-Reset auslösen oder einen Stromzyklus einleiten.

Der nanoPower-Supervisor MAX16155 von ADI mit Watchdog-Timer löst einen Reset-Ausgang aus, wenn die positive Versorgungsspannung (V_CC) die Mindestbetriebsspannung überschreitet, auch wenn sie unter dem Reset-Schwellenwert liegt. Eine Anwendung, die zwei WDTs verwendet (Abbildung 3), kann einen Soft-Reset des Mikrocontrollers nach 32 Sekunden Inaktivität und einen Stromsparzyklus des Systems nach 128 Sekunden Inaktivität ermöglichen.

Abbildung 3: In dieser Konfiguration würde Watchdog Timer 1 einen Soft-Reset auslösen, während Watchdog Timer 2 einen Stromsparzyklus des Systems initiieren würde. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Eine Möglichkeit zur Ansteuerung eines P-Kanal-High-Side-Schalters ist die Verwendung eines NPN-Bipolartransistors (BJT) als Inverter, um ein Low-Signal vom Watchdog-Ausgang, das den NPN-Transistor abschaltet, in ein High-Signal umzuwandeln, das den P-Kanal-MOSFET über einen Pull-up-Widerstand abschaltet. (Abbildung 4). Wenn das System aktiv ist, führt der Watchdog-Ausgang (WDO) einen High-Pegel und sendet sein Signal über einen Widerstand an die Basis des NPN-Transistors, wodurch dieser eingeschaltet wird.

Abbildung 4: Ein bipolarer NPN-Sperrschichttransistor (Q1) steuert den P-Kanal-MOSFET (Q2). (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Ein mit dem Gate und der Source des MOSFET verbundener Widerstandsteiler steuert die V_GS. Wenn der NPN-Transistor eingeschaltet ist, zieht er den Widerstandsteiler nach unten, so dass die Gate-Spannung niedriger ist als die Source-Spannung, wodurch der P-Kanal-MOSFET eingeschaltet wird, um das System mit Strom zu versorgen.

Wenn der Mikroprozessor nicht mehr reagiert oder innerhalb der vordefinierten Zeitspanne des Watchdog-Timers MAX16155 keine Eingangsimpulse sendet, tritt ein Watchdog-Timeout-Ereignis ein, das den WDO-Pin auf Low zieht. Dadurch wird die Basis des NPN-Bausteins auf Masse gezogen und der Baustein ausgeschaltet. Wenn der NPN-Transistor ausgeschaltet ist, ist die Spannung am Gate und an der Source des P-Kanal-MOSFET gleich, wodurch der MOSFET ausgeschaltet und die Stromzufuhr zum Mikroprozessor unterbrochen wird.

Sobald der WDO-Ausgang des Watchdog-Timers wieder auf High geht, nimmt das System den normalen Betrieb wieder auf. Der Mikroprozessor sendet dann regelmäßig Impulse an den WDI-Pin und verhindert so weitere Zeitüberschreitungen. Der NPN-Transistor schaltet sich ein, wodurch der High-Side-MOSFET eingeschaltet bleibt und eine kontinuierliche Stromversorgung des Mikroprozessors gewährleistet wird.

Die niedrigen Kosten von Bipolartransistoren sind ein Designvorteil für P-Kanal-High-Side-Schalter, erfordern jedoch eine angemessene Abstimmung mit Hilfe zusätzlicher externer Komponenten wie Widerständen.

Treiberschaltung mit einem n-Kanal-MOSFET

Die Verwendung eines N-Kanal-MOSFETs zur Steuerung eines High-Side-P-Kanal-MOSFETs hat mehrere Vorteile gegenüber einem bipolaren Transistor.

Der N-Kanal-MOSFET hat einen geringen Einschaltwiderstand, was die Verlustleistung reduziert und den Wirkungsgrad erhöht. Außerdem schaltet er schnell um und verbessert so die Reaktionszeiten des Systems. Er hat geringere Schaltverluste und kann mit höheren Frequenzen arbeiten, was ihn ideal für energieeffiziente Anwendungen wie batteriebetriebene Geräte macht. Außerdem sind die Anforderungen an die Gate-Ansteuerung geringer als bei einem BJT, was die Ansteuerungsschaltung vereinfacht und die Anzahl der Bauteile reduziert.

Der Watchdog-Ausgang kann direkt das Gate des n-Kanal-MOSFETs steuern. Die Pull-up-Spannung des WDO muss mit der Gate-Schwellenspannung (V_GS(th)) des MOSFET übereinstimmen, um korrekt zu funktionieren. Wenn das System aktiv ist, schaltet ein hohes WDO-Signal den n-Kanal-MOSFET (Q1 in Abbildung 5) ein, der dann den p-Kanal-MOSFET (Q2 in Abbildung 5) einschaltet und das System mit Strom versorgt. Bei Inaktivität des Systems schaltet ein niedriges WDO-Signal Q1 aus, wodurch Q2 ausgeschaltet und die Stromversorgung unterbrochen wird.

Abbildung 5: Ein N-Kanal-MOSFET (Q1) steuert einen P-Kanal-MOSFET (Q2). (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Fazit

Die Verwendung eines N-Kanal- oder eines P-Kanal-MOSFETs zur Ansteuerung eines High-Side-Schalters sind beides zuverlässige Methoden für die zyklische Stromversorgung des Systems. Der P-Kanal-Ansatz mit NPN-Bipolartransistor und zusätzlichen Bauteilen ist die kostengünstigere Option, während der kostspieligere N-Kanal-Ansatz besser für das Schalten mit hohen Frequenzen geeignet ist. Die Designpräferenzen des Entwicklers und die Anforderungen der Anwendung bestimmen den optimalen Ansatz.