Opzioni di interruttori di ingresso a MOSFET high-side per il ciclaggio dell'alimentazione di un sistema

I cicli di alimentazione svolgono un ruolo fondamentale nel garantire il funzionamento ininterrotto delle applicazioni elettroniche, in particolare quelle in aree remote e alimentate a batteria. L'atto di scollegare e ricollegare l'alimentazione può ripristinare un sistema divenuto poco reattivo a causa di un'inattività persistente o di un blocco del sistema. Un approccio efficace e ampiamente utilizzato per il ciclaggio consiste nell'utilizzare l'uscita attiva bassa di un circuito supervisore per pilotare un interruttore di ingresso MOSFET high-side.

I monitor di tensione o i circuiti supervisori possono fornire due opzioni di livello logico di uscita: un segnale di uscita attivo basso e uno attivo alto. Ciò vale sia per una topologia di uscita push-pull sia per una topologia di uscita a drain aperto con un resistore pull-up.

• Attivo basso = l'uscita diventa bassa quando la condizione di ingresso è soddisfatta e diventa alta quando la condizione di ingresso non è soddisfatta
• Attivo alto = l'uscita diventa alta quando la condizione di ingresso è soddisfatta e diventa bassa quando la condizione di ingresso non è soddisfatta

I circuiti supervisori controllano l'attività del sistema monitorando la tensione di alimentazione e/o utilizzando timer watchdog per rilevare l'inattività. Quando queste protezioni rilevano un problema, il ciclo di alimentazione apre e poi chiude il percorso tra l'alimentatore e un sistema a valle, portando il microcontroller (MCU) in un processo di reset. Un interruttore di ingresso sul lato alto del circuito (Figura 1) controlla l'alimentazione del sistema elettronico a valle.

Tuttavia, è fondamentale scegliere i componenti giusti e affrontare i potenziali problemi, come la generazione di calore e il rumore di commutazione che possono derivare dal ciclaggio dell'alimentazione.

Figura 1: Un circuito applicativo che utilizza un interruttore high-side per proteggere un sistema elettronico a valle da errori in condizioni di interruzione temporanea dell'energia elettrica. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

Tuttavia, è fondamentale scegliere i componenti giusti e affrontare i potenziali problemi, come la generazione di calore e il rumore di commutazione che possono derivare dal ciclaggio dell'alimentazione.

Interruttore di alimentazione high-side

I cicli di alimentazione possono essere utilizzati in varie applicazioni per migliorare l'affidabilità del sistema e ridurre i danni potenziali, tra cui transceiver wireless, dispositivi medici, dispositivi di domotica, alimentatori e prodotti elettronici consumer.

I transistor a effetto di campo metallo-ossido-semiconduttore (MOSFET) sono ampiamente utilizzati nei cicli di alimentazione, perché hanno una bassa resistenza nello stato On, un'elevata velocità di commutazione e un'alta impedenza di ingresso.

L'uscita del circuito supervisore può controllare il gate del MOSFET, attivandolo o disattivandolo in modo efficace per il ciclo di alimentazione. Questo metodo garantisce un'affidabilità ottimale del sistema, consentendo al sistema di ripristinarsi e riprendersi dagli stati di non risposta.

Gli sviluppatori che adottano questo approccio hanno la possibilità di utilizzare MOSFET a canale N o a canale P, ma molti preferiscono l'approccio a canale P in quanto le condizioni e i circuiti necessari per l'accensione e lo spegnimento sono meno complicati rispetto a quelli a canale N.

tensione di sorgentePer un MOSFET a canale P, la tensione di gate deve essere inferiore alla tensione di source per accenderlo; è il contrario per un MOSFET a canale N dove la tensione di gate deve essere superiore alla tensione di source per accenderlo.

Quando si utilizza un MOSFET a canale N come interruttore di ingresso high-side, una bassa tensione di gate causa l'apertura dell'interruttore e la disconnessione dell'alimentazione. Sebbene i MOSFET a canale N offrano generalmente un'efficienza e prestazioni migliori, in questo contesto è necessario un circuito aggiuntivo, come una pompa di carica, per generare una tensione positiva gate-source (V_GS) e garantire che l'interruttore riconnetta completamente l'alimentazione.

Questo circuito aggiuntivo non è necessario quando si utilizza un MOSFET a canale P, che può essere attivato da una V_GS negativa, semplificando la progettazione, anche se il compromesso è una maggiore resistenza nello stato On e una minore efficienza.

Implementazione di un interruttore a canale P high-side

Con l'approccio a canale P, la tensione gate-source per il controllo del MOSFET deve essere inferiore all'alimentazione di almeno la tensione di soglia gate-source V_GS(th) per consentire il passaggio di corrente source-drain. Un'altra considerazione è quella di assicurare che la tensione tra drain e source (V_DS) rientri nei limiti specificati per garantire che il dispositivo non subisca danni.

Quando un'uscita attiva bassa del circuito supervisore è collegata al gate di un MOSFET a canale P, il pin OUT spinge il gate verso il basso se supera la soglia specificata, attivando la connettività dalla tensione di alimentazione al carico. Quando la tensione scende sotto la soglia, il pin OUT passa ad alto e il MOSFET a canale P si spegne, scollegando il carico dall'alimentazione.

Gli sviluppatori possono creare un circuito di protezione dalle sovratensioni molto efficace collegando direttamente il pin OUT del dispositivo al gate del MOSFET a canale P. Questo approccio robusto, che utilizza un MOSFET a canale P come interruttore high-side collegato a un CI di gestione dell'alimentazione MAX16052 di Analog Devices, Inc. (Figura 2), garantisce che il carico sia collegato alla tensione di alimentazione.

Figura 2: Un MOSFET a canale P viene utilizzato come interruttore high-side per la protezione dalle sovratensioni. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

Un resistore pull-up esterno tra la tensione monitorata e il gate del MOSFET a canale P mantiene il gate alto quando il pin OUT a drain aperto è in uno stato di alta impedenza. Il pin OUT passa allo stato di alta impedenza quando la tensione monitorata supera la soglia, spegnendo il MOSFET a canale P e scollegando il carico dalla tensione di alimentazione. Al contrario, il pin OUT abbassa il pin del gate quando la tensione monitorata scende sotto la soglia.

MAX16052, insieme a MAX16053 di ADI, costituisce una linea di circuiti di monitoraggio ad alta tensione, a basso consumo e con capacità di sequenziamento, entrambi disponibili in un compatto contenitore SOT23 a 6 pin. MAX16052 offre un'uscita a drain aperto attiva e alta, mentre MAX16053 offre un'uscita push-pull attiva e alta. Entrambi forniscono il monitoraggio regolabile della tensione per ingressi fino a 0,5 V ed eseguono il monitoraggio della tensione utilizzando un ingresso ad alta impedenza (IN) con una soglia di 0,5 V fissata internamente.

Impiego di un timer watchdog

I timer watchdog (WDT) possono migliorare le capacità di protezione dei circuiti supervisori nei casi in cui il segnale di uscita è basso quando la condizione monitorata è soddisfatta. In tali circostanze, un timer watchdog può rilevare la mancanza di un impulso o di una transizione per un certo periodo di tempo, definito timeout watchdog (t_WD) e attivare un reset del microcontroller o avviare un ciclo di alimentazione.

Il supervisore nanoPower MAX16155 di ADI con timer watchdog inizializza un'uscita di reset quando la tensione di alimentazione positiva (V_CC) supera la tensione di funzionamento minima, anche se è inferiore alla soglia di reset. Un'applicazione che utilizza due WDT (Figura 3) può attivare un reset graduale del microcontroller dopo 32 s di inattività e un ciclo di alimentazione del sistema dopo 128 s di inattività.

Figura 3: In questa configurazione il timer watchdog 1 attiverebbe un reset graduale mentre il timer watchdog 2 avvierebbe un ciclo di alimentazione del sistema. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

Un'opzione per pilotare un interruttore a canale P high-side consiste nell'utilizzare un transistor bipolare a giunzione (BJT) NPN come inverter per convertire un segnale basso dall'uscita del watchdog, che spegne il transistor NPN, in un segnale alto che spegne il MOSFET a canale P tramite un resistore pull-up. (Figura 4). Quando il sistema è attivo, l'uscita watchdog (WDO) è alta e invia il suo segnale attraverso un resistore alla base del transistor NPN, accendendolo.

Figura 4: Un transistor a giunzione bipolare NPN (Q1) pilota il MOSFET a canale P (Q2). (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

Un divisore resistivo collegato al gate e al source del MOSFET controlla la V_GS. Quando il transistor NPN è attivo, spinge il divisore resistivo verso il basso rendendo la tensione di gate inferiore alla tensione di source, attivando il MOSFET a canale P per fornire l'alimentazione al sistema.

Se il microprocessore non risponde o non invia impulsi di ingresso entro il periodo di timeout predefinito del timer watchdog MAX16155, si verifica un evento di timeout watchdog che causa l'asserzione bassa del pin WDO. Questa azione porta la base del transistor NPN a massa, spegnendolo. Quando è spento, la tensione al gate e al source del MOSFET a canale P è la stessa, e questo spegne il MOSFET e interrompe l'alimentazione al microprocessore.

Una volta che l'uscita WDO del timer watchdog torna alta, il sistema riprende a funzionare normalmente. Il microprocessore invia quindi impulsi regolari al pin WDI, evitando ulteriori timeout. Il transistor NPN si accende, mantenendo acceso il MOSFET high-side e garantendo un'alimentazione continua al microprocessore.

Il basso costo dei transistor a giunzione bipolare è un vantaggio per la progettazione degli interruttori a canale P high-side, ma richiede un'adeguata regolazione con l'aiuto di componenti esterni aggiuntivi, come i resistori.

Circuito di pilotaggio con un MOSFET a canale N

L'utilizzo di un MOSFET a canale N per controllare un MOSFET a canale P high-side presenta diversi vantaggi rispetto a un transistor bipolare.

Il MOSFET a canale N ha una bassa resistenza nello stato On, che riduce la perdita di potenza e aumenta l'efficienza. Inoltre, commuta rapidamente, migliorando i tempi di risposta del sistema. Presenta perdite di commutazione inferiori e può funzionare a frequenze più elevate, il che lo rende ideale per applicazioni ad alta efficienza energetica come i dispositivi alimentati a batteria. Inoltre, i requisiti di pilotaggio del gate sono meno impegnativi rispetto a quelli di un BJT, semplificando il circuito di pilotaggio e riducendo il numero di componenti.

L'uscita del watchdog può controllare direttamente il gate del MOSFET a canale N. Per funzionare correttamente, la tensione di pull-up del WDO deve corrispondere alla tensione di soglia del gate del MOSFET (V_GS(th)). Quando il sistema è attivo, un segnale WDO alto accende il MOSFET a canale N (Q1 nella Figura 5), che poi accende il MOSFET a canale P (Q2 nella Figura 5), alimentando il sistema. Durante l'inattività del sistema, un segnale WDO basso spegne Q1, che spegne Q2, interrompendo l'alimentazione.

Figura 5: Un MOSFET a canale N (Q1) pilota un MOSFET a canale P (Q2). (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

Conclusione

L'utilizzo di un MOSFET a canale N o a canale P per pilotare un interruttore high-side è un metodo affidabile per il ciclaggio dell'alimentazione di un sistema. L'approccio a canale P con transistor bipolare NPN e componenti aggiuntivi è l'opzione più economica, mentre il più costoso approccio a canale N è migliore per la commutazione ad alta frequenza. Le preferenze di progettazione dello sviluppatore e i requisiti dell'applicazione determineranno l'approccio ottimale.