【導讀】在無(wú)線(xiàn)收發(fā)器等應用中，系統一般處于偏遠地區，通常由電池供電。由于鮮少有人能夠前往現場(chǎng)進(jìn)行干預，此類(lèi)應用必須持續運行。系統持續無(wú)活動(dòng)或掛起后，需要復位系統以恢復操作。為了實(shí)現系統復位，可以切斷電源電壓，斷開(kāi)系統電源，然后再次連接電源以重啟系統。本文將探討使用什么方法和技術(shù)可以監控電路的低電平有效輸出來(lái)驅動(dòng)高端輸入開(kāi)關(guān)，從而執行系統電源循環(huán)。
在無(wú)線(xiàn)收發(fā)器等應用中，系統一般處于偏遠地區，通常由電池供電。由于鮮少有人能夠前往現場(chǎng)進(jìn)行干預，此類(lèi)應用必須持續運行。系統持續無(wú)活動(dòng)或掛起后，需要復位系統以恢復操作。為了實(shí)現系統復位，可以切斷電源電壓，斷開(kāi)系統電源，然后再次連接電源以重啟系統。本文將探討使用什么方法和技術(shù)可以監控電路的低電平有效輸出來(lái)驅動(dòng)高端輸入開(kāi)關(guān)，從而執行系統電源循環(huán)。
為了提高電子系統的可靠性和穩健性，一種方法是實(shí)施能夠檢測故障并及時(shí)響應的保護機制。這些機制就像安全屏障，能夠減輕潛在損害，確保系統正常運行。電源循環(huán)可以確保系統正常運行并提供保護，通常在系統無(wú)響應和不活動(dòng)時(shí)工作，以使其能夠持續運轉。電源循環(huán)借助電源開(kāi)關(guān)實(shí)現，該開(kāi)關(guān)會(huì )先斷開(kāi)電源輸入與下游電子系統之間的路徑，再閉合相關(guān)路徑以重啟系統。一旦系統的微控制器單元(MCU)無(wú)響應，并且持續不活動(dòng)，系統就會(huì )進(jìn)入復位模式，開(kāi)始電源循環(huán)。
較常用于實(shí)現高端電源路徑或輸入開(kāi)關(guān)的方法是使用MOSFET。N溝道或P溝道MOSFET均可用作輸入開(kāi)關(guān)，每種開(kāi)關(guān)的驅動(dòng)要求各有不同。驅動(dòng)N溝道MOSFET作為高端開(kāi)關(guān)有點(diǎn)復雜，因此，通常會(huì )選用P溝道MOSFET。
監控電路通過(guò)監測電源電壓和/或使用看門(mén)狗定時(shí)器檢測是否存在脈沖，可以輕松檢測到系統是否處于不活動(dòng)狀態(tài)?？撮T(mén)狗定時(shí)器功能增強了監控電路作為綜合保護解決方案的能力。一旦檢測到不活動(dòng)狀態(tài)，看門(mén)狗定時(shí)器就會(huì )置位復位輸出，該輸出通常是低電平有效信號。此信號可用于將微控制器置于復位模式，或觸發(fā)不可屏蔽中斷，促使系統采取糾正措施。雖然低電平有效輸出主要用于復位微控制器，但在系統長(cháng)時(shí)間無(wú)響應等情況下，也需要執行電源循環(huán)。為此，可以利用多種技術(shù)從監控電路低電平有效輸出驅動(dòng)高端P溝道MOSFET輸入開(kāi)關(guān)，從而獲得更出色的系統可靠性。
使用 MOSFET 作為高端輸入開(kāi)關(guān)
圖1為一個(gè)應用電路，使用了高端輸入開(kāi)關(guān)保護下游電子系統不受掉電故障影響。MOSFET 支持根據應用需要，輕松選擇適當的電壓和電流額定值，是系統高端開(kāi)關(guān)設計的理想器件。
高端輸入開(kāi)關(guān)可以是 N 溝道或 P 溝道 MOSFET。柵極電壓較低時(shí)，N 溝道 MOSFET 開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，電源電壓連接隨之斷開(kāi)。要使 N 溝道 MOSFET 完全閉合并將電源連接到下游電子系統，柵極電壓必須比電源電壓高，并且差值需至少等于 MOSFET 閾值電壓。因此，如使用 N 溝道 MOSFET 作為高端輸入開(kāi)關(guān)，將需要額外配置電路，例如電荷泵。有些保護電路還集成了比較器和電荷泵來(lái)驅動(dòng)高端 N 溝道 MOSFET，同時(shí)保持解決方案的簡(jiǎn)單性。使用 P 溝道 MOSFET 作為高端輸入開(kāi)關(guān)不需要電荷泵，但極性相反。這種方法更簡(jiǎn)單，因而成為許多應用的常用方法。
監控電路輸出驅動(dòng)輸入開(kāi)關(guān)
在電路中使用P溝道MOSFET時(shí)，先為柵極、源極和漏極端建立適當的偏置條件非常重要。柵源電壓(VGS)在控制MOSFET導通方面起著(zhù)關(guān)鍵作用。對于P溝道MOSFET，柵極電壓必須比源極電壓低，并且差值需至少等于MOSFET閾值電壓。此負偏置確保P溝道MOSFET偏置到其有源區，使電流可以從源極流向漏極。此外，柵源閾值電壓 (VGS(th)) 決定了在柵極和源極端子之間建立導電通道所需的最小電壓。對于P溝道MOSFET， (VGS(th)) 通常指定為負值，表示相對于源極而言，柵極電壓需要足夠低才能導通。另一個(gè)重要考慮因素是漏源電壓(VDS)，這是施加在漏極和源極端子上的電壓。MOSFET必須在規定的VDS限值內工作，以防止損壞器件。
電壓監視器或監控電路可以為其邏輯電平輸出提供兩種選擇：低電平有效和高電平有效輸出信號。前者“低電平有效”是指當輸入條件為真且得到滿(mǎn)足時(shí)，輸出置為低電平；而當輸入條件為假時(shí)，輸出置為高電平。后者“高電平有效”是指當輸入條件為真時(shí)，輸出置為高電平；而當輸入條件為假且未得到滿(mǎn)足時(shí)，輸出置為低電平。監控電路常用于復位微控制器，因此故障期間會(huì )使用低電平有效輸出將微控制器的復位引腳拉低。利用高電平有效輸出驅動(dòng)P溝道MOSFET非常簡(jiǎn)單，對于開(kāi)漏拓撲來(lái)說(shuō)尤為如此。
監控電路的高電平有效輸出連接到 P 溝道 MOSFET 的柵極。當監控的電壓低于指定閾值時(shí)，OUT 引腳將柵極拉低，接通 P 溝道 MOSFET。負載因此連接到電源電壓。當監控的電壓超過(guò)閾值時(shí)，OUT 引腳變?yōu)楦唠娖?，P 溝道 MOSFET 關(guān)斷，負載與電源電壓斷開(kāi)連接。
圖 2 中, 高壓可調時(shí)序控制和監控電路MAX16052用作過(guò)壓保護電路。該器件的OUT引腳直接連接到P溝道MOSFET的柵極。P溝道MOSFET的源極連接到輸入電壓，漏極連接到負載。外部上拉電阻連接在VCC 和P溝道MOSFET柵極之間，以在OUT引腳為低電平時(shí)讓柵極保持高電平。
當監控的電壓低于MAX16052指定的固定閾值時(shí)，OUT引腳將柵極引腳拉低，導致P溝道MOSFET開(kāi)關(guān)處于短路狀態(tài)或導通狀態(tài)。當監控的電壓超過(guò)閾值時(shí)，OUT引腳變?yōu)楦唠娖?，P溝道MOSFET關(guān)斷，負載與電源電壓斷開(kāi)連接。
在某些應用中，期望的監控要求可能僅適用于低電平有效輸出。這意味著(zhù)，當滿(mǎn)足監控條件時(shí)，輸出信號為低電平。在這些情況下，我們必須要借助一些技術(shù)來(lái)利用低電平有效輸出控制輸入開(kāi)關(guān)。例如，系統32秒不活動(dòng)后微控制器需要復位，128秒持續不活動(dòng)后系統需要啟用電源循環(huán)，那么可以使用看門(mén)狗定時(shí)器的看門(mén)狗輸入(WDI)引腳來(lái)檢測不活動(dòng)情況。當一段時(shí)間（看門(mén)狗超時(shí)時(shí)長(cháng)tWD）內沒(méi)有檢測到脈沖或變化時(shí)，看門(mén)狗輸出(WDO)變?yōu)榈碗娖?。帶有看門(mén)狗定時(shí)器的MAX16155nanopower電源監控器有多個(gè)型號，可以滿(mǎn)足所需的32 s和128 s看門(mén)狗超時(shí)時(shí)長(cháng)要求。為了實(shí)現所需的功能，我們需要兩個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器，一個(gè)用于復位微控制器，另一個(gè)用于啟動(dòng)圖3所示的電源循環(huán)例程。其中要解決的主要挑戰在于需確定如何使用不同型號看門(mén)狗定時(shí)器的低電平輸出，以在不活動(dòng)或系統無(wú)響應狀態(tài)下斷開(kāi)輸入開(kāi)關(guān)，實(shí)現電源循環(huán)。
NPN 雙極結型晶體管用作驅動(dòng)電路
驅動(dòng) P 溝道高端開(kāi)關(guān)的一種方法是使用 NPN 雙極結型晶體管(BJT)，如圖4所示。此電路形成一個(gè)逆變器，將來(lái)自看門(mén)狗輸出的低電平有效信號轉換為P溝道 MOSFET 開(kāi)關(guān)所需的高電平邏輯信號。
當系統處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，MAX16155 WDO引腳的看門(mén)狗輸出處于空閑狀態(tài)，通常為高電平。然后會(huì )通過(guò)限流電阻網(wǎng)絡(luò )連接到驅動(dòng)晶體管的基極引腳。WDO引腳的正常高電平輸出提供必要的基極-發(fā)射極電壓，作為NPN雙極結型晶體管的控制輸入。它在基極-發(fā)射極結上建立足夠的電壓，使晶體管進(jìn)入導通狀態(tài)。
電阻分壓器連接到高端MOSFET開(kāi)關(guān)的柵極引腳和源極引腳，以控制其柵源電壓(VGS)。該柵源電壓決定了MOSFET是保持導通狀態(tài)還是關(guān)斷狀態(tài)。當WDO引腳激活NPN雙極結型晶體管時(shí)，電流流過(guò)晶體管。這會(huì )將電阻分壓器拉低至GND，從而改變電阻分壓器結點(diǎn)處的電壓。然后，此電壓被施加到高端MOSFET的柵極引腳。這會(huì )產(chǎn)生一個(gè)電位差，柵極引腳的電位低于源極引腳的電位，導致MOSFET導通。當MOSFET處于導通狀態(tài)時(shí)，電源就被提供給系統微處理器或負載。圖5顯示了系統處于活動(dòng)狀態(tài)，電源通過(guò)開(kāi)關(guān)Q2提供的電流流動(dòng)情況。
然而，當微處理器無(wú)響應或無(wú)法在MAX16155看門(mén)狗定時(shí)器的預定超時(shí)時(shí)長(cháng)內提供輸入脈沖時(shí)，就會(huì )發(fā)生看門(mén)狗超時(shí)事件，WDO置為低電平。因此，NPN BJT Q1的基極被拉至地，導致其關(guān)斷。當Q1斷開(kāi)時(shí)，P溝道MOSFET Q2上柵極和源極的電壓將大致相等，這足以使其關(guān)斷。
如圖5所示，NPN雙極結型晶體管的集電極引腳連接到高端MOSFET兩端的電阻分壓器。由于NPN雙極結型晶體管處于關(guān)斷狀態(tài)，電阻分壓器結點(diǎn)和柵極上的電壓將大致等于源極引腳中的電壓。這將導致MOSFET的柵極和源極之間的電位差為零，從而無(wú)法滿(mǎn)足MOSFET Q2保持導通狀態(tài)所需的VGS閾值。因此，隨著(zhù)MOSFET關(guān)斷，微處理器的3.3 V電源也被斷開(kāi)，從而有效切斷微處理器或負載的電源。系統不活動(dòng)和電源循環(huán)期間的等效電路和電流如圖6所示。
當WDO輸出脈沖寬度完成并返回高電平后，系統恢復正常運行。在此階段，微處理器恢復向WDI引腳發(fā)送常規輸入脈沖，以防更多看門(mén)狗超時(shí)事件發(fā)生。NPN雙極結型晶體管返回活動(dòng)狀態(tài)，使高端MOSFET可以保持導通狀態(tài)，確保微處理器或負載的電源不間斷。圖7顯示了使用NPN雙極晶體管的電源循環(huán)事件期間的波形。如CH1所示，在WDI信號中未檢測到任何變化，這意味著(zhù)系統處于不活動(dòng)狀態(tài)。經(jīng)過(guò)超時(shí)時(shí)長(cháng)后，CH2中的WDO信號置為低電平，在此期間，高端輸入開(kāi)關(guān)Q1斷開(kāi)。因此，CH3中沒(méi)有測量到電壓，MCU也沒(méi)有電源電壓，系統開(kāi)始重啟。CH4是負載消耗的輸出電流，該電流變?yōu)榱惆才?，表明負載已與電源電壓斷開(kāi)連接。
使用NPN雙極結型晶體管作為高端開(kāi)關(guān)驅動(dòng)器的主要優(yōu)點(diǎn)之一是雙極結型晶體管的成本較低。然而，偏置NPN雙極結型晶體管需要借助電阻等附加外部元件進(jìn)行適當調整。
N溝道MOSFET用作驅動(dòng)電路
另一種采用N溝道MOSFET的驅動(dòng)電路可用來(lái)控制高端P溝道MOSFET。與使用雙極晶體管相比，這種方法有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。
N溝道MOSFET的低導通電阻可確保器件上的壓降非常小，因而功耗更低，能效更高。MOSFET的快速開(kāi)關(guān)特性可縮短響應時(shí)間，監控系統的實(shí)時(shí)性能得以增強。MOSFET的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)關(guān)損耗更低，工作頻率更高。這有助于實(shí)現平穩高效的操作并節省電量，對電池供電等類(lèi)似應用非常有益。
此外，柵極驅動(dòng)要求比雙極結型晶體管的要求更低，因此可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化驅動(dòng)電路，減少需要的元件數量?？撮T(mén)狗輸出可以直接驅動(dòng)圖8所示N溝道MOSFET的柵極。WDO的上拉電壓應達到N溝道MOSFET的柵極閾值電壓VGS(th)才能正常工作。當系統處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，WDO的邏輯高電平輸出電壓將使Q1導通，進(jìn)而Q2導通，向系統供電。與雙極晶體管的情況一樣，在系統不活動(dòng)期間，WDO引腳的邏輯低電平輸出將關(guān)斷Q1并斷開(kāi)Q2，從而切斷系統的電源電壓。使用N溝道MOSFET作為驅動(dòng)電路時(shí)，電源循環(huán)期間的信號行為如圖9中捕獲的波形所示。
本文所討論的高端開(kāi)關(guān)驅動(dòng)方法不僅對無(wú)線(xiàn)收發(fā)器有益，而且對故障期間（例如功能和本質(zhì)安全系統中的過(guò)壓和過(guò)流情況）需要通過(guò)電源循環(huán)例程來(lái)提供系統保護的其他應用也很有幫助。檢測級取決于發(fā)生電源循環(huán)所需的條件，既可以是檢測電壓故障的電壓監控器，或是防止過(guò)流的電流傳感器，也可以是其他技術(shù)。本文討論了如何使用具有低電平有效輸出的傳感器和電源監控器來(lái)實(shí)現電源循環(huán)，從而保護下游系統。
結論
市面上有許多技術(shù)支持使用了來(lái)自監控電路的低電平有效信號來(lái)驅動(dòng)高端開(kāi)關(guān)，以實(shí)現電源循環(huán)。帶有附加元件的NPN雙極晶體管是一種成本較低的選擇，可滿(mǎn)足驅動(dòng)P溝道MOSFET輸入開(kāi)關(guān)的要求。另一方面，N溝道MOSFET方案需要的元件更少，更容易實(shí)現，但總體成本更高。N溝道MOSFET在用作高頻開(kāi)關(guān)時(shí)也表現出不少優(yōu)勢。這兩種方法都經(jīng)過(guò)了充分驗證，可為系統電源循環(huán)設計帶來(lái)裨益。
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