利用低電平有效輸出驅(qū)動高端MOSFET輸入開關(guān)以實現(xiàn)系統(tǒng)電源循環(huán)

摘要

在無線收發(fā)器等應(yīng)用中，系統(tǒng)一般處于偏遠地區(qū)，通常由電池供電。由于鮮少有人能夠前往現(xiàn)場進行干預(yù)，此類應(yīng)用必須持續(xù)運行。系統(tǒng)持續(xù)無活動或掛起后，需要復(fù)位系統(tǒng)以恢復(fù)操作。為了實現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)位，可以切斷電源電壓，斷開系統(tǒng)電源，然后再次連接電源以重啟系統(tǒng)。

本文將探討使用什么方法和技術(shù)可以監(jiān)控電路的低電平有效輸出來驅(qū)動高端輸入開關(guān)，從而執(zhí)行系統(tǒng)電源循環(huán)。

簡介

為了提高電子系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)健性，一種方法是實施能夠檢測故障并及時響應(yīng)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(tǒng)正常運行。電源循環(huán)可以確保系統(tǒng)正常運行并提供保護，通常在系統(tǒng)無響應(yīng)和不活動時工作，以使其能夠持續(xù)運轉(zhuǎn)。電源循環(huán)借助電源開關(guān)實現(xiàn)，該開關(guān)會先斷開電源輸入與下游電子系統(tǒng)之間的路徑，再閉合相關(guān)路徑以重啟系統(tǒng)。一旦系統(tǒng)的微控制器單元(MCU)無響應(yīng)，并且持續(xù)不活動，系統(tǒng)就會進入復(fù)位模式，開始電源循環(huán)。

較常用于實現(xiàn)高端電源路徑或輸入開關(guān)的方法是使用MOSFET。N溝道或P溝道MOSFET均可用作輸入開關(guān)，每種開關(guān)的驅(qū)動要求各有不同。驅(qū)動N溝道MOSFET作為高端開關(guān)有點復(fù)雜，因此，通常會選用P溝道MOSFET。

監(jiān)控電路通過監(jiān)測電源電壓和/或使用看門狗定時器檢測是否存在脈沖，可以輕松檢測到系統(tǒng)是否處于不活動狀態(tài)。看門狗定時器功能增強了監(jiān)控電路作為綜合保護解決方案的能力。一旦檢測到不活動狀態(tài)，看門狗定時器就會置位復(fù)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(fù)位模式，或觸發(fā)不可屏蔽中斷，促使系統(tǒng)采取糾正措施。雖然低電平有效輸出主要用于復(fù)位微控制器，但在系統(tǒng)長時間無響應(yīng)等情況下，也需要執(zhí)行電源循環(huán)。為此，可以利用多種技術(shù)從監(jiān)控電路低電平有效輸出驅(qū)動高端P溝道MOSFET輸入開關(guān)，從而獲得更出色的系統(tǒng)可靠性。

使用MOSFET作為高端輸入開關(guān)

圖1為一個應(yīng)用電路，使用了高端輸入開關(guān)保護下游電子系統(tǒng)不受掉電故障影響。MOSFET支持根據(jù)應(yīng)用需要，輕松選擇適當(dāng)?shù)碾妷汉?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E7%94%B5%E6%B5%81/">電流額定值，是系統(tǒng)高端開關(guān)設(shè)計的理想器件。

圖1.高端輸入開關(guān)實現(xiàn)示例，可保護系統(tǒng)不受掉電故障影響

高端輸入開關(guān)可以是N溝道或P溝道MOSFET。柵極電壓較低時，N溝道MOSFET開關(guān)斷開，電源電壓連接隨之?dāng)嚅_。要使N溝道MOSFET完全閉合并將電源連接到下游電子系統(tǒng)，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驅(qū)動高端N溝道MOSFET，同時保持解決方案的簡單性。使用P溝道MOSFET作為高端輸入開關(guān)不需要電荷泵，但極性相反。這種方法更簡單，因而成為許多應(yīng)用的常用方法。

監(jiān)控電路輸出驅(qū)動輸入開關(guān)

在電路中使用P溝道MOSFET時，先為柵極、源極和漏極端建立適當(dāng)?shù)钠脳l件非常重要。柵源電壓(VGS)在控制MOSFET導(dǎo)通方面起著關(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(qū)，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(dǎo)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(dǎo)通。另一個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(guī)定的VDS限值內(nèi)工作，以防止損壞器件。

電壓監(jiān)視器或監(jiān)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(dāng)輸入條件為真且得到滿足時，輸出置為低電平；而當(dāng)輸入條件為假時，輸出置為高電平。后者“高電平有效”是指當(dāng)輸入條件為真時，輸出置為高電平；而當(dāng)輸入條件為假且未得到滿足時，輸出置為低電平。監(jiān)控電路常用于復(fù)位微控制器，因此故障期間會使用低電平有效輸出將微控制器的復(fù)位引腳拉低。利用高電平有效輸出驅(qū)動P溝道MOSFET非常簡單，對于開漏拓撲來說尤為如此。

圖2.P溝道MOSFET用作高端輸入開關(guān)，可提供過壓保護

監(jiān)控電路的高電平有效輸出連接到P溝道MOSFET的柵極。當(dāng)監(jiān)控的電壓低于指定閾值時，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(dāng)監(jiān)控的電壓超過閾值時，OUT引腳變?yōu)楦唠娖?，P溝道MOSFET關(guān)斷，負載與電源電壓斷開連接。

圖2中，高壓可調(diào)時序控制和監(jiān)控電路MAX16052用作過壓保護電路。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引腳為低電平時讓柵極保持高電平。

當(dāng)監(jiān)控的電壓低于MAX16052指定的固定閾值時，OUT引腳將柵極引腳拉低，導(dǎo)致P溝道MOSFET開關(guān)處于短路狀態(tài)或?qū)顟B(tài)。當(dāng)監(jiān)控的電壓超過閾值時，OUT引腳變?yōu)楦唠娖剑琍溝道MOSFET關(guān)斷，負載與電源電壓斷開連接。

在某些應(yīng)用中，期望的監(jiān)控要求可能僅適用于低電平有效輸出。這意味著，當(dāng)滿足監(jiān)控條件時，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)來利用低電平有效輸出控制輸入開關(guān)。例如，系統(tǒng)32秒不活動后微控制器需要復(fù)位，128秒持續(xù)不活動后系統(tǒng)需要啟用電源循環(huán)，那么可以使用看門狗定時器的看門狗輸入(WDI)引腳來檢測不活動情況。當(dāng)一段時間（看門狗超時時長tWD）內(nèi)沒有檢測到脈沖或變化時，看門狗輸出(WDO)變?yōu)榈碗娖?。帶有看門狗定時器的MAX16155 nanopower電源監(jiān)控器有多個型號，可以滿足所需的32 s和128 s看門狗超時時長要求。為了實現(xiàn)所需的功能，我們需要兩個看門狗定時器，一個用于復(fù)位微控制器，另一個用于啟動圖3所示的電源循環(huán)例程。其中要解決的主要挑戰(zhàn)在于需確定如何使用不同型號看門狗定時器的低電平輸出，以在不活動或系統(tǒng)無響應(yīng)狀態(tài)下斷開輸入開關(guān)，實現(xiàn)電源循環(huán)。

圖3.使用了兩個具有不同看門狗超時時長的MAX16155看門狗定時器，分別用于軟復(fù)位和電源循環(huán)

NPN雙極結(jié)型晶體管用作驅(qū)動電路

驅(qū)動P溝道高端開關(guān)的一種方法是使用NPN雙極結(jié)型晶體管(BJT)，如圖4所示。此電路形成一個逆變器，將來自看門狗輸出的低電平有效信號轉(zhuǎn)換為P溝道MOSFET開關(guān)所需的高電平邏輯信號。

當(dāng)系統(tǒng)處于活動狀態(tài)時，MAX16155 WDO引腳的看門狗輸出處于空閑狀態(tài)，通常為高電平。然后會通過限流電阻網(wǎng)絡(luò)連接到驅(qū)動晶體管的基極引腳。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(jié)型晶體管的控制輸入。它在基極-發(fā)射極結(jié)上建立足夠的電壓，使晶體管進入導(dǎo)通狀態(tài)。

電阻分壓器連接到高端MOSFET開關(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(dǎo)通狀態(tài)還是關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)WDO引腳激活NPN雙極結(jié)型晶體管時，電流流過晶體管。這會將電阻分壓器拉低至GND，從而改變電阻分壓器結(jié)點處的電壓。然后，此電壓被施加到高端MOSFET的柵極引腳。這會產(chǎn)生一個電位差，柵極引腳的電位低于源極引腳的電位，導(dǎo)致MOSFET導(dǎo)通。當(dāng)MOSFET處于導(dǎo)通狀態(tài)時，電源就被提供給系統(tǒng)微處理器或負載。圖5顯示了系統(tǒng)處于活動狀態(tài)，電源通過開關(guān)Q2提供的電流流動情況。

然而，當(dāng)微處理器無響應(yīng)或無法在MAX16155看門狗定時器的預(yù)定超時時長內(nèi)提供輸入脈沖時，就會發(fā)生看門狗超時事件，WDO置為低電平。因此，NPN BJT Q1的基極被拉至地，導(dǎo)致其關(guān)斷。當(dāng)Q1斷開時，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。

圖4.使用NPN雙極結(jié)型晶體管(Q1)從低電平有效輸出驅(qū)動P溝道MOSFET(Q2)

圖5.正常運行時的電流——系統(tǒng)處于活動狀態(tài)

圖6.系統(tǒng)不活動期間的電流流動——發(fā)生電源循環(huán)

如圖5所示，NPN雙極結(jié)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(jié)型晶體管處于關(guān)斷狀態(tài)，電阻分壓器結(jié)點和柵極上的電壓將大致等于源極引腳中的電壓。這將導(dǎo)致MOSFET的柵極和源極之間的電位差為零，從而無法滿足MOSFET Q2保持導(dǎo)通狀態(tài)所需的VGS閾值。因此，隨著MOSFET關(guān)斷，微處理器的3.3 V電源也被斷開，從而有效切斷微處理器或負載的電源。系統(tǒng)不活動和電源循環(huán)期間的等效電路和電流如圖6所示。

當(dāng)WDO輸出脈沖寬度完成并返回高電平后，系統(tǒng)恢復(fù)正常運行。在此階段，微處理器恢復(fù)向WDI引腳發(fā)送常規(guī)輸入脈沖，以防更多看門狗超時事件發(fā)生。NPN雙極結(jié)型晶體管返回活動狀態(tài)，使高端MOSFET可以保持導(dǎo)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，這意味著系統(tǒng)處于不活動狀態(tài)。經(jīng)過超時時長后，CH2中的WDO信號置為低電平，在此期間，高端輸入開關(guān)Q1斷開。因此，CH3中沒有測量到電壓，MCU也沒有電源電壓，系統(tǒng)開始重啟。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連接。

圖7.驅(qū)動電路中采用NPN雙極結(jié)型晶體管的信號（CH1—WDI信號；CH2—WDO信號；CH3—MCU電源；CH4—IOUT）

使用NPN雙極結(jié)型晶體管作為高端開關(guān)驅(qū)動器的主要優(yōu)點之一是雙極結(jié)型晶體管的成本較低。然而，偏置NPN雙極結(jié)型晶體管需要借助電阻等附加外部元件進行適當(dāng)調(diào)整。

圖8.使用N溝道MOSFET (Q1)從低電平有效輸出驅(qū)動P溝道MOSFET(Q2)

N溝道MOSFET用作驅(qū)動電路

另一種采用N溝道MOSFET的驅(qū)動電路可用來控制高端P溝道MOSFET。與使用雙極晶體管相比，這種方法有幾個優(yōu)點。

N溝道MOSFET的低導(dǎo)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的快速開關(guān)特性可縮短響應(yīng)時間，監(jiān)控系統(tǒng)的實時性能得以增強。MOSFET的另一個優(yōu)點是開關(guān)損耗更低，工作頻率更高。這有助于實現(xiàn)平穩(wěn)高效的操作并節(jié)省電量，對電池供電等類似應(yīng)用非常有益。

此外，柵極驅(qū)動要求比雙極結(jié)型晶體管的要求更低，因此可以進一步簡化驅(qū)動電路，減少需要的元件數(shù)量。看門狗輸出可以直接驅(qū)動圖8所示N溝道MOSFET的柵極。WDO的上拉電壓應(yīng)達到N溝道MOSFET的柵極閾值電壓VGS(th)才能正常工作。當(dāng)系統(tǒng)處于活動狀態(tài)時，WDO的邏輯高電平輸出電壓將使Q1導(dǎo)通，進而Q2導(dǎo)通，向系統(tǒng)供電。與雙極晶體管的情況一樣，在系統(tǒng)不活動期間，WDO引腳的邏輯低電平輸出將關(guān)斷Q1并斷開Q2，從而切斷系統(tǒng)的電源電壓。使用N溝道MOSFET作為驅(qū)動電路時，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關(guān)驅(qū)動方法不僅對無線收發(fā)器有益，而且對故障期間（例如功能和本質(zhì)安全系統(tǒng)中的過壓和過流情況）需要通過電源循環(huán)例程來提供系統(tǒng)保護的其他應(yīng)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(jiān)控器，或是防止過流的電流傳感器，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(jiān)控器來實現(xiàn)電源循環(huán)，從而保護下游系統(tǒng)。

圖9.驅(qū)動電路中采用N溝道MOSFET的信號（CH1—WDI信號；CH2—WDO信號；CH3—MCU電源；CH4—IOUT）

結(jié)論

市面上有許多技術(shù)支持使用了來自監(jiān)控電路的低電平有效信號來驅(qū)動高端開關(guān)，以實現(xiàn)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，可滿足驅(qū)動P溝道MOSFET輸入開關(guān)的要求。另一方面，N溝道MOSFET方案需要的元件更少，更容易實現(xiàn)，但總體成本更高。N溝道MOSFET在用作高頻開關(guān)時也表現(xiàn)出不少優(yōu)勢。這兩種方法都經(jīng)過了充分驗證，可為系統(tǒng)電源循環(huán)設(shè)計帶來裨益。