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來(lái)源：DigiKey 作者：Pete Bartolik 功率循環(huán)在確保電子應用不間斷運行方面發(fā)揮著(zhù)關(guān)鍵作用，尤其是那些部署在偏遠地區并由電池供電的應用。斷開(kāi)和重新連接電源可以重置因持續不活動(dòng)或系統掛起而失去響應的系統。一種有效且廣泛使用的功率循環(huán)方法是利用監控電路的低電平有效輸出來(lái)驅動(dòng)高壓側 MOSFET 輸入開(kāi)關(guān)。 電壓監視器或監控電路可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。這適用于推挽輸出拓撲或帶有上拉電阻的開(kāi)漏輸出輸出拓撲。 · 低電平有效，當輸入條件滿(mǎn)足時(shí)，輸出變?yōu)榈碗娖�，當輸入條件不滿(mǎn)足時(shí)，輸出變?yōu)楦唠娖?br /> · 高電平有效，當輸入條件滿(mǎn)足時(shí)，輸出變?yōu)楦唠娖�，當輸入條件不滿(mǎn)足時(shí)，輸出變?yōu)榈碗娖?br /> 監控電路通過(guò)跟蹤電壓供應或通過(guò)使用看門(mén)狗定時(shí)器檢測不活動(dòng)狀態(tài)（或兩者方式兼而有之）來(lái)監控系統活動(dòng)。當這些保障措施檢測到問(wèn)題時(shí)，功率循環(huán)會(huì )打開(kāi)，然后關(guān)閉電源和下游系統之間的通路，使單片機 (MCU) 進(jìn)入復位過(guò)程。電路高壓側的輸入開(kāi)關(guān)（圖 1）用于控制下游電子系統的電源。 當然，選擇合適的元件并應對潛在的挑戰（如功率循環(huán)過(guò)程中可能產(chǎn)生的發(fā)熱和開(kāi)關(guān)噪聲）至關(guān)重要。 
圖 1：使用高壓側開(kāi)關(guān)保護下游電子系統以免在斷電情況下出錯的應用電路。（圖片來(lái)源：Analog Devices, Inc.） 當然，選擇合適的元件并應對潛在的挑戰（如功率循環(huán)過(guò)程中可能產(chǎn)生的發(fā)熱和開(kāi)關(guān)噪聲）至關(guān)重要。 高壓側電源開(kāi)關(guān) 功率循環(huán)可用于各種應用，以提高系統可靠性并減輕潛在的損壞，包括無(wú)線(xiàn)收發(fā)器、醫療設備、智能家居設備、電源和消費電子產(chǎn)品。 金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管 (MOSFET) 具有低導通電阻、高開(kāi)關(guān)速度和高輸入阻抗等特點(diǎn)，因此廣泛用于功率循環(huán)。 監控電路的輸出可以控制 MOSFET 的柵極，從而有效打開(kāi)或關(guān)閉 MOSFET 以進(jìn)行循環(huán)供電。這種方法允許系統從無(wú)響應狀態(tài)中重置和恢復，從而確保最佳的系統可靠性。 采用這種方法的開(kāi)發(fā)人員可以選擇使用 N 溝道或 P 溝道 MOSFET，但許多人更傾向于使用 P 溝道方法，因為開(kāi)啟和關(guān)閉 P 溝道 MOSFET 所需的條件和電路沒(méi)有 N 溝道 MOSFET 那么復雜。 對于 P 溝道 MOSFET，柵極電壓必須低于源極電壓才能導通，而對于 N 溝道 MOSFET，柵極電壓必須高于源極電壓才能導通。 當 N 溝道 MOSFET 用作高壓側輸入開(kāi)關(guān)時(shí)，低柵極電壓會(huì )導致開(kāi)關(guān)斷開(kāi)并切斷電源。雖然 N 溝道 MOSFET 通常具有更高的效率和性能，但在這種情況下，需要額外的電路（如充電泵）來(lái)產(chǎn)生正的柵源電壓 (VGS)，以確保開(kāi)關(guān)完全重新連接電源。 使用 P 溝道 MOSFET 時(shí)就不需要額外的電路，它可以由負 VGS 打開(kāi)，從而簡(jiǎn)化了應用設計，但代價(jià)是導通電阻增大，能效降低。 實(shí)現 P 溝道高壓開(kāi)關(guān) 采用 P 溝道方法時(shí)，用于控制 MOSFET 的柵源電壓必須至少低于電源的柵源閾值電壓 VGS(th)，以使電流從源極流向漏極。另一個(gè)考慮因素是確保漏極和源極之間的電壓 (VDS) 在規定范圍內工作，以確保器件不會(huì )損壞。 當低電平有效監控電路輸出連接到 P 溝道 MOSFET 的柵極時(shí)，OUT 引腳會(huì )在超過(guò)指定閾值時(shí)將柵極拉低，從而激活從供應電壓到負載的連接。當該電壓低于閾值時(shí)，OUT 引腳變?yōu)楦唠娖�，P 溝道 MOSFET 關(guān)斷，負載與該供應電壓斷開(kāi)。 開(kāi)發(fā)人員可以通過(guò)將器件的 OUT 引腳直接連接到 P 溝道 MOSFET 的柵極來(lái)實(shí)現高效的過(guò)壓保護電路。這種穩健的方法使用 P 溝道 MOSFET 作為高壓側開(kāi)關(guān)，連接到 Analog Devices, Inc. MAX16052 功率管理 IC（圖 2），確保負載與供應電壓相連。
圖 2：P 溝道 MOSFET 用作高壓側開(kāi)關(guān)以實(shí)現過(guò)壓保護。（圖片來(lái)源：Analog Devices, Inc.） 當開(kāi)漏 OUT 引腳處于高阻抗狀態(tài)時(shí)，受監測電壓與 P 溝道 MOSFET 柵極之間的外部上拉電阻會(huì )使柵極保持高電平。當受監測電壓超過(guò)閾值時(shí)，OUT 引腳進(jìn)入高阻抗狀態(tài)，從而關(guān)閉 P 溝道 MOSFET 并斷開(kāi)負載與供應電壓的連接。反之，當受監測電壓低于閾值時(shí)，OUT 引腳將柵極引腳拉低。 MAX16052 與 ADI 的 MAX16053 構成了一系列小型、低功耗、高電壓監控電路，具有定序功能，均采用緊湊型 6 引腳 SOT23 封裝。MAX16052 提供高電平有效開(kāi)漏輸出，而 MAX16053 則提供高電平有效推挽輸出。兩者都可對低至 0.5 V 的輸入提供可調節的電壓監控，并使用內部固定 0.5 V 閾值的高阻抗輸入 (IN) 執行電壓監控。 使用看門(mén)狗定時(shí)器 看門(mén)狗定時(shí)器 (WDT) 可以增強監控電路在滿(mǎn)足監控條件時(shí)且輸出信號低的情況下的保護能力。在這些情況下，看門(mén)狗定時(shí)器可以檢測到一定時(shí)間內沒(méi)有脈沖或轉換（稱(chēng)為看門(mén)狗超時(shí) (tWD)），然后就會(huì )激活單片機復位或啟動(dòng)功率循環(huán)。 當正電源電壓 (VCC) 超過(guò)最低工作電壓時(shí)，即使低于復位閾值，ADI 帶看門(mén)狗定時(shí)器的 MAX16155 毫微功耗監控器也會(huì )啟動(dòng)復位輸出。使用兩個(gè) WDT 的應用（圖 3）可以在 32 秒未活動(dòng)后啟用單片機軟復位，在 128 秒未活動(dòng)后啟用系統功率循環(huán)。
圖 3：在此配置中，看門(mén)狗定時(shí)器 1 將啟動(dòng)軟復位，而看門(mén)狗定時(shí)器 2 則啟動(dòng)系統功率循環(huán)。（圖片來(lái)源：Analog Devices, Inc.） 驅動(dòng) P 溝道高壓側開(kāi)關(guān)的一種選擇是使用 NPN 雙極結型晶體管 (BJT) 作為逆變器，將看門(mén)狗輸出的會(huì )關(guān)閉 NPN 晶體管的低電平信號轉換為會(huì )通過(guò)上拉電阻關(guān)閉 P 溝道 MOSFET 的高電平信號（圖 4）。當系統處于激活狀態(tài)時(shí)，看門(mén)狗輸出 (WDO) 為高電平，通過(guò)電阻器將信號發(fā)送到 NPN 晶體管的基極，使其開(kāi)啟。
圖 4：NPN 雙極結型晶體管 (Q1) 驅動(dòng) P 溝道 MOSFET (Q2)。（圖片來(lái)源：Analog Devices, Inc.） 連接到 MOSFET 柵極和源極的電阻分壓器控制 VGS。當 NPN 晶體管導通時(shí)，它會(huì )將電阻分壓器拉低，使柵極電壓低于源極電壓，從而導通 P 溝道 MOSFET，為系統供電。 如果微處理器反應遲鈍或未能在 MAX16155 看門(mén)狗定時(shí)器預定義的超時(shí)時(shí)間內發(fā)送輸入脈沖，則會(huì )發(fā)生看門(mén)狗超時(shí)事件，導致 WDO 引腳斷定為低電平。這一動(dòng)作會(huì )將 NPN 的基極拉到地電位，使其關(guān)閉。當 NPN 晶體管關(guān)閉時(shí)，P 溝道 MOSFET 柵極和源極的電壓相同，從而關(guān)閉 MOSFET 并切斷微處理器的電源。 一旦看門(mén)狗定時(shí)器的 WDO 輸出返回高電平，系統就會(huì )恢復正常運行。然后，微處理器會(huì )定期向 WDI 引腳發(fā)送脈沖，防止進(jìn)一步超時(shí)。NPN 晶體管導通，使高壓側 MOSFET 保持導通，確保為微處理器持續通電。 雙極結型晶體管的低成本是 P 溝道高壓側開(kāi)關(guān)的設計優(yōu)勢，但需要借助額外的外部元件（如電阻器）進(jìn)行適當微調。 使用 N 溝道 MOSFET 驅動(dòng)電路 與雙極晶體管相比，使用 N 溝道 MOSFET 控制高壓側 P 溝道 MOSFET 有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。 N 溝道 MOSFET 具有較低的導通電阻，可減少功率損耗并提高效率。它還能快速切換，改善系統響應時(shí)間。它開(kāi)關(guān)損耗更低，工作頻率更高，是電池供電型設備之類(lèi)高能效應用的理想之選。此外，柵極驅動(dòng)要求也比 BJT 低，從而簡(jiǎn)化了驅動(dòng)電路，減少了元件數量。 看門(mén)狗輸出可直接控制 N 溝道 MOSFET 的柵極。WDO 的上拉電壓必須與 MOSFET 的柵極閾值電壓 (VGS(th) 匹配，才能正常工作。系統激活時(shí)，高電平 WDO 信號會(huì )打開(kāi) N 溝道 MOSFET（圖 5 中的 Q1），然后打開(kāi) P 溝道 MOSFET（圖 5 中的 Q2），為系統供電。系統不活動(dòng)時(shí)，低電平 WDO 信號會(huì )關(guān)閉 Q1，從而關(guān)閉 Q2，并切斷電源。
圖 5：N 溝道 MOSFET（Q1）驅動(dòng) P 溝道 MOSFET（Q2）。（圖片來(lái)源：Analog Devices, Inc.） 結語(yǔ) 使用 N 溝道或 P 溝道 MOSFET 驅動(dòng)高壓側開(kāi)關(guān)都是系統功率循環(huán)的可靠方法。采用 NPN 雙極晶體管和附加元件的 P 溝道方法成本較低，而成本較高的 N 溝道方法更適合高頻開(kāi)關(guān)。具體哪一種方法最佳，則取決于開(kāi)發(fā)人員的設計偏好和應用要求。 |
