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來源：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)揮著關鍵作用，尤其是那些部署在偏遠地區(qū)并由電池供電的應用。斷開和重新連接電源可以重置因持續(xù)不活動或系統(tǒng)掛起而失去響應的系統(tǒng)。一種有效且廣泛使用的功率循環(huán)方法是利用監(jiān)控電路的低電平有效輸出來驅動高壓側 MOSFET 輸入開關。 電壓監(jiān)視器或監(jiān)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漏輸出輸出拓撲。 · 低電平有效，當輸入條件滿足時，輸出變?yōu)榈碗娖剑斴斎霔l件不滿足時，輸出變?yōu)楦唠娖?br /> · 高電平有效，當輸入條件滿足時，輸出變?yōu)楦唠娖剑斴斎霔l件不滿足時，輸出變?yōu)榈碗娖?br /> 監(jiān)控電路通過跟蹤電壓供應或通過使用看門狗定時器檢測不活動狀態(tài)（或兩者方式兼而有之）來監(jiān)控系統(tǒng)活動。當這些保障措施檢測到問題時，功率循環(huán)會打開，然后關閉電源和下游系統(tǒng)之間的通路，使單片機 (MCU) 進入復位過程。電路高壓側的輸入開關（圖 1）用于控制下游電子系統(tǒng)的電源。 當然，選擇合適的元件并應對潛在的挑戰(zhàn)（如功率循環(huán)過程中可能產生的發(fā)熱和開關噪聲）至關重要。 
圖 1：使用高壓側開關保護下游電子系統(tǒng)以免在斷電情況下出錯的應用電路。（圖片來源：Analog Devices, Inc.） 當然，選擇合適的元件并應對潛在的挑戰(zhàn)（如功率循環(huán)過程中可能產生的發(fā)熱和開關噪聲）至關重要。 高壓側電源開關 功率循環(huán)可用于各種應用，以提高系統(tǒng)可靠性并減輕潛在的損壞，包括無線收發(fā)器、醫(yī)療設備、智能家居設備、電源和消費電子產品。 金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET) 具有低導通電阻、高開關速度和高輸入阻抗等特點，因此廣泛用于功率循環(huán)。 監(jiān)控電路的輸出可以控制 MOSFET 的柵極，從而有效打開或關閉 MOSFET 以進行循環(huán)供電。這種方法允許系統(tǒng)從無響應狀態(tài)中重置和恢復，從而確保最佳的系統(tǒng)可靠性。 采用這種方法的開發(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，因為開啟和關閉 P 溝道 MOSFET 所需的條件和電路沒有 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 用作高壓側輸入開關時，低柵極電壓會導致開關斷開并切斷電源。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）來產生正的柵源電壓 (VGS)，以確保開關完全重新連接電源。 使用 P 溝道 MOSFET 時就不需要額外的電路，它可以由負 VGS 打開，從而簡化了應用設計，但代價是導通電阻增大，能效降低。 實現(xiàn) P 溝道高壓開關 采用 P 溝道方法時，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。另一個考慮因素是確保漏極和源極之間的電壓 (VDS) 在規(guī)定范圍內工作，以確保器件不會損壞。 當?shù)碗娖接行ПO(jiān)控電路輸出連接到 P 溝道 MOSFET 的柵極時，OUT 引腳會在超過指定閾值時將柵極拉低，從而激活從供應電壓到負載的連接。當該電壓低于閾值時，OUT 引腳變?yōu)楦唠娖剑琍 溝道 MOSFET 關斷，負載與該供應電壓斷開。 開發(fā)人員可以通過將器件的 OUT 引腳直接連接到 P 溝道 MOSFET 的柵極來實現(xiàn)高效的過壓保護電路。這種穩(wěn)健的方法使用 P 溝道 MOSFET 作為高壓側開關，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 用作高壓側開關以實現(xiàn)過壓保護。（圖片來源：Analog Devices, Inc.） 當開漏 OUT 引腳處于高阻抗狀態(tài)時，受監(jiān)測電壓與 P 溝道 MOSFET 柵極之間的外部上拉電阻會使柵極保持高電平。當受監(jiān)測電壓超過閾值時，OUT 引腳進入高阻抗狀態(tài)，從而關閉 P 溝道 MOSFET 并斷開負載與供應電壓的連接。反之，當受監(jiān)測電壓低于閾值時，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(jiān)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(jié)的電壓監(jiān)控，并使用內部固定 0.5 V 閾值的高阻抗輸入 (IN) 執(zhí)行電壓監(jiān)控。 使用看門狗定時器 看門狗定時器 (WDT) 可以增強監(jiān)控電路在滿足監(jiān)控條件時且輸出信號低的情況下的保護能力。在這些情況下，看門狗定時器可以檢測到一定時間內沒有脈沖或轉換（稱為看門狗超時 (tWD)），然后就會激活單片機復位或啟動功率循環(huán)。 當正電源電壓 (VCC) 超過最低工作電壓時，即使低于復位閾值，ADI 帶看門狗定時器的 MAX16155 毫微功耗監(jiān)控器也會啟動復位輸出。使用兩個 WDT 的應用（圖 3）可以在 32 秒未活動后啟用單片機軟復位，在 128 秒未活動后啟用系統(tǒng)功率循環(huán)。
圖 3：在此配置中，看門狗定時器 1 將啟動軟復位，而看門狗定時器 2 則啟動系統(tǒng)功率循環(huán)。（圖片來源：Analog Devices, Inc.） 驅動 P 溝道高壓側開關的一種選擇是使用 NPN 雙極結型晶體管 (BJT) 作為逆變器，將看門狗輸出的會關閉 NPN 晶體管的低電平信號轉換為會通過上拉電阻關閉 P 溝道 MOSFET 的高電平信號（圖 4）。當系統(tǒng)處于激活狀態(tài)時，看門狗輸出 (WDO) 為高電平，通過電阻器將信號發(fā)送到 NPN 晶體管的基極，使其開啟。
圖 4：NPN 雙極結型晶體管 (Q1) 驅動 P 溝道 MOSFET (Q2)。（圖片來源：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，它會將電阻分壓器拉低，使柵極電壓低于源極電壓，從而導通 P 溝道 MOSFET，為系統(tǒng)供電。 如果微處理器反應遲鈍或未能在 MAX16155 看門狗定時器預定義的超時時間內發(fā)送輸入脈沖，則會發(fā)生看門狗超時事件，導致 WDO 引腳斷定為低電平。這一動作會將 NPN 的基極拉到地電位，使其關閉。當 NPN 晶體管關閉時，P 溝道 MOSFET 柵極和源極的電壓相同，從而關閉 MOSFET 并切斷微處理器的電源。 一旦看門狗定時器的 WDO 輸出返回高電平，系統(tǒng)就會恢復正常運行。然后，微處理器會定期向 WDI 引腳發(fā)送脈沖，防止進一步超時。NPN 晶體管導通，使高壓側 MOSFET 保持導通，確保為微處理器持續(xù)通電。 雙極結型晶體管的低成本是 P 溝道高壓側開關的設計優(yōu)勢，但需要借助額外的外部元件（如電阻器）進行適當微調。 使用 N 溝道 MOSFET 驅動電路 與雙極晶體管相比，使用 N 溝道 MOSFET 控制高壓側 P 溝道 MOSFET 有幾個優(yōu)點。 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(tǒng)響應時間。它開關損耗更低，工作頻率更高，是電池供電型設備之類高能效應用的理想之選。此外，柵極驅動要求也比 BJT 低，從而簡化了驅動電路，減少了元件數(shù)量。 看門狗輸出可直接控制 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(tǒng)激活時，高電平 WDO 信號會打開 N 溝道 MOSFET（圖 5 中的 Q1），然后打開 P 溝道 MOSFET（圖 5 中的 Q2），為系統(tǒng)供電。系統(tǒng)不活動時，低電平 WDO 信號會關閉 Q1，從而關閉 Q2，并切斷電源。
圖 5：N 溝道 MOSFET（Q1）驅動 P 溝道 MOSFET（Q2）。（圖片來源：Analog Devices, Inc.） 結語 使用 N 溝道或 P 溝道 MOSFET 驅動高壓側開關都是系統(tǒng)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關。具體哪一種方法最佳，則取決于開發(fā)人員的設計偏好和應用要求。 |
