用于系統(tǒng)功率循環(huán)的高壓側(cè) MOSFET 輸入開關(guān)選擇

作者：Pete Bartolik

投稿人：DigiKey 北美編輯

功率循環(huán)在確保電子應(yīng)用不間斷運行方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，尤其是那些部署在偏遠(yuǎn)地區(qū)并由電池供電的應(yīng)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(yīng)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(qū)動高壓側(cè) MOSFET 輸入開關(guān)。

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?fù)浠驇в猩侠?a target="_blank">電阻的開漏輸出輸出拓?fù)洹?/p>

• 低電平有效，當(dāng)輸入條件滿足時，輸出變?yōu)榈碗娖?，?dāng)輸入條件不滿足時，輸出變?yōu)楦唠娖?/li>
• 高電平有效，當(dāng)輸入條件滿足時，輸出變?yōu)楦唠娖剑?dāng)輸入條件不滿足時，輸出變?yōu)榈碗娖?/li>

監(jiān)控電路通過跟蹤電壓供應(yīng)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(dāng)這些保障措施檢測到問題時，功率循環(huán)會打開，然后關(guān)閉電源和下游系統(tǒng)之間的通路，使單片機(jī) (MCU) 進(jìn)入復(fù)位過程。電路高壓側(cè)的輸入開關(guān)（圖 1）用于控制下游電子系統(tǒng)的電源。

當(dāng)然，選擇合適的元件并應(yīng)對潛在的挑戰(zhàn)（如功率循環(huán)過程中可能產(chǎn)生的發(fā)熱和開關(guān)噪聲）至關(guān)重要。

圖 1：使用高壓側(cè)開關(guān)保護(hù)下游電子系統(tǒng)以免在斷電情況下出錯的應(yīng)用電路。（圖片來源：Analog Devices, Inc.）

當(dāng)然，選擇合適的元件并應(yīng)對潛在的挑戰(zhàn)（如功率循環(huán)過程中可能產(chǎn)生的發(fā)熱和開關(guān)噪聲）至關(guān)重要。

高壓側(cè)電源開關(guān)

功率循環(huán)可用于各種應(yīng)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(shè)備、智能家居設(shè)備、電源和消費電子產(chǎn)品。

金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 具有低導(dǎo)通電阻、高開關(guān)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(guān)閉 MOSFET 以進(jìn)行循環(huán)供電。這種方法允許系統(tǒng)從無響應(yīng)狀態(tài)中重置和恢復(fù)，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(guān)閉 P 溝道 MOSFET 所需的條件和電路沒有 N 溝道 MOSFET 那么復(fù)雜。

對于 P 溝道 MOSFET，柵極電壓必須低于源極電壓才能導(dǎo)通，而對于 N 溝道 MOSFET，柵極電壓必須高于源極電壓才能導(dǎo)通。

當(dāng) N 溝道 MOSFET 用作高壓側(cè)輸入開關(guān)時，低柵極電壓會導(dǎo)致開關(guān)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(chǎn)生正的柵源電壓 (V GS )，以確保開關(guān)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(fù) VGS 打開，從而簡化了應(yīng)用設(shè)計，但代價是導(dǎo)通電阻增大，能效降低。

實現(xiàn) P 溝道高壓開關(guān)

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 V GS(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 (V DS ) 在規(guī)定范圍內(nèi)工作，以確保器件不會損壞。

當(dāng)?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(yīng)電壓到負(fù)載的連接。當(dāng)該電壓低于閾值時，OUT 引腳變?yōu)楦唠娖?，P 溝道 MOSFET 關(guān)斷，負(fù)載與該供應(yīng)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(hù)電路。這種穩(wěn)健的方法使用 P 溝道 MOSFET 作為高壓側(cè)開關(guān)，連接到 [Analog Devices, Inc.] [MAX16052] 功率管理 IC（圖 2），確保負(fù)載與供應(yīng)電壓相連。

圖 2：P 溝道 MOSFET 用作高壓側(cè)開關(guān)以實現(xiàn)過壓保護(hù)。（圖片來源：Analog Devices, Inc.）

當(dāng)開漏 OUT 引腳處于高阻抗?fàn)顟B(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(dāng)受監(jiān)測電壓超過閾值時，OUT 引腳進(jìn)入高阻抗?fàn)顟B(tài)，從而關(guān)閉 P 溝道 MOSFET 并斷開負(fù)載與供應(yīng)電壓的連接。反之，當(dāng)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(gòu)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(diào)節(jié)的電壓監(jiān)控，并使用內(nèi)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(qiáng)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(hù)能力。在這些情況下，看門狗定時器可以檢測到一定時間內(nèi)沒有脈沖或轉(zhuǎn)換（稱為看門狗超時 (t WD )），然后就會激活單片機(jī)復(fù)位或啟動功率循環(huán)。

當(dāng)正電源電壓 (V CC ) 超過最低工作電壓時，即使低于復(fù)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(fù)位輸出。使用兩個 WDT 的應(yīng)用（圖 3）可以在 32 秒未活動后啟用單片機(jī)軟復(fù)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(fù)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(qū)動 P 溝道高壓側(cè)開關(guān)的一種選擇是使用 NPN 雙極結(jié)型晶體管 (BJT) 作為逆變器，將看門狗輸出的會關(guān)閉 NPN 晶體管的低電平信號轉(zhuǎn)換為會通過上拉電阻關(guān)閉 P 溝道 MOSFET 的高電平信號（圖 4）。當(dāng)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(jié)型晶體管 (Q1) 驅(qū)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 V GS 。當(dāng) NPN 晶體管導(dǎo)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(dǎo)通 P 溝道 MOSFET，為系統(tǒng)供電。

如果微處理器反應(yīng)遲鈍或未能在 MAX16155 看門狗定時器預(yù)定義的超時時間內(nèi)發(fā)送輸入脈沖，則會發(fā)生看門狗超時事件，導(dǎo)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(guān)閉。當(dāng) NPN 晶體管關(guān)閉時，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。

一旦看門狗定時器的 WDO 輸出返回高電平，系統(tǒng)就會恢復(fù)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(jìn)一步超時。NPN 晶體管導(dǎo)通，使高壓側(cè) MOSFET 保持導(dǎo)通，確保為微處理器持續(xù)通電。

雙極結(jié)型晶體管的低成本是 P 溝道高壓側(cè)開關(guān)的設(shè)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(dāng)微調(diào)。

使用 N 溝道 MOSFET 驅(qū)動電路

與雙極晶體管相比，使用 N 溝道 MOSFET 控制高壓側(cè) P 溝道 MOSFET 有幾個優(yōu)點。

N 溝道 MOSFET 具有較低的導(dǎo)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(yīng)時間。它開關(guān)損耗更低，工作頻率更高，是電池供電型設(shè)備之類高能效應(yīng)用的理想之選。此外，柵極驅(qū)動要求也比 BJT 低，從而簡化了驅(qū)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(guān)閉 Q1，從而關(guān)閉 Q2，并切斷電源。

圖 5：N 溝道 MOSFET（Q1）驅(qū)動 P 溝道 MOSFET（Q2）。（圖片來源：Analog Devices, Inc.）

結(jié)語

使用 N 溝道或 P 溝道 MOSFET 驅(qū)動高壓側(cè)開關(guān)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(guān)。具體哪一種方法最佳，則取決于開發(fā)人員的設(shè)計偏好和應(yīng)用要求。

審核編輯 黃宇