浮思特 | MOSFET和BJT在电源循环应用中的应用：驱动高侧开关
提高电子系统可靠性和鲁棒性的一种方法是实施能够检测故障并及时响应的保护机制。这些机制作为保障措施，减轻潜在损害并确保系统的正常运行。电源循环是一种确保系统正常运行并保护系统的方法，通常在无响应和不活动的系统上进行，以使它们能够持续工作。电源循环使用一个电源开关，打开电源输入和下游电子系统之间的路径，然后关闭路径以启动系统重启。一旦系统的微控制器单元(MCU)无响应，系统将进入复位模式，并在持续不活动的情况下开始电源循环。
实现高侧电源路径或输入开关的最常见方法是使用MOSFET。N沟道或P沟道MOSFET都可以用作输入开关，每种开关有不同的驱动要求。驱动N沟道MOSFET作为高侧开关有点复杂;因此，通常更倾向于使用P沟道MOSFET。
监控电路可以通过监测电源电压和/或使用看门狗定时器来检测脉冲的缺失，从而轻松检测系统的不活动。看门狗定时器功能增强了监控电路作为全面保护解决方案的能力。一旦检测到不活动，看门狗定时器会发出复位输出，通常是一个低电平有效信号。该信号可用于将微控制器置于复位模式或触发不可屏蔽中断以采取纠正措施。虽然低电平有效输出主要用于复位微控制器，但在某些情况下，例如当系统长时间无响应时，最好进行电源循环。这可以通过各种技术实现，以从监控电路的低电平有效输出驱动高侧P沟道MOSFET输入开关，从而实现最佳的系统可靠性。
图1
️使用MOSFET作为高侧输入开关
图1显示了一个使用高侧输入开关的应用电路，以保护下游电子系统在电压不足条件下免受错误影响。MOSFET是作为系统高侧开关的一个理想选择。可以轻松选择适当的电压和电流额定值以适应应用。
高侧输入开关可以是N沟道或P沟道MOSFET。当栅极电压为低电平时，N沟道MOSFET开关打开并断开电源电压。为了完全关闭N沟道MOSFET并将电源连接到下游电子系统，栅极电压必须比电源电压高至少MOSFET的阈值电压。这在使用N沟道MOSFET作为高侧输入开关时需要额外的电路，例如电荷泵。一些保护电路集成了比较器和电荷泵来驱动高侧N沟道MOSFET，同时保持解决方案的简单性。使用P沟道MOSFET作为高侧输入开关不需要电荷泵，但极性相反。由于其简单性，这是许多应用中的常见方法。
️监控电路输出驱动输入开关
在电路中使用P沟道MOSFET时，首先需要为栅极、源极和漏极端子建立适当的偏置条件。栅源电压(VGS)在控制MOSFET的导通中起着关键作用。对于P沟道MOSFET，栅极电压必须比源极电压低至少阈值电压。这种负偏置确保P沟道MOSFET偏置在其有源区，允许电流从源极流向漏极。此外，栅源阈值电压(VGS(th))决定了在栅极和源极端子之间创建导电通道所需的最小电压。对于P沟道MOSFET，VGS(th)通常指定为负值，表示栅极电压需要相对于源极足够负以允许导通。另一个重要的考虑因素是漏源电压(VDS)，即施加在漏极和源极端子之间的电压。必须在指定的VDS限制内操作MOSFET，以防止器件损坏。
电压监控器或监控电路可以为其逻辑电平输出提供两种选择：低电平有效和高电平有效输出信号。一方面，低电平有效意味着当输入条件为真且满足时，输出为低电平，当输入条件为假时，输出为高电平。另一方面，高电平有效意味着当输入条件为真时，输出为高电平，当输入条件为假且不满足时，输出为低电平。由于监控电路最常见的用途是微控制器复位，低电平有效输出用于在故障期间将微控制器的复位引脚拉低。使用高电平有效输出来驱动P沟道MOSFET非常简单，尤其是对于开漏拓扑结构。
监控电路的高电平有效输出连接到P沟道MOSFET的栅极。当监测电压低于指定阈值时，OUT引脚将栅极拉低，打开P沟道MOSFET。这将负载连接到电源电压。当监测电压超过阈值时，OUT引脚变为高电平，关闭P沟道MOSFET并将负载与电源电压断开。
在图2中，MAX16052，一种高压可调时序和监控电路，用作过压保护电路。器件的OUT引脚直接连接到P沟道MOSFET的栅极。P沟道MOSFET的源极连接到输入电压，漏极连接到负载。外部上拉电阻连接在VCC和P沟道MOSFET的栅极之间，以在OUT引脚为低电平时保持栅极为高电平。
当监测电压低于MAX16052的指定固定阈值时，OUT引脚将栅极引脚拉低，导致P沟道MOSFET开关处于短路状态或导通状态。当监测电压超过阈值时，OUT引脚变为高电平，关闭P沟道MOSFET并将负载与电源电压断开。
图2
在某些应用中，所需的监控规格可能仅适用于低电平有效输出。这意味着当监测条件满足时，输出信号为低电平。在这些情况下，需要使用技术来使用低电平有效输出控制输入开关。例如，在微控制器需要在32秒不活动后复位且系统需要在128秒不活动持续后进行电源循环的系统中，可以使用看门狗定时器通过其看门狗输入(WDI)引脚检测不活动。当在一定时间内(看门狗超时，tWD)未检测到脉冲或转换时，看门狗输出(WDO)变为低电平。具有看门狗定时器的MAX16155纳米功率监控器具有所需看门狗超时分别为32秒和128秒的变体。需要两个看门狗定时器来实现所需功能——一个用于复位微控制器，另一个用于启动如图3所示的电源循环例程。主要挑战是如何使用看门狗定时器变体的低输出来在不活动或系统无响应状态下打开输入开关以进行电源循环。
图3
️NPN双极结型晶体管作为驱动电路
驱动P沟道高侧开关的一种方法是使用NPN双极结型晶体管(BJT)，如图4所示。该电路形成一个反相器，将来自看门狗输出的低电平有效信号转换为P沟道MOSFET开关所需的高逻辑信号。
图4
当系统处于活动状态时，MAX16155 WDO引脚的看门狗输出处于空闲状态，通常为高电平。然后通过限流电阻网络连接到驱动晶体管的基极引脚。WDO引脚的正常高电平输出为NPN双极结型晶体管提供必要的基极-发射极电压作为控制输入。它在基极-发射极结上建立足够的电压，使晶体管进入导通状态。
电阻分压器连接到高侧MOSFET开关的栅极引脚和源极引脚，以控制其栅源电压(VGS)。该栅源电压决定MOSFET保持导通或关闭状态。当NPN双极结型晶体管被WDO引脚激活时，电流流过晶体管。这将电阻分压器拉低到GND，从而改变电阻分压器中的连接点电压。然后将该电压施加到高侧MOSFET的栅极引脚。这会产生一个电位差，其中栅极引脚的电势低于源极引脚，从而有效地打开MOSFET。当MOSFET处于导通状态时，电源提供给系统微处理器或负载。图5显示了系统处于活动状态时通过开关Q2提供电源时的电流流动。
图5
然而，当微处理器无响应或未能在MAX16155看门狗定时器的预定义超时时间内提供输入脉冲时，会发生看门狗超时事件，WDO变为低电平。这随后将NPN BJT Q1的基极拉到地，关闭它。当Q1打开时，P沟道MOSFET Q2的栅极和源极上的电压将大致相等，足以关闭它。
如图5所示，NPN双极结型晶体管的集电极引脚连接到高侧MOSFET的电阻分压器。由于NPN双极结型晶体管处于关闭状态，电阻分压器和栅极的连接点上的电压将大致等于源极引脚上的电压。这将导致MOSFET的栅极和源极之间的电位差为零，无法满足保持MOSFET Q2在导通状态所需的VGS阈值。因此，随着MOSFET现在关闭，微处理器的3.3 V电源断开，有效地切断微处理器或负载的电源。系统不活动和电源循环期间的等效电路和电流流动如图6所示。
图6
在WDO输出脉冲宽度完成并返回到高电压电平后，系统恢复到正常操作。在此阶段，微控制器恢复向WDI引脚发送常规输入脉冲，防止进一步的看门狗超时事件。NPN双极结型晶体管返回到其活动状态，允许高侧MOSFET保持导通，确保微处理器或负载的不间断电源供应。图7显示了使用NPN双极晶体管进行电源循环事件期间的波形。如CH1所示，WDI信号中未检测到转换，这意味着系统不活动。超时时间后，CH2中的WDO信号变为低电平，在此期间，高侧输入开关Q1打开。因此，CH3中未测量到电压，MCU电源电压和系统重启启动。CH4是负载消耗的输出电流，显示为零安培，表明负载与电源电压断开。
图7
使用NPN双极结型晶体管作为高侧开关的驱动器的主要优势之一是双极结型晶体管的成本较低。然而，偏置NPN双极结型晶体管需要借助额外的外部组件(如电阻)进行适当的调整。
️使用N沟道MOSFET作为驱动电路
可以使用N沟道MOSFET实现另一种驱动电路，用于控制高侧P沟道MOSFET。与使用双极晶体管相比，这种方法有几个优点。
N沟道MOSFET的低导通电阻确保器件上的电压降最小，从而减少功耗并提高能源效率。MOSFET的快速开关能力使其响应时间更快，增强了监控系统的实时性能。MOSFET的另一个优势是它表现出更低的开关损耗和更高的工作频率。这使得操作更加平稳和高效，从而在电池供电的应用中节省能源。
此外，栅极驱动要求比双极结型晶体管低，简化了驱动电路并减少了所需的组件数量。看门狗输出可以直接驱动图8中所示的N沟道MOSFET的栅极。
图8
WDO的上拉电压应满足N沟道MOSFET的栅极阈值电压VGS(th)以正常工作。当系统处于活动状态时，WDO的高逻辑输出电压将打开Q1，从而打开Q2，向系统供电。与双极晶体管的情况一样，系统不活动期间WDO引脚的低逻辑输出电平将关闭Q1并打开Q2，切断系统的电源电压。使用N沟道MOSFET作为驱动电路时，电源循环期间的信号行为如图9所示的捕获波形。
图9
这种驱动高侧开关的方法不仅有益于无线收发器，还适用于其他需要在系统保护期间进行电源循环例程的应用，例如功能和本质安全系统中的过压和过流。感应阶段取决于电源循环发生所需的条件。它可以是检测电压故障的电压监控器，或防止过流的电流传感器，以及其他技术。本文讨论了如何使用具有低电平有效输出的感应和监控设备来保护下游系统并进行电源循环。
️结论
可以使用多种技术来驱动高侧开关，使用来自监控电路的低电平有效信号进行电源循环。使用带有额外组件的NPN双极晶体管是一种较低成本的选择，满足驱动P沟道MOSFET输入开关的要求。另一方面，使用N沟道MOSFET需要更少的组件并且更容易实现，但总体成本更高。N沟道MOSFET在高频下用作开关时也具有优势。这两种方法都经过充分验证，并为系统电源循环提供了设计优势。
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