ตัวเลือกสวิตช์อินพุต MOSFET ด้านสูงสำหรับการหมุนเวียนพลังงานระบบ

การหมุนเวียนพลังงานมีบทบาทสำคัญในการทำให้การใช้งานด้านอิเล็กทรอนิกส์ทำงานอย่างต่อเนื่อง โดยเฉพาะอย่างยิ่งการใช้งานที่ใช้ในพื้นที่ห่างไกลและใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ การตัดการเชื่อมต่อและเชื่อมต่ออีกครั้งกับแหล่งจ่ายไฟใหม่สามารถรีเซ็ตระบบที่ไม่มีการตอบสนองเนื่องจากไม่มีการใช้งานอย่างต่อเนื่องหรือระบบค้างได้ วิธีการหนึ่งที่มีประสิทธิภาพและใช้กันอย่างแพร่หลายในการหมุนเวียนพลังงานคือการใช้เอาท์พุตต่ำแบบแอ็คทีฟของวงจรควบคุมเพื่อขับสวิตช์อินพุต MOSFET ด้านสูง

เครื่องตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าหรือวงจรควบคุมสามารถให้ตัวเลือกสองแบบสำหรับเอาต์พุตระดับลอจิกได้ ได้แก่ สัญญาณเอาต์พุตระดับต่ำแบบแอ็กทีฟและระดับสูงแบบแอ็กทีฟ สิ่งนี้ใช้ได้กับโทโพโลยีเอาต์พุตแบบพุช-พูลหรือโทโพโลยีเอาต์พุตแบบโอเพนเดรนที่มีตัวต้านทานแบบพุช-พูล

• แอคทีฟโลว์ ซึ่งเอาท์พุตจะต่ำเมื่อตรงตามเงื่อนไขอินพุต และจะสูงเมื่อไม่ตรงตามเงื่อนไขอินพุต
• แอ็คทีฟไฮ โดยเอาท์พุตจะสูงเมื่อตรงตามเงื่อนไขอินพุต และจะต่ำเมื่อไม่ตรงตามเงื่อนไขอินพุต

วงจรควบคุมจะตรวจสอบกิจกรรมของระบบโดยการติดตามแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าหรือใช้ตัวจับเวลาเฝ้าระวังเพื่อตรวจจับการไม่มีการใช้งาน หรือทั้งสองอย่าง เมื่อการป้องกันเหล่านี้ตรวจพบปัญหา การจ่ายไฟจะเปิดและปิดเส้นทางระหว่างแหล่งจ่ายไฟและระบบปลายทาง ส่งผลให้หน่วยไมโครคอนโทรลเลอร์ (MCU) เข้าสู่กระบวนการรีเซ็ต สวิตช์อินพุตที่ด้านสูงของวงจร (รูปที่ 1) ใช้เพื่อควบคุมกำลังไฟไปยังระบบอิเล็กทรอนิกส์ปลายทาง

อย่างไรก็ตาม การเลือกส่วนประกอบที่ถูกต้องและรับมือกับความท้าทายที่อาจเกิดขึ้น เช่น การเกิดความร้อนและเสียงรบกวนในการสลับที่เกิดจากกระบวนการหมุนเวียนพลังงานถือเป็นสิ่งสำคัญ

รูปที่ 1: วงจรการใช้งานที่ใช้สวิตช์ด้านสูงเพื่อป้องกันระบบอิเล็กทรอนิกส์ปลายทางจากข้อผิดพลาดในระหว่างสภาวะไฟตก (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

อย่างไรก็ตาม การเลือกส่วนประกอบที่ถูกต้องและรับมือกับความท้าทายที่อาจเกิดขึ้น เช่น การเกิดความร้อนและเสียงรบกวนในการสลับที่เกิดจากกระบวนการหมุนเวียนพลังงานถือเป็นสิ่งสำคัญ

สวิตซ์ไฟด้านสูง

การจ่ายไฟซ้ำสามารถใช้ได้ในการใช้งานต่าง ๆ เพื่อปรับปรุงความน่าเชื่อถือของระบบและลดความเสียหายที่อาจเกิดขึ้น รวมถึงเครื่องส่งสัญญาณไร้สาย อุปกรณ์การแพทย์ อุปกรณ์สมาร์ทโฮม แหล่งจ่ายไฟ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค

ทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนามโลหะออกไซด์เซมิคอนดักเตอร์ (MOSFET) ถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในการเปลี่ยนกำลังไฟ เนื่องจากมีค่าความต้านทานเปิดต่ำ ความเร็วในการสลับสูง และอิมพีแดนซ์อินพุตสูง

เอาต์พุตจากวงจรควบคุมสามารถควบคุมเกตของ MOSFET ได้ โดยเปิดหรือปิดเพื่อจ่ายไฟ วิธีนี้ช่วยให้มั่นใจได้ถึงความน่าเชื่อถือของระบบในระดับที่เหมาะสมที่สุดโดยช่วยให้ระบบรีเซ็ตและกู้คืนจากสถานะที่ไม่มีการตอบสนองได้

นักพัฒนาที่ใช้แนวทางนี้มีตัวเลือกในการใช้ MOSFET ช่อง N หรือ P แต่หลายรายชอบใช้แนวทาง P มากกว่า เนื่องจากเงื่อนไขและวงจรที่จำเป็นในการเปิดและปิดนั้นซับซ้อนน้อยกว่าการใช้ MOSFET ช่อง N

สำหรับ P-channel MOSFET แรงดันเกตจะต้องต่ำกว่าแรงดันแหล่งเพื่อเปิด ในขณะที่ N-channel MOSFET แรงดันเกตจะต้องสูงกว่าแรงดันแหล่งเพื่อเปิด

เมื่อใช้ N-channel MOSFET เป็นสวิตช์อินพุตด้านสูง แรงดันเกตต่ำจะทำให้สวิตช์เปิดและตัดการเชื่อมต่อแหล่งจ่ายไฟ แม้ว่า MOSFET แบบช่อง N จะให้ประสิทธิภาพและประสิทธิผลที่ดีกว่าโดยทั่วไป แต่ในบริบทนี้ จำเป็นต้องมีวงจรเพิ่มเติม เช่น ปั๊มประจุ เพื่อสร้างแรงดันไฟฟ้าเกต-แหล่งบวก (V_GS) เพื่อให้แน่ใจว่าสวิตช์เชื่อมต่อแหล่งจ่ายไฟใหม่จนเสร็จเรียบร้อย

ไม่จำเป็นต้องมีวงจรเพิ่มเติมนั้นเมื่อใช้ P-channel MOSFET ซึ่งสามารถเปิดได้ด้วย V _GS ลบ ซึ่งเป็นการลดความซับซ้อนของการออกแบบการใช้งาน แม้ว่าจะต้องแลกกับค่าความต้านทานที่สูงขึ้นและประสิทธิภาพที่ต่ำลงก็ตาม

การนำสวิตช์ด้านสูงแบบ P-channel มาใช้

ด้วยแนวทาง P-channel แรงดันไฟฟ้าเกต-แหล่งสำหรับการควบคุม MOSFET จะต้องต่ำกว่าแหล่งจ่ายอย่างน้อยเท่ากับแรงดันไฟฟ้าเกณฑ์เกต-แหล่ง V_GS(th) เพื่อให้กระแสไฟฟ้าไหลจากแหล่งกำเนิดไปยังท่อระบายน้ำ ข้อควรพิจารณาอีกประการหนึ่งคือการตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าระหว่างท่อระบายน้ำและแหล่งกำเนิด (V_DS) ดำเนินงานภายในขีดจำกัดที่กำหนดเพื่อให้มั่นใจว่าอุปกรณ์จะไม่ได้รับความเสียหาย

เมื่อเอาต์พุตของวงจรควบคุมระดับต่ำที่ทำงานอยู่เชื่อมต่อกับเกตของ P-channel MOSFET พิน OUT จะดึงเกตให้ต่ำเมื่อเกินเกณฑ์ที่กำหนด ทำให้สามารถเชื่อมต่อจากแรงดันไฟฟ้าจ่ายไปยังโหลดได้ เมื่อแรงดันไฟฟ้าลดลงต่ำกว่าเกณฑ์ พิน OUT จะกลายเป็นค่าสูงและ P-channel MOSFET จะถูกปิด ทำให้โหลดถูกตัดการเชื่อมต่อจากแหล่งจ่าย

นักพัฒนาสามารถสร้างวงจรป้องกันแรงดันไฟเกินที่มีประสิทธิภาพสูงได้โดยเชื่อมต่อพิน OUT ของอุปกรณ์เข้ากับเกตของ P-channel MOSFET โดยตรง แนวทางที่แข็งแกร่งนี้ใช้ P-channel MOSFET เป็นสวิตช์ด้านสูงที่เชื่อมต่อกับ Analog Devices Inc. MAX16052 ไอซีสำหรับจัดการพลังงาน (รูปที่ 2) ช่วยให้แน่ใจว่าโหลดเชื่อมต่อกับแรงดันไฟฟ้า

รูปที่ 2: P-channel MOSFET ใช้เป็นสวิตช์ด้านสูงสำหรับการป้องกันแรงดันไฟเกิน (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

ตัวต้านทานดึงขึ้นภายนอกระหว่างแรงดันไฟฟ้าที่ตรวจสอบและเกตของ P-channel MOSFET จะทำให้เกตมีค่าสูงเมื่อพิน OUT แบบโอเพนเดรนอยู่ในสถานะอิมพีแดนซ์สูง พิน OUT จะเข้าสู่สถานะอิมพีแดนซ์สูงเมื่อแรงดันไฟฟ้าที่ตรวจสอบเกินเกณฑ์ ส่งผลให้ MOSFET ช่อง P ปิดและตัดการเชื่อมต่อโหลดจากแรงดันไฟฟ้าจ่าย ในทางกลับกัน พิน OUT จะดึงพินเกตให้ต่ำเมื่อแรงดันไฟฟ้าที่ตรวจสอบลดลงต่ำกว่าเกณฑ์

MAX16052 พร้อมกับ ADI MAX16053 ประกอบด้วยวงจรตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าสูง ใช้พลังงานต่ำ และมีขนาดเล็กพร้อมความสามารถในการเรียงลำดับ โดยทั้งสองวงจรมีจำหน่ายในแพ็คเกจ SOT23 6 พินขนาดกะทัดรัด MAX16052 ให้เอาต์พุตแบบโอเพ่นเดรนแบบแอ็คทีฟสูง ในขณะที่ MAX16053 ให้เอาต์พุตแบบพุช-พูลแบบแอ็คทีฟสูง ทั้งสองตัวให้การตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าที่ปรับได้สำหรับอินพุตที่ต่ำกว่า 0.5 V และทำการตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าโดยใช้อินพุตที่มีค่าอิมพีแดนซ์สูง (IN) พร้อมเกณฑ์คงที่ภายในที่ 0.5 V

การใช้ตัวจับเวลาเฝ้าระวัง

ตัวจับเวลาเฝ้าระวัง (WDT) สามารถเพิ่มความสามารถในการป้องกันของวงจรควบคุมดูแลในกรณีที่สัญญาณเอาต์พุตต่ำเมื่อตรงตามเงื่อนไขที่ตรวจสอบ ภายใต้สถานการณ์เหล่านี้ ตัวจับเวลาเฝ้าระวังสามารถตรวจจับการขาดพัลส์หรือการเปลี่ยนแปลงได้ในช่วงระยะเวลาหนึ่ง ซึ่งเรียกว่าการหมดเวลาเฝ้าระวัง (t_WD) และเปิดใช้งานการรีเซ็ตไมโครคอนโทรลเลอร์หรือเริ่มการจ่ายไฟ

ADI MAX16155 ตัวควบคุม nanoPower พร้อมตัวจับเวลาเฝ้าระวังจะเริ่มการรีเซ็ตเอาต์พุตเมื่อแรงดันไฟฟ้าบวก (V_CC ) เกินแรงดันไฟฟ้าปฏิบัติการขั้นต่ำ แม้จะน้อยกว่าเกณฑ์รีเซ็ตก็ตาม แอปพลิเคชันที่ใช้ WDT สองตัว (รูปที่ 3) สามารถเปิดใช้งานการรีเซ็ตแบบซอฟต์แวร์ของไมโครคอนโทรลเลอร์หลังจากไม่ได้ใช้งาน 32 วินาที และเปิด/ปิดระบบหลังจากไม่ได้ใช้งาน 128 วินาที

รูปที่ 3: ในการกำหนดค่านี้ Watchdog Timer 1 จะเปิดใช้งานการรีเซ็ตแบบซอฟต์แวร์ ในขณะที่ Watchdog Timer 2 จะเริ่มปิดและเปิดระบบใหม่ (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices, Inc.)

ตัวเลือกหนึ่งในการขับเคลื่อนสวิตช์ด้านสูงของช่อง P คือการใช้ทรานซิสเตอร์ไบโพลาร์ทางแยก NPN (BJT) เป็นอินเวอร์เตอร์เพื่อแปลงสัญญาณต่ำจากเอาต์พุตของวอทช์ด็อก ซึ่งจะปิดทรานซิสเตอร์ NPN ให้เป็นสัญญาณสูงที่จะปิด MOSFET ช่อง P ผ่านตัวต้านทานแบบดึงขึ้น (รูปที่ 4) เมื่อระบบทำงานอยู่ เอาต์พุตของวอทช์ด็อก (WDO) จะสูง โดยส่งสัญญาณผ่านตัวต้านทานไปที่ฐานของทรานซิสเตอร์ NPN เพื่อเปิดใช้งาน

รูปที่ 4: ทรานซิสเตอร์ไบโพลาร์ทางแยก NPN (Q1) ขับเคลื่อน P-channel MOSFET (Q2) (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices, Inc.)

ตัวแบ่งตัวต้านทานที่เชื่อมต่อกับเกตและแหล่งของ MOSFET จะควบคุม V_GS เมื่อทรานซิสเตอร์ NPN เปิดอยู่ มันจะดึงตัวแบ่งตัวต้านทานให้ต่ำ ทำให้แรงดันเกตต่ำกว่าแรงดันแหล่งกำเนิด ทำให้เปิด P-channel MOSFET เพื่อจ่ายไฟให้กับระบบ

หากไมโครโปรเซสเซอร์ไม่ตอบสนองหรือไม่สามารถส่งพัลส์อินพุตได้ภายในระยะเวลาหมดเวลาที่กำหนดไว้ล่วงหน้าของตัวจับเวลาเฝ้าระวัง MAX16155 เหตุการณ์หมดเวลาเฝ้าระวังจะเกิดขึ้น ส่งผลให้พิน WDO ยืนยันว่าอยู่ในระดับต่ำ การกระทำนี้จะดึงฐานของ NPN ลงกราวด์ ทำให้ปิดเครื่อง เมื่อทรานซิสเตอร์ NPN ปิด แรงดันไฟฟ้าที่เกตและแหล่งของ P-channel MOSFET จะเท่ากัน โดยปิด MOSFET และตัดการจ่ายไฟไปยังไมโครโปรเซสเซอร์

เมื่อเอาต์พุต WDO ของตัวจับเวลาเฝ้าระวังกลับมาเป็นค่าสูง ระบบจะดำเนินการต่อในการทำงานตามปกติ จากนั้นไมโครโปรเซสเซอร์จะส่งพัลส์ปกติไปยังพิน WDI เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดการหมดเวลาเพิ่มเติม ทรานซิสเตอร์ NPN จะเปิดขึ้น โดยรักษา MOSFET ด้านสูงให้ทำงาน และให้พลังงานต่อเนื่องแก่ไมโครโปรเซสเซอร์

ต้นทุนที่ต่ำของทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์จั๊งชันเป็นข้อได้เปรียบด้านการออกแบบสำหรับสวิตช์ด้านสูงแบบ P-channel แต่ต้องมีการปรับแต่งอย่างเหมาะสมด้วยความช่วยเหลือของส่วนประกอบภายนอกเพิ่มเติม เช่น ตัวต้านทาน

วงจรขับเคลื่อนโดยใช้ N-channel MOSFET

การใช้ N-channel MOSFET เพื่อควบคุม P-channel MOSFET ด้านสูงมีข้อได้เปรียบเหนือทรานซิสเตอร์ไบโพลาร์หลายประการ

N-channel MOSFET มีค่าความต้านทานเปิดต่ำ ซึ่งช่วยลดการสูญเสียพลังงานและเพิ่มประสิทธิภาพ และยังสลับได้อย่างรวดเร็วเพื่อปรับปรุงเวลาตอบสนองของระบบ มีการสูญเสียการสลับที่ต่ำกว่าและสามารถทำงานที่ความถี่ที่สูงขึ้นได้ จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่ใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ เช่น อุปกรณ์ที่ใช้พลังงานแบตเตอรี นอกจากนี้ ข้อกำหนดการขับเคลื่อนด้วยเกตยังมีความต้องการน้อยกว่า BJT โดยลดความซับซ้อนของวงจรขับเคลื่อนและลดจำนวนส่วนประกอบ

เอาท์พุตของวอทช์ด็อกสามารถควบคุมเกตของ N-channel MOSFET ได้โดยตรง แรงดันดึงขึ้นของ WDO จะต้องตรงกับแรงดันเกณฑ์เกตของ MOSFET (V_GS(th)) ให้ทำงานได้อย่างถูกต้อง เมื่อระบบทำงาน สัญญาณ WDO สูงจะเปิด MOSFET ช่อง N (Q1 ในรูปที่ 5) จากนั้นจะเปิด MOSFET ช่อง P (Q2 ในรูปที่ 5) เพื่อจ่ายพลังงานให้กับระบบ ในระหว่างที่ระบบไม่ได้ใช้งาน สัญญาณ WDO ต่ำจะปิด Q1 ซึ่งจะปิด Q2 และตัดแหล่งจ่ายไฟ

รูปที่ 5: MOSFET ช่อง N (Q1) ขับเคลื่อน MOSFET ช่อง P (Q2) (ที่มาของภาพ: Analog Devices, Inc.)

สรุป

การใช้ MOSFET ช่อง N หรือช่อง P เพื่อขับสวิตช์ด้านสูงถือเป็นวิธีที่เชื่อถือได้ในการหมุนเวียนพลังงานระบบ แนวทาง P-channel ที่ใช้ทรานซิสเตอร์ไบโพลาร์ NPN และส่วนประกอบเพิ่มเติมให้ตัวเลือกที่มีต้นทุนต่ำกว่า ในขณะที่แนวทาง N-channel ซึ่งมีต้นทุนสูงกว่านั้นจะดีกว่าสำหรับการสลับความถี่สูง ความชอบในการออกแบบของนักพัฒนาและข้อกำหนดของการใช้งานจะกำหนดแนวทางที่ดีที่สุด