GDB021BE01 HIEE300766R0001 功率循环应用中的MOSFETs和BJT:驱动高端开关

　　提高电子系统可靠性和稳健性的一种方法是实施能够检测故障并迅速响应的保护机制。这些机制起到了安全保障的作用，减轻了潜在的损害，确保了系统的正常运行。电源循环是一种确保正常运行和保护系统的方法，通常在无响应和不活动的系统上进行，以允许它们连续工作。电源循环使用电源开关打开电源输入和下游电子系统之间的路径，然后关闭该路径以启动系统重启。一旦系统的微控制器单元(MCU)变得无响应，系统将进入重置模式，并且如果持续不活动，则开始重启。

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　　实现高端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，各有不同的驱动要求。驱动N沟道MOSFET作为高端开关有点复杂;因此，P沟道MOSFET通常是首选。

　　监控电路可以通过监控电源电压和/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状态。看门狗定时器功能增强了监控电路作为综合保护解决方案的能力。一旦检测到非活动状态，看门狗定时器就会置位复位输出，这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，或触发不可屏蔽的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，需要重新上电。这可以通过各种技术实现，从监控电路低电平有效输出驱动高端P沟道MOSFET输入开关，以实现最佳系统可靠性。

　　图一。一个高端输入开关实施示例，用于保护系统在掉电条件下不发生故障。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　使用MOSFET作为高端输入开关

　　图1显示了一个应用电路，它使用高端输入开关来保护下游电子系统在掉电条件下不会出错。MOSFET是用作系统高端开关的重要选择。可以很容易地为应用选择合适的额定电压和电流。

　　高端输入开关可以是N沟道或P沟道MOSFET。当栅极电压较低时，N沟道MOSFET开关打开并断开电源电压。要完全关闭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至少高MOSFET阈值电压。当使用N沟道MOSFET作为高端输入开关时，这需要额外的电路，例如电荷泵。一些保护电路集成了一个比较器和一个电荷泵来驱动高端N沟道MOSFET，同时保持解决方案简单。使用P沟道MOSFET作为高端输入开关不需要电荷泵，但极性相反。由于简单，这是许多应用程序的常用方法。

　　监控电路输出驱动输入开关

　　在电路中使用P沟道MOSFET时，必须首先为栅极、源极和漏极端子建立适当的偏置条件。栅极-源极电压(V(美国联邦政府职员)总表(General Schedule))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偏置到其有源区，允许电流从源极流向漏极。此外，栅源阈值电压(VGS(th))决定了创建导电沟道所需的栅极和源极端子之间的最小电压。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。另一个重要的考虑是漏源电压(V鐽)，即施加在漏极和源极端子上的电压。MOSFET必须在额定电压范围内工作鐽防止设备损坏的限制。

　　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，输出置位低电平，当输入条件为假时，输出去置位高电平。另一方面，当输入条件为真时，高电平有效置位高电平;当输入条件为假且不满足时，低电平无效。由于监控电路最常见的用途是用于微控制器复位，因此低电平有效输出用于在故障期间拉低微控制器的reset引脚。利用高电平有效输出驱动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。当监控电压低于指定阈值时，OUT引脚拉低栅极，开启P沟道MOSFET。这将负载连接到电源电压。当监控电压超过阈值时，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，高压可调时序控制和监控电路MAX16052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V抄送和P沟道MOSFET的栅极，以在OUT引脚为低时保持栅极为高。

　　当监控电压低于MAX16052的指定固定阈值时，OUT引脚将gate引脚拉低，导致Pchannel MOSFET开关处于短路状态或导通状态。当监控电压超过阈值时，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。

　　图二。P沟道MOSFET用作过压保护的高端输入开关。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　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。这意味着当满足监控条件时，输出信号为低电平。在这些情况下，有必要使用技术来控制具有低电平有效输出的输入开关。例如，在一个系统中，微控制器需要在32 s不活动后复位，系统需要在128 s不活动持续后上电，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)没有检测到脉冲或转换时，看门狗输出(WDO)变为低电平。带有看门狗定时器的MAX16155 nanopower supervisor有多种型号，看门狗超时分别为32 s和128 s。实现所需功能需要两个看门狗定时器，一个用于复位微控制器，一个用于启动图3所示的上电周期程序。主要挑战是确定如何利用看门狗定时器变量的低输出，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。利用两个具有不同看门狗超时的MAX16155看门狗定时器，一个用于执行软复位，另一个用于执行电源循环。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　NPN双极结晶体管作为驱动电路

　　驱动P沟道高端开关的一种方法是使用NPN双极结晶体管(BJT)如图4所示。该电路构成一个反相器，将来自看门狗输出的低电平有效信号转换为P沟道MOSFET开关所需的高电平逻辑信号。

　　图4。使用NPN双极结型晶体管(Q1)从低电平有效输出驱动P沟道MOSFET (Q2)。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　当系统活动时，MAX16155 WDO引脚的看门狗输出处于空闲状态，通常为高电平。然后它通过限流电阻网络连接到驱动晶体管的基极引脚。WDO引脚的正常高输出提供必要的基极-发射极电压，作为NPN双极结型晶体管的控制输入。它在基极-发射极结上建立了足够的电压，使晶体管进入导通状态。

　　电阻分压器连接到高端MOSFET开关的栅极引脚和源极引脚，以控制其栅极-源极电压(V(美国联邦政府职员)总表(General Schedule)).该栅极-源极电压决定了MOSFET是保持开启还是关闭状态。当NPN双极结型晶体管被WDO引脚激活时，电流流经晶体管。这会将电阻分压器拉低至GND，从而改变电阻分压器接合点的电压。然后，该电压施加于高端MOSFET的栅极引脚。这会产生一个电位差，此时栅极引脚的电位低于源极引脚的电位，从而有效开启MOSFET。当MOSFET处于导通状态时，电源被提供给系统微处理器或负载。图5显示了系统运行时的电流，电源通过开关Q2提供。

　　图5。正常运行时的电流——系统处于活动状态。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　然而，当微处理器在MAX16155看门狗定时器的预定义超时时间内无响应或无法提供输入脉冲时，就会发生看门狗超时事件，WDO置位低电平。这因此将NPN BJT Q1的底座拉到地面，关闭它。当Q1打开时，P沟道MOSFET Q2的栅极和源极上的电压将近似相等，这足以将其关断。

　　如图5所示，NPN双极结型晶体管的集电极引脚连接到高端MOSFET上的电阻分压器。由于NPN双极结型晶体管处于关断状态，电阻分压器和栅极连接点上的电压将约等于source引脚上的电压。这将导致MOSFET的栅极和源极之间的电势差为零，这无法满足将MOSFET Q2保持在其导通状态所需的VGS阈值。因此，当MOSFET关闭时，微处理器的3.3 V电源断开，从而有效地切断了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如图6所示。

　　图6。系统不活动期间的电流——发生电源循环。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　在WDO输出脉冲宽度完成并返回到高电压电平后，系统回复到正常工作状态。在此阶段，微处理器恢复向WDI引脚发送常规输入脉冲，防止看门狗超时事件再次发生。NPN双极结型晶体管返回活动状态，允许高端MOSFET保持导通，确保微处理器或负载的不间断电源。图7显示了使用NPN双极性晶体管的功率循环事件期间的波形。如CH1所示，在WDI信号中没有检测到转换，这意味着系统不活动。超时后，CH2中的WDO信号置位低电平，在此期间，高端输入开关Q1断开。因此，CH3中没有测量到电压，MCU电源电压和系统重启启动。CH4是负载汲取的输出电流，该输出电流变成零安培，表明负载与电源电压断开。

　　图7。在驱动电路中使用NPN双极结型晶体管的信号(CH1-WDI信号;CH2—WDO信号;CH3—MCU电源;CH4—I在外).图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　使用NPN双极结型晶体管作为高端开关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电阻等外部元件进行适当调谐。

　　使用N沟道MOSFET作为驱动电路

　　可以实现使用N沟道MOSFET的替代驱动电路来控制高端P沟道MOSFET。这种方法比使用双极晶体管有几个优点。

　　N沟道MOSFET的低导通电阻确保器件上的压降最小，从而降低功耗并提高能效。MOSFET的快速开关能力可实现更快的响应时间，从而增强监控系统的实时性能。MOSFET的另一个优势是开关损耗更低，工作频率更高。这允许平稳和高效的操作，从而节省能量，例如在电池供电的应用中。

　　此外，栅极驱动要求比双极性结型晶体管更低，简化了驱动电路，减少了所需的元件数量。看门狗输出可以直接驱动N沟道MOSFET的栅极，如图8所示。

　　图8。使用N沟道MOSFET (Q1)从低电平有效输出驱动P沟道MOSFET (Q2)。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　WDO的上拉电压应该满足栅极阈值电压VGS(th)N沟道MOSFET的正常工作。当系统工作时，WDO的逻辑高输出电压将接通Q1，从而接通Q2，向系统供电。与双极晶体管的情况一样，在系统不活动期间，WDO引脚的逻辑低输出电平将关闭Q1，打开Q2，切断系统的电源电压。在使用N沟道MOSFET作为驱动电路的功率循环过程中，信号的行为如图9所示。

　　图9。在驱动电路中使用N沟道MOSFET的信号(CH1—WDI信号;CH2—WDO信号;CH3—MCU电源;CH4—I在外).图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　这种驱动高端开关的方法不仅有利于无线收发器，也有利于在故障期间需要系统保护中的电源循环程序的其它应用，例如功能和本质安全系统中的过压和过流。感测阶段取决于动力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，以及其它技术。本文讨论如何利用低电平有效输出的传感和监控器件来保护具有功率循环的下游系统。

　　结论

　　可以使用多种技术，利用来自电源周期监控电路的低电平有效信号来驱动高端开关。使用带附加元件的NPN双极性晶体管是一种低成本选择，可以满足驱动P沟道MOSFET输入开关的要求。另一方面，使用N沟道MOSFET需要的元件更少，也更容易实现，但总体成本更高。当用作高频开关时，n沟道MOSFETs也具有优势。这两种方法都经过充分验证，为系统电源循环提供了设计优势。