Добавление гистерезиса порога для плавной блокировки пониженного / повышенного напряжения

Резистивные делители ослабляют высокое напряжение до уровня, который могут выдержать цепи низкого напряжения, не вызывая перегрузки или повреждения. В схемах управления трактом питания резистивные делители помогают установить пороги блокировки при пониженном и повышенном напряжении источника питания. Такие схемы квалификации напряжения питания используются в автомобильных системах, портативных приборах с батарейным питанием, а также в платах обработки данных и связи.

Блокировка пониженного напряжения (UVLO) предотвращает работу находящейся ниже по потоку электронной системы с аномально низким напряжением источника питания, что может вызвать сбой в работе системы. Например, цифровые системы могут работать нестабильно или даже зависать, когда их напряжение питания ниже спецификации. Когда источником питания является аккумуляторная батарея, блокировка пониженного напряжения предотвращает повреждение батареи из-за глубокой разрядки. Блокировка перенапряжения (OVLO) защищает систему от опасно высоких напряжений питания. Поскольку пороги пониженного и повышенного напряжения зависят от допустимого рабочего диапазона системы, резистивные делители используются для установки пользовательских пороговых значений с той же схемой управления. Пороговый гистерезис необходим для получения плавной и бесшумной функции блокировки даже при наличии шума питания или сопротивления. После обсуждения простой схемы UVLO / OVLO в этой статье будут представлены несколько простых методов добавления порогового гистерезиса, который необходим, когда значение по умолчанию недостаточно.

Схема блокировки при пониженном и повышенном напряжении

На рисунке 1 показана схема блокировки при пониженном напряжении (пока без гистерезиса). Он имеет компаратор с положительным опорным напряжением (V _T ) на его отрицательном входе. Компаратор управляет переключателем мощности, который открывает или закрывает путь между входом источника питания и находящейся ниже по потоку электронной системой. Положительный вход компаратора подключается к резистивному делителю входа. Если питание включено и начинает повышаться с 0 В, выход компаратора изначально низкий, поэтому выключатель питания остается выключенным. Выход компаратора отключается, когда его положительный вход достигает V _T . В этот момент ток в нижнем резисторе составляет V _T . / R _B . Такой же ток течет в R _T если у компаратора нет входного тока смещения. Следовательно, напряжение питания при срабатывании компаратора составляет V _T . + R _T × V _T / R _B =V _T × (R _B + R _T ) / R _B . Это порог UVLO питания, установленный резистивным делителем. Например, V _T 1 В и R _T =10 × R _B дает порог UVLO 11 В. Ниже этого порога выходной сигнал компаратора низкий, размыкающий переключатель питания; выше этого порогового значения UVLO переключатель замыкается, и питание протекает через него для включения системы. Порог можно легко отрегулировать, изменив соотношение R _B и R _T . Абсолютное значение резистора устанавливается величиной тока смещения, предусмотренного для делителя (подробнее об этом позже). Чтобы установить порог OVLO, просто поменяйте местами два входа компаратора (например, см. Нижний компаратор на Рисунке 2), чтобы высокий вход установил низкий уровень на выходе компаратора и разомкнул переключатель.

Рис. 1. Блокировка пониженного напряжения источника питания с помощью резистивного делителя, компаратора и переключателя питания. (Источник:Analog Devices)

Хотя это и не является предметом внимания данной статьи, коммутатор может быть реализован с N-канальным или P-канальным силовым полевым МОП-транзистором. Предыдущее обсуждение предполагает N-канальный переключатель MOSFET, который открывается (высокое сопротивление), когда его напряжение затвора низкое (например, 0 В). Чтобы полностью закрыть (низкое сопротивление) N-канальный полевой МОП-транзистор, напряжение затвора должно быть выше, чем напряжение питания, по крайней мере, на пороговое напряжение полевого МОП-транзистора, что требует накачки заряда. Контроллеры защиты, такие как LTC4365, LTC4367 и LTC4368, объединяют компараторы и насосы заряда для управления N-канальными MOSFET, при этом потребляя низкий ток покоя. P-канальные MOSFET не требуют накачки заряда, но полярность напряжения затвора обратная; то есть при низком напряжении замыкается, а при высоком - размыкается P-канальный переключатель MOSFET.

Вернемся к резистивным делителям:цепочка из 3 резисторов устанавливает пороги блокировки как по минимальному, так и по перенапряжениям (рис. 2), экономя ток смещения одного делителя по сравнению с использованием двух отдельных цепочек с 2 резисторами. Порог UVLO равен V _T . × (R _B + R _M + R _T ) / (R _B + R _M ), а порог OVLO - V _T × (R _B + R _M + R _T ) / R _B . Логический элемент И объединяет выходные данные двух компараторов перед отправкой их на выключатель питания. Следовательно, выключатель питания замыкается для питания системы, когда входное напряжение находится между пороговыми значениями пониженного и повышенного напряжения; в противном случае выключатель разомкнут, отключая питание от системы. Если потребление тока делителем не вызывает беспокойства, отдельные делители повышенного и пониженного напряжения обеспечивают большую гибкость в настройке каждого порогового значения независимо от другого.

Рис. 2. Блокировка повышенного и пониженного напряжения с помощью одного резистивного делителя. (Источник:Analog Devices)

Блокировка пониженного и повышенного напряжения с гистерезисом

На рисунке 1, если источник питания растет медленно и имеет шум или если источник питания имеет собственное сопротивление (как в батарее), которое вызывает падение напряжения с током нагрузки, выход компаратора будет многократно переключаться между высокими и низкими уровнями, поскольку вход пересекает свой порог UVLO. Это связано с тем, что положительный вход компаратора неоднократно поднимается выше и ниже V _T порог из-за входного шума или падения из-за тока нагрузки через сопротивление источника питания. Для цепей с батарейным питанием это может быть бесконечное колебание. Использование компаратора с гистерезисом устраняет этот дребезг, делая переключение более плавным. Как показано на рисунке 3, гистерезисный компаратор представляет разные пороги для повышения (например, V _T + 100 мВ) по сравнению с падающим входным сигналом (например, V _T - 100 мВ). Гистерезис на уровне компаратора увеличивается на R _B и R _T до 200 мВ × (R _B + R _T ) / R _B на уровне предложения. Если шум или падение на входе питания ниже этого гистерезиса, дребезжание устраняется. Есть способы добавить или увеличить гистерезис, если он отсутствует или недостаточен. Во всех этих методах используется положительная обратная связь на отводе делителя - например, при срабатывании компаратора возрастающий вход компаратора подскакивает выше. Для простоты следующие уравнения не предполагают внутреннего гистерезиса компаратора.

Рис. 3. Добавление гистерезиса порога блокировки по минимальному напряжению с помощью резистора от ответвления делителя до выхода переключателя мощности. (Источник:Analog Devices)

Резистор от делителя к выходу (рис. 3):

Добавьте резистор (R _H ) от ответвления делителя (положительный вход компаратора) до выхода переключателя мощности. Когда напряжение питания начинает расти с 0 В, положительный вход компаратора ниже V _T а на выходе компаратора низкий уровень, выключатель питания. Предположим, что переключающий выход находится на 0 В из-за нагрузки системы. Следовательно, R _H параллельно с R _B для расчета входного порога. Повышение порога пониженного напряжения на входе составляет V _T . × ((R _B || R _H ) + R _T ) / (R _B || R _H ), где R _B || R _H =R _B × R _H / (R _B + R _H ). Выключатель включается выше этого порога, подключая источник питания к системе. Для расчета падающего порога пониженного напряжения на входе R _H параллельно с R _T так как переключатель замкнут, что дает падающий порог пониженного входного напряжения как:V _T × (R _B + (R _T || R _H )) / R _B , где R _T || R _H =R _T × R _H / (R _T + R _H ). Если у самого компаратора был некоторый гистерезис, замените V _T с повышением или понижением порога компаратора в предыдущих уравнениях. Вспомните пример на Рисунке 1 с V _T =1 В и R _T =10 × R _B , где пороги нарастания и спада составляют 11 В при отсутствии гистерезиса компаратора или R _H . Добавление R _H =100 × R _B , как показано на рисунке 3, дает возрастающий входной порог 11,1 В и падающий порог 10,09 В; то есть гистерезис 1,01 В. Этот метод не работает для OVLO, потому что возрастающий вход выключает выключатель питания, вызывая R _H чтобы подтянуть вход компаратора ниже (который снова включает переключатель), а не выше.

Переключение резистора (рисунок 4):

Другой метод добавления гистерезиса - это включение резистора, который изменяет эффективное значение нижнего резистора. Коммутируемый резистор может быть включен параллельно (рисунок 4a) или последовательно (рисунок 4b). Рассмотрим рисунок 4a:когда V _IN низкий - скажем, 0 В - на выходе компаратора (узел UV или OV) высокий уровень, включается N-канальный MOSFET M1 и подключается R _H параллельно с R _B . Предположим, что сопротивление M1 во включенном состоянии незначительно по сравнению с R _H или включен в R _H Ценность. Возрастающий входной порог такой же, как на рисунке 3:V _T × ((R _B || R _H ) + R _T ) / (R _B || R _H ). Как только V _IN выше этого порога, на выходе компаратора низкий уровень, отключение M1 и отключение R _H от разделителя. Следовательно, падающий входной порог такой же, как на рисунке 1:V _T × (R _B + R _T ) / R _B . Продолжая наш пример с V _T =1 В, R _T =10 × R _B , и R _H =100 × R _B , порог нарастания входного сигнала составляет 11,1 В, а порог спада - 11 В; то есть R _H дает гистерезис 100 мВ. Этот и следующие методы могут использоваться для блокировки пониженного или повышенного напряжения, поскольку их цель зависит от того, как выход компаратора включает выключатель питания (не показано).

Рис. 4. Добавление гистерезиса порога блокировки при пониженном или повышенном напряжении с помощью переключаемого (a) шунтирующего резистора или тока и (b) последовательного резистора. (Источник:Analog Devices)

Конфигурация на Рисунке 4b дает возрастающий входной порог как V _T . × (R _B + R _T ) / R _B и падающий входной порог как V _T × (R _B + R _H + R _T ) / (R _B + R _H ). R _H =R _B / 10 на Рисунке 4, что дает 11 В в качестве возрастающего входного порога и 10,091 В как падающий порог, то есть 909 мВ гистерезиса. Это показывает, что для конфигурации на Рисунке 4b требуется R _H гораздо меньшего размера. чтобы получить гораздо больший гистерезис.

Включение тока (рис. 4а):

Резистор R _H на Рисунке 4а может быть заменен источником тока I _H . Этот метод используется в приоритетных контроллерах LTC4417 и LTC4418. Когда V _IN низкий, высокий выход компаратора включает I _H . При повышении входного порога отрицательный вход компаратора находится на V _T . Следовательно, ток в R _T Я _H + V _T / R _B , что дает возрастающий порог как V _T + (Я _H + V _T / R _B ) × R _T =V _T × (R _B + R _T ) / R _B + Я _H × R _T . Как только V _IN выше этого порога, я _H отключается низким выходом компаратора. Следовательно, порог падения такой же, как на рисунке 1:V _T × (R _B + R _T ) / R _B , а гистерезис входного порога I _H × R _T .

Ток смещения резистивного делителя

В предыдущих уравнениях предполагалось, что входной ток смещения входа компаратора равен нулю, в то время как в примерах учитывались только соотношения резисторов, а не абсолютные значения. Входы компаратора имеют оба входных напряжения смещения (V _OS ), неточность ссылки (которая может быть устранена с помощью V _OS ), а также входной ток смещения или утечки (I _LK ). Предположение о нулевой утечке работает, если ток смещения делителя V _T / R _B в точке срабатывания на Рисунке 1 намного больше, чем утечка на входе. Например, ток делителя, который в 100 раз превышает входной ток утечки, удерживает пороговую ошибку входного сигнала, вызванную утечкой, ниже 1%. Другой метод - сравнить пороговую ошибку, вызванную утечкой, с ошибкой напряжения смещения. Неидеальности компаратора изменяют уравнение порога минимального входного напряжения на Рисунке 1 на:(V _T ± V _ОС ) × (R _B + R _T ) / R _B ± I _LK × R _T (аналогично предыдущему уравнению гистерезисного тока), которое можно переписать как (V _T ± V _ОС ± I _LK × R _B × R _T / (R _B + R _T )) × (R _B + R _T ) / R _B . Утечка на входе проявляется как ошибка порогового напряжения компаратора, и эту ошибку можно минимизировать по отношению к напряжению смещения, то есть I _LK × (R _B || R _T ) ОС , путем правильного выбора резистора.

Например, контроллер защиты от повышенного и пониженного напряжения LTC4367 имеет максимальную утечку ± 10 нА для выводов UV и OV, в то время как пороговое напряжение смещения 500 мВ компаратора вывода UV / OV составляет ± 7,5 мВ (± 1,5% от 500 мВ). Бюджетирование пороговой ошибки утечки ± 3 мВ (± 0,6% от 500 мВ или менее половины смещения 7,5 мВ) дает R _B || R _T <3 мВ / 10 нА =300 кОм. Для установки порога пониженного напряжения на входе 11 В с порогом компаратора 0,5 В требуется R _T =R _B × 10,5 В / 0,5 В =21 × R _B . Следовательно, R _B || R _T =21 × R _B / 22 <300 кОм, что дает R _B <315,7 кОм. Ближайшее 1% стандартное значение для R _B составляет 309 кОм, что дает R _T быть 6,49 МОм. Ток смещения делителя в точке срабатывания составляет 0,5 В / 309 кОм =1,62 мкА, что в 162 раза больше тока утечки 10 нА. Такой анализ важен при минимизации тока делителя без увеличения пороговой ошибки из-за входного тока утечки компаратора.

Пинеш Сачдев является старшим инженером по приложениям для управления энергосистемой в Analog Devices. Он получил степень бакалавра технических наук. степень от Индийского технологического института, Мумбаи, Индия, и его M.S. Степень в Стэнфордском университете по специальности "Электротехника". С ним можно связаться по адресу [email protected].

Связанное содержание:

• Управление последовательностью и контролем источников питания, часть 1
• Управление последовательностью и контролем источников питания, часть 2
• Выбор встроенного блока питания
• Выбор внешнего источника питания
• Следующие проблемы проектирования с низким энергопотреблением

Чтобы получить больше информации о Embedded, подпишитесь на еженедельную рассылку Embedded по электронной почте.