Повышение надёжности питания: добавление гистерезиса к undervoltage/overvoltage lockout

Резистивные делители аттенюируют высокие напряжения до уровня, который низковольтные схемы могут примемлеть без перегрузки или повреждения. В схемах управления питанием резистивные деливы помогают установить пороги undervoltage и overvoltage lockout. Такие схемы квалификации напряжения питания встречаются в автосистемах, батарейных портативных приборах и платах обработки данных и коммуникаций.

Undervoltage lockout (UVLO) предотвращает работу нижестоящей электронной системы при аномально низких напряжениях питания, которые могли бы вызвать malfunction системы. Например, цифровые системы могут вести себя эратично или даже зависнуть, когда их напряжение питания ниже спецификации. Когда питание — перезаряжаемая батарея, undervoltage lockout предотвращает повреждение батареи глубоким разрядом. Overvoltage lockout (OVLO) защищает систему от повреждающих высоких напряжений питания. Поскольку пороги undervoltage и overvoltage зависят от валидного рабочего диапазона системы, резистивные делители используются для настройки кастомных порогов с тем же контролем. Гистерезис порога нужен для получения гладкого и chatter-free lockout даже при наличии шума питания или сопротивления. После обсуждения простой UVLO/OVLO схемы, эта статья представит простые методы добавления порогового гистерезиса, необходимого когда дефолтное значение недостаточно.

Схема Undervoltage и Overvoltage Lockout

Рисунок 1 показывает схему undervoltage lockout (пока без гистерезиса). У неё компаратор с положительным референсным напряжением (V_T) на отрицательном входе. Компаратор управляет power switch, который открывает или закрывает путь между входом питания и нижестоящей электронной системой. Положительный вход компаратора подключён к резистивному делителю от входа. Если питание включается и начинает расти от 0 В, выход компаратора изначально низкий, удерживая power switch выключенным. Выход компаратора срабатывает, когда его положительный вход достигает V_T. В этот момент ток в нижнем резисторе V_T/R_B. Тот же ток течёт в R_T, если у компаратора нет input bias тока. Следовательно, напряжение питания, когда компаратор срабатывает, равно V_T + R_T × V_T/R_B = V_T × (R_B + R_T)/R_B. Это порог UVLO, установленный резистивным делителем. Например, V_T = 1 В и R_T = 10 × R_B даёт UVLO порог 11 В. Ниже этого порога выход компаратора низкий, открывая power switch; выше — switch закрыт и питание проходит для включения системы. Порог легко настраивается изменением отношения R_B и R_T. Абсолютное значение резистора задаётся бюджетом bias тока для делителя (об этом позже). Для установки OVLO порога просто поменяйте два входа компаратора местами (например, см. нижний компаратор на Рисунке 2) так, чтобы растущий вход заставлял выход компаратора идти низко и открывать switch.

Рисунок 1. Undervoltage lockout питания с резистивным делителем, компаратором и power switch. (Источник: Analog Devices)

Хотя не в фокусе этой статьи, switch можно реализовать с N-channel или P-channel power MOSFET. Предыдущее обсуждение предполагает N-channel MOSFET switch, который открывается (высокое сопротивление) когда его gate напряжение низкое (например, 0 В). Для полного закрытия (низкое сопротивление) N-channel MOSFET, gate напряжение должно быть выше питания как минимум на пороговое напряжение MOSFET, требуя charge pump. Контроллеры защиты вроде LTC4365, LTC4367 и LTC4368 интегрируют компараторы и charge pumps для драйва N-channel MOSFET при низком quiescent токе. P-channel MOSFET не требуют charge pump, но полярность gate напряжения обратна: низкое напряжение закрывает, высокое открывает P-channel MOSFET switch.

Возвращаясь к резистивным делителям: 3-резисторная цепочка устанавливает оба undervoltage и overvoltage lockout пороги (Рисунок 2), экономя bias ток одного делителя против использования двух отдельных 2-резисторных цепочек. UVLO порог равен V_T × (R_B + R_M + R_T)/(R_B + R_M), а OVLO порог — V_T × (R_B + R_M + R_T)/R_B. AND gate комбинирует выходы двух компараторов перед отправкой к power switch. Следовательно, power switch закрывается для питания системы когда входное напряжение между undervoltage и overvoltage порогами; иначе switch открыт, отключая питание от системы. Если потребление делителя не проблема, отдельные undervoltage и overvoltage делители дают больше гибкости в независимой настройке каждого порога.

Рисунок 2. Undervoltage и overvoltage lockout с одним резистивным делителем. (Источник: Analog Devices)

Undervoltage и Overvoltage Lockout с гистерезисом

На Рисунке 1, если питание растёт медленно и имеет шум или если питание имеет внутреннее сопротивление (как в батарее), вызывающее падение напряжения под нагрузкой, выход компаратора будет переключаться высоко и низко повторно при пересечении входом UVLO порога. Это потому, что положительный вход компаратора повторно уходит выше и ниже V_T из-за входного шума или падения от нагрузочного тока через сопротивление питания. Для батарейных схем это может быть бесконечная осцилляция. Использование компаратора с гистерезисом устраняет этот chatter, делая переход switch гладче. Как показано на Рисунке 3, гистерезисный компаратор представляет разные пороги для растущего (например, V_T + 100 мВ) vs падающего входа (например, V_T – 100 мВ). Гистерезис на уровне компаратора масштабируется R_B и R_T до 200 мВ × (R_B + R_T)/R_B на уровне питания. Если шум или падение на входе питания ниже этого гистерезиса, chatter устраняется. Есть способы добавить или увеличить гистерезис, если предоставляемый компаратором либо отсутствует, либо недостаточен. Все эти методы используют позитивную обратную связь на точке делителя — например, растущий вход компаратора прыгает выше когда компаратор срабатывает. Для простоты следующие уравнения предполагают отсутствие интринзического гистерезиса в компараторе.

Рисунок 3. Добавление гистерезиса UVLO порога резистором от точки делителя к выходу power switch. (Источник: Analog Devices)

Резистор от делителя к выходу (Рисунок 3):

Добавьте резистор (R_H) от точки делителя (положительного входа компаратора) к выходу power switch. Когда питание начинает расти от 0 В, положительный вход компаратора ниже V_T и выход компаратора низкий, удерживая power switch выключенным. Предположим, что выход switch при 0 В из-за нагрузки системы. Следовательно, R_H параллелен R_B для расчёта входного порога. Растущий входной undervoltage порог: 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). Switch включается выше этого порога, соединяя питание с системой. Для расчёта падающего входного undervoltage порога, R_H параллелен R_T, так как switch закрыт, давая падающий входной undervoltage порог: V_T × (R_B + (R_T || R_H))/R_B, где R_T || R_H = R_T × R_H/(R_T + R_H). Если компаратор сам имел некоторый гистерезис, подставьте V_T с растущим или падающим компараторным порогом в предыдущие уравнения. Вспомните пример Рисунка 1, с V_T = 1 В и R_T = 10 × R_B, где и растущий, и падающий пороги 11 В при отсутствии компараторного гистерезиса или R_H. Добавление R_H = 100 × R_B, как на Рисунке 3, даёт растущий входной порог 11,1 В и падающий 10,09 В; то есть гистерезис 1,01 В. Этот метод не работает для OVLO, потому что растущий вход выключает power switch, заставляя R_H тянуть вход компаратора ниже (что включает switch снова) вместо выше.

Коммутация резистора (Рисунок 4):

Другой метод добавления гистерезиса — коммутировать резистор, меняющий эффективное значение нижнего резистора. Коммутируемый резистор может быть в параллели (Рисунок 4a) или в серии (Рисунок 4b). Рассмотрим Рисунок 4a: когда V_IN низкий — скажем, 0 В — выход компаратора (UV или OV node) высокий, включая N-channel MOSFET M1 и соединяя R_H параллельно R_B. Предположим, что on-resistance M1 либо пренебрежимо мал по сравнению с R_H, либо включён в значение R_H. Растущий входной порог тот же, что на Рисунке 3: V_T × ((R_B || R_H) + R_T)/(R_B || R_H). Как только V_IN выше этого порога, выход компаратора низкий, выключая M1 и отсоединяя R_H от делителя. Следовательно, падающий входной порог тот же, что 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, растущий входной порог 11,1 В и падающий 11 В; то есть R_H даёт гистерезис 100 мВ. Этот и следующие методы могут использоваться для undervoltage или overvoltage lockout, так как их назначение зависит от того, как выход компаратора включает power switch (не показан).

Рисунок 4. Добавление гистерезиса UVLO или OVLO порога с коммутируемым (a) шунт-резистором или током и (b) последовательным резистором. (Источник: Analog Devices)

Конфигурация Рисунка 4b даёт растущий 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, давая 11 В как растущий входной порог и 10,091 В как падающий — то есть 909 мВ гистерезиса. Это показывает, что конфигурация Рисунка 4b требует гораздо меньший R_H для получения гораздо большего гистерезиса.

Коммутация тока (Рисунок 4a):

Резистор R_H Рисунка 4a может быть заменён источником тока I_H. Этот метод используется в LTC4417 и LTC4418 prioritized controllers. Когда V_IN низкий, высокий выход компаратора включает I_H. На растущем входном пороге отрицательный вход компаратора при V_T. Следовательно, ток в R_T равен I_H + V_T/R_B, давая растущий порог как V_T + (I_H + V_T/R_B) × R_T = V_T × (R_B + R_T)/R_B + I_H × R_T. Как только V_IN выше этого порога, I_H выключается низким выходом компаратора. Следовательно, падающий порог тот же, что на Рисунке 1: V_T × (R_B + R_T)/R_B, а входной пороговый гистерезис равен I_H × R_T.

Bias ток резистивного делителя

Предыдущие уравнения предполагали нулевой input bias ток компараторного входа, пока примеры рассматривали только отношения резисторов вместо абсолютных значений. Входы компаратора имеют как input offset voltage (V_OS), неточность референса (которую можно объединить с V_OS), так и input bias или leakage ток (I_LK). Нулевое допущение leakage работает, если bias ток делителя, V_T/R_B в точке срабатывания Рисунка 1, намного больше входного leakage. Например, делительский ток в 100 раз больше входного leakage тока держит leakage-вызванную ошибку входного порога ниже 1%. Другой метод — сравнить leakage-индуцированную ошибку порога с ошибкой от offset voltage. Компараторные неидеальности меняют уравнение входного undervoltage порога Рисунка 1 на: (V_T ± V_OS) × (R_B + R_T)/R_B ± I_LK × R_T (аналогично предыдущему гистерезисному уравнению тока), что можно переписать как (V_T ± V_OS ± I_LK × R_B × R_T/(R_B + R_T)) × (R_B + R_T)/R_B. Входной leakage появляется как ошибка в пороговом напряжении компаратора и эта ошибка может быть минимизирована относительно offset voltage — то есть I_LK × (R_B || R_T) < V_OS, правильным выбором резисторов.

Как пример, контроллер защиты LTC4367 undervoltage и overvoltage имеет ±10 nA максимальный leakage для UV и OV пинов, пока компараторный 500 мВ пороговый offset voltage составляет ±7,5 мВ (±1,5% от 500 мВ). Бюджетируя ±3 мВ (±0,6% от 500 мВ, или меньше половины 7,5 мВ offset) leakage-вызванную ошибку порога даёт R_B || R_T < 3 мВ/10 nA = 300 кОм. Для установки 11 В входного undervoltage порога с 0,5 В компараторным порогом 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, давая R_B < 315,7 кОм. Ближайшее 1% стандартное значение для R_B — 309 кОм, дающее R_T = 6,49 МОм. Bias ток делителя в точке срабатывания 0,5 В/309 кОм = 1,62 мкА, что в 162 раза больше 10 nA leakage тока. Такой анализ важен при минимизации делительского тока без увеличения пороговой ошибки из-за входного leakage компаратора.

Заключение

Резистивные делители позволяют легко настраивать пороги undervoltage и overvoltage lockout питания с тем же компараторно-базированным контролем. Шум питания или сопротивление требуют порогового гистерезиса для предотвращения chattering power switch при пересечении порога. Показано несколько разных методов реализации гистерезиса undervoltage и overvoltage lockout. Сущностный принцип — иметь некоторую позитивную обратную связь на точке делителя когда компаратор срабатывает. При добавлении или увеличении гистерезиса контроллеров защиты, некоторые методы зависят от доступности компараторного выхода или похожего сигнала на выходных пинах IC. При выборе значений резисторов заботу нужно принимать, чтобы входной leakage компаратора не стал доминантным источником пороговой ошибки. Комплексный набор связанных уравнений, включая те в этой статье, реализован в таблице, доступной для скачивания.

---

Пинкеш Сачдев — старший инженер-прикладник по управлению питанием в Analog Devices. Получил B.Tech. в Indian Institute of Technology, Mumbai, India, и M.S. в Stanford University, оба в электротехнике. Доступен по pinkesh.sachdev@analog.com.

---

Связанный контент:

• Управление последовательностью и супервизией питания, часть 1
• Управление последовательностью и супервизией питания, часть 2
• Выбор встроенного питания
• Выбор внешнего питания
• Следующие вызовы low power дизайна

Для получения большего контента по Embedded подпишитесь на еженедельную рассылку Embedded.