אפשרויות מתג כניסה MOSFET‏ צד-גבוה עבור ניתוק-ומיד-חיבור של הספקת-הכוח למערכת (Power Cycling‏)

ניתוק-ומיד-חיבור של הספקת-הכוח (Cycling‏ Power‏) ממלאים תפקיד מרכזי בהבטחת פעולה ללא-הפסקות של יישומים אלקטרוניים, במיוחד אלה הפרוסים באזורים מרוחקים ומופעלים באמצעות סוללות. הפעולה של ניתוק ומיד חיבור-מחדש של הספקת-הכוח יכולה לאפס מערכת שאינה מגיבה יותר, עקב היעדר פעולה מתמשך או היתקעויות המערכת. גישה אחת יעילה ונפוצה עבור ניתוק-ומיד-חיבור היא שימוש ביציאת אקטיבי-נמוך של מעגל ניטור כדי לדחוף מתג כניסה MOSFET‏ צד-גבוה.

מנטרי מתח או מעגלי ניטור יכולים לספק שתי אפשרויות עבור יציאת רמת לוגיקה: אות יציאה אקטיבי-נמוך ואקטיבי-גבוה. זה ישים עבור טופולוגיות יציאה Push-Pull‏ או מרזב-פתוח (OD‏) עם נגד Pull-Up‏.

• אקטיבי-נמוך, שבו היציאה הופכת לנמוך כאשר תנאי הכניסה מתקיים והופכת לגבוה כאשר תנאי הכניסה אינו מתקיים
• אקטיבי-גבוה, כאשר היציאה הופכת לגבוה כאשר תנאי הכניסה מתקיים והופכת לנמוך כאשר תנאי הכניסה אינו מתקיים

מעגלי ניטור מנטרים את פעילות המערכת על ידי בדיקת הספקת המתח או באמצעות טיימרים Watchdog‏ לגילוי אי-פעילות, או שניהם. כאשר אמצעי הגנה אלו מגלים בעיה, ניתוק-ומיד-חיבור של הנתיב בין ספק-הכוח לבין המערכת במורד-הזרם גורם ליחידת המיקרו-בקר (MCU) להיכנס לתהליך איפוס. מתג כניסה בצד הגבוה של המעגל (איור 1) משמש לבקרת הספקת-הכוח למערכת האלקטרונית במורד-הזרם.

עם זאת, חיוני לבחור את הרכיבים הנכונים ולטפל באתגרים פוטנציאליים כגון יצירת חום ורעש מיתוג היכולים לנבוע מתהליך ניתוק-ומיד-חיבור זה.

איור 1‏: מעגל יישום המשתמש במתג צד-גבוה להגנת המערכת האלקטרונית במורד-הזרם מפני שגיאות במהלך תנאי נפילת מתח. (מקור התמונה: .Analog Devices, Inc‏)

עם זאת, חיוני לבחור את הרכיבים הנכונים ולטפל באתגרים פוטנציאליים כגון יצירת חום ורעש מיתוג היכולים לנבוע מתהליך ניתוק-ומיד-חיבור זה.

מתג הספקת-כוח צד-גבוה

ניתן להשתמש בניתוק-ומיד-חיבור של הספקת-הכוח ביישומים שונים לשיפור אמינות המערכת ולמיתון נזק פוטנציאלי, כולל מקמ"שי אלחוט, התקנים רפואיים, התקני בית חכם, ספקי-כוח ואלקטרוניקה לצרכנים.

טרנזיסטורי אפקט-שדה מוליך-למחצה-תחמוצת-מתכת (MOSFETs) הם בשימוש נרחב בניתוק-ומיד-חיבור מכיוון שיש להם התנגדות מצב-מופעל נמוכה, מהירות מיתוג גבוהה ואימפדנס כניסה גבוה.

היציאה ממעגל הניטור יכולה לבקר את שער ה-MOSFET‏, ולמתג את הספקת-הכוח בין פעולה לכיבוי באופן מחזורי. שיטה זו מבטיחה אמינות מערכת אופטימלית בכך שהיא מאפשרת למערכת להתאפס ולהתאושש ממצבים של היעדר תגובה מצד המערכת.

למפתחים הנוקטים בגישה זו יש את האפשרות להשתמש ברכיבי MOSFET‏ תעלת-N‏ או תעלת-P‏, אך רבים מעדיפים גישה של תעלת-P‏ מכיוון שהתנאים והמעגלים הדרושים להפעלה וכיבוי שלהם פחות מסובכים מאשר עם רכיבי MOSFET‏ תעלת-N‏.

עבור MOSFET תעלת-P, מתח השער חייב להיות נמוך ממתח המקור כדי להפעיל אותו, בעוד שעם MOSFET תעלת-N‏ מתח השער חייב להיות גבוה ממתח המקור כדי להפעיל אותו.

כאשר MOSFET‏ תעלת-N‏ משמש כמתג כניסת צד-גבוה, מתח שער נמוך גורם למתג להיפתח ולנתק את הספקת-הכוח. בעוד שרכיבי MOSFET‏ תעלת-N‏ מציעים באופן כללי נצילות וביצועים טובים יותר, בהקשר זה נדרשים מעגלים נוספים כגון Charge Pump‏ ליצירת מתח שער-מקור (_GS‏V‏) חיובי כדי להבטיח שהמתג יתחבר-מחדש במלואו להספקת-הכוח.

מעגלים נוספים אלו אינם נדרשים כאשר משתמשים ב-MOSFET‏ תעלת-P‏, שניתן להפעילו על ידי _GS‏V‏ שלילי כך שתכן היישום הוא פשוט יותר, אם כי הפשרה היא התנגדות מצב-מופעל גבוהה יותר ונצילות נמוכה יותר.

מימוש מתג צד-גבוה תעלת-P‏

בגישת תעלת-P‏, מתח שער-מקור עבור בקרת ה-MOSFET‏ חייב להיות נמוך יותר מאשר מתח ההספקה בלפחות מתח סף שער-מקור _(GS(th‏V‏ כדי לאפשר לזרם לזרום מהמקור למרזב (Drain‏). שיקול נוסף הוא להבטיח שהמתח בין המרזב למקור (_DS‏V‏) פועל בגבולות שהוגדרו במפרט כדי להבטיח שההתקן לא יינזק.

כאשר יציאת מעגל ניטור אקטיבי-נמוך מחוברת לשער MOSFET‏ תעלת-P‏, פין OUT‏ מושך את השער לנמוך כאשר עוברים את הסף המוגדר במפרט, ומופעלת חיבוריות בין מתח ההספקה לבין העומס. כאשר המתח יורד מתחת לסף, פין OUT עובר לגבוה, וה-MOSFET‏ תעלת-P‏ עובר לכבוי ומנתק את העומס מההספקה.

המפתחים יכולים ליצור מעגל הגנת מתח-יתר יעיל ביותר על ידי חיבור ישיר של פין OUT של ההתקן לשער של ה-MOSFET‏ תעלת-P‏. גישה חסונה זו, באמצעות MOSFET תעלת-P‏ כמתג צד-גבוה המחובר ל-IC‏ לניהול הספקת-כוח MAX16052‏ של .Analog Devices, Inc‏ (איור 2‏), מבטיחה שהעומס יחובר למתח ההספקה.

איור 2‏: MOSFET‏ תעלת-P‏ משמש כמתג צד-גבוה עבור הגנת מתח-יתר. (מקור התמונה: .Analog Devices, Inc‏)

נגד Pull-Up‏ חיצוני בין המתח המנוטר לבין שער ה-MOSFET תעלת-P‏ שומר על השער גבוה כאשר פין OUT‏ מרזב-פתוח (OD‏) הוא במצב של אימפדנס גבוה. פין ה-OUT עובר למצב אימפדנס גבוה כאשר המתח המנוטר עולה על הסף, מכבה את ה-MOSFET תעלת-P‏ ומנתק את העומס ממתח ההספקה. ולהפך, פין OUT מושך את פין השער לנמוך כאשר המתח המנוטר יורד מתחת לסף.

ה-MAX16052, יחד עם ה-MAX16053‏ של ADI, מהווים קו של מעגלי ניטור קטנים בהספק נמוך ומתח גבוה עם יכולת תזמון, ושניהם זמינים במארז קומפקטי SOT23 של 6 פינים. ה-MAX16052 מספק יציאת אקטיבי-גבוה מרזב-פתוח (OD‏), בעוד שה-MAX16053 מציע יציאת Push-Pull‏ אקטיבי-גבוה. שניהם מספקים ניטור מתח מתכוונן עבור כניסות עד V‏ 0.5‏ ומבצעים ניטור מתח באמצעות כניסה (IN) עם אימפדנס גבוה עם סף פנימי קבוע של V‏ 0.5‏.

שימוש בטיימר Watchdog‏

טיימרים Watchdog‏ (WDTs‏) יכולים לשפר את יכולות ההגנה של מעגלי ניטור במקרים בהם אות היציאה הוא נמוך כאשר תנאי הניטור מתקיים. בנסיבות אלו, טיימר Watchdog‏ יכול לגלות היעדר פולס או תופעת מעבר למשך פרק זמן מסוים, הנקרא פסק זמן Watchdog‏ (_WD‏t‏), ולהפעיל את איפוס המיקרו-בקר או להתחיל מחזור הספקת-כוח.

מנטר ננו-הספק עם טיימר Watchdog‏ MAX16155‏ של ADI‏ יוזם יציאת איפוס כאשר מתח ההספקה (_CC‏V‏) החיובי עולה מעל מתח הפעולה המינימלי, אפילו אם הוא פחות מסף האיפוס. יישום המשתמש בשני WDTs (איור 3) יכול לאפשר איפוס רך של המיקרו-בקר לאחר 32 שניות של היעדר פעילות, ומחזור הספקת-כוח של המערכת לאחר 128 שניות של היעדר פעילות.

איור 3‏: בתצורה זו טיימר Watchdog‏ 1‏ יפעיל איפוס רך בעוד שטיימר Watchdog‏ 2‏ ייזום ניתוק-ומיד-חיבור של הספקת-כוח של המערכת. (מקור התמונה: .Analog Devices, Inc‏)

אפשרות אחת לדחיפת מתג צד-גבוה תעלת-P‏ היא שימוש בטרנזיסטור צומת ביפולרי (BJT‏) NPN‏ בתור אינוורטר כדי להמיר אות נמוך מיציאת ה-Watchdog‏, המכבה את טרנזיסטור NPN, לאות גבוה המכבה את ה-MOSFET תעלת-P‏ באמצעות נגד Pull-Up‏. (איור 4). כאשר המערכת פעילה, יציאת ה-Watchdog‏ (WDO‏) היא בגבוה, ושולחת את האות שלה דרך נגד לבסיס של טרנזיסטור NPN, ומפעילה אותו.

איור 4‏: טרנזיסטור צומת ביפולרי (Q1‏) הדוחף את ה-MOSFET תעלת-P‏ (Q2‏). (מקור התמונה: .Analog Devices, Inc‏)

מחלק נגדים המחובר לשער ולמקור של ה-MOSFET מבקר את ה-_GS‏V‏. כאשר טרנזיסטור NPN פועל, הוא מושך את מחלק הנגדים לנמוך, הופך את מתח השער לנמוך יותר ממתח המקור, ומפעיל את ה-MOSFET תעלת-P‏ כדי לתת הספקת-כוח למערכת.

אם המיקרו-מעבד לא מגיב או לא מצליח לשלוח פולסי כניסה בתוך פרק הזמן הקצוב המוגדר מראש של טיימר ה-Watchdog‏ MAX16155‏, מתרחש אירוע זמן קצוב של ה-Watchdog, הגורם לפין WDO להיות בנמוך. פעולה זו מושכת את בסיס ה-NPN להארקה ומכבה אותו. כאשר טרנזיסטור NPN כבוי, המתח בשער ובמקור של MOSFET תעלת-P‏ הם אותם, ה-MOSFET מכובה ומנתק את הספקת-הכוח למיקרו-מעבד.

כאשר יציאת ה-WDO של טיימר Watchdog חוזרת לגבוה, המערכת חוזרת לפעולה רגילה. לאחר מכן המיקרו-מעבד שולח פולסים באופן סדיר לפין WDI‏ ומונע פסקי-זמן נוספים. טרנזיסטור NPN מופעל, שומר על ה-MOSFET צד-גבוה במצב מופעל ומבטיח הספקת-כוח רצופה למיקרו-מעבד.

העלות הנמוכה של טרנזיסטורי צומת ביפולריים היא יתרון תכן עבור מתגי צד-גבוה תעלת-P‏ אך נדרש כוונון נכון בעזרת רכיבים חיצוניים נוספים כגון נגדים.

דחיפת המעגל באמצעות MOSFET‏ תעלת-N‏

לשימוש ב-MOSFET‏ תעלת-N‏ לבקרת MOSFET תעלת-P‏ צד-גבוה יש מספר יתרונות על-פני טרנזיסטור ביפולרי.

ל-MOSFET‏ תעלת-N‏ יש התנגדות מצב-מופעל נמוכה, המפחיתה את הפסדי ההספק ומגדילה את הנצילות. הוא גם ממותג במהירות ומשפר את זמני התגובה של המערכת. יש לו הפסדי מיתוג נמוכים יותר והוא יכול לפעול בתדרים גבוהים יותר, מה שהופך אותו לאידיאלי עבור יישומים יעילים-אנרגטית כגון התקנים מוזני-סוללות. כמו כן, דרישות דוחף השער הן פחות תובעניות מאלו של BJT, מה שמפשט את מעגלי הדחיפה ומפחית את מספר הרכיבים.

יציאת ה-Watchdog‏ יכולה לבקר ישירות את השער של MOSFET‏ תעלת-N‏. מתח Pull-Up‏ של ה-WDO‏ צריך להתאים למתח סף השער (_(GS(th‏V‏) של ה-MOSFET‏ כדי לעבוד כהלכה. כאשר המערכת פעילה, אות WDO גבוה מפעיל את ה-MOSFET‏ תעלת-N‏ (Q1‏ באיור 5‏), אשר בתורו מפעיל את ה-MOSFET תעלת-P‏ (Q2‏ באיור 5‏) ומספק כוח למערכת. במהלך אי-פעילות המערכת, אות WDO‏ נמוך מכבה את Q1‏, המכבה את Q2‏ ומנתק את הספקת-הכוח.

איור 5‏: MOSFET‏ תעלת-N‏ (Q1‏) הדוחף MOSFET תעלת-P‏ (Q2‏). (מקור התמונה: .Analog Devices, Inc‏)

סיכום

השימוש ב-MOSFET תעלת-P‏ או MOSFET תעלת-N‏ לדחיפת מתג צד-גבוה הן שיטות אמינות עבור ניתוק-ומיד-חיבור של הספקת-הכוח למערכת. גישת תעלת-P‏ עם טרנזיסטור ביפולרי NPN‏ ורכיבים נוספים מעניקה אפשרות בעלות נמוכה יותר, בעוד שגישת תעלת-N‏ היא טובה יותר עבור מיתוג בתדר גבוה. העדפות התכן של המפתח ודרישות היישום יכתיבו את הגישה האופטימלית.