Cet article examine les méthodes et techniques pour utiliser la sortie active basse d’un circuit de supervision afin d’actionner un interrupteur d’entrée à haute tension pour réaliser un cycle d’alimentation du système.
Cet article est publié par pÉlectrique dans le cadre d’un partenariat exclusif de contenu numérique avec Bodo’s Power Systems.
Une façon d’améliorer la fiabilité et la robustesse des systèmes électroniques est de mettre en œuvre des mécanismes de protection capables de détecter les défauts et de réagir rapidement. Ces mécanismes fonctionnent comme des garde-fous, réduisant les dommages potentiels et garantissant le bon fonctionnement d’un système. Le cycle d’alimentation est une méthode pour assurer un fonctionnement adéquat et protéger les systèmes ; il est généralement effectué sur des systèmes inactifs ou non réactifs afin de leur permettre de fonctionner en continu. Le cycle d’alimentation utilise un interrupteur d’alimentation qui ouvre le chemin entre l’entrée de l’alimentation et le système électronique en aval, puis ferme ce chemin pour initier un redémarrage du système. Une fois que l’unité de microcontrôleur (MCU) du système devient non réactive, le système passe en mode de réinitialisation et commence le cycle d’alimentation si l’inactivité persiste.
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La méthode la plus courante pour mettre en œuvre un chemin d’alimentation ou un interrupteur d’entrée à haute tension est d’utiliser un MOSFET. Un MOSFET à canal N ou à canal P peut être utilisé comme interrupteur d’entrée, chacun ayant des exigences de pilotage différentes. Actionner un MOSFET à canal N comme interrupteur à haute tension est un peu compliqué ; ainsi, un MOSFET à canal P est généralement préféré.
Les circuits de supervision peuvent facilement détecter l’inactivité du système en surveillant la tension d’alimentation et/ou en utilisant un timer de surveillance pour détecter l’absence de pulsations. La fonction de timer de surveillance renforce les capacités des circuits de supervision en tant que solutions de protection complètes. Une fois l’inactivité détectée, le timer de surveillance active une sortie de réinitialisation, qui est généralement un signal actif bas. Ce signal peut être utilisé pour mettre le microcontrôleur en mode de réinitialisation ou déclencher une interruption non masquable pour prendre des mesures correctives. Bien qu’une sortie active basse soit principalement utilisée pour réinitialiser le microcontrôleur, dans certains cas, comme lorsque le système est non réactif trop longtemps, il est souhaitable de réaliser un cycle d’alimentation. Cela peut être réalisé en utilisant diverses techniques pour piloter un interrupteur d’entrée MOSFET P-channel à haute tension à partir d’une sortie active basse d’un circuit de supervision pour une fiabilité optimale du système.
Figure 1. Un exemple d’implémentation d’un interrupteur d’entrée à haute tension pour protéger le système des pannes pendant une condition de baisse de tension. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems []
Utilisation d’un MOSFET comme interrupteur d’entrée à haute tension
La Figure 1 montre un circuit d’application utilisant un interrupteur d’entrée à haute tension pour protéger le système électronique en aval des erreurs pendant les conditions de baisse de tension. Un MOSFET est un choix considérable pour être utilisé comme interrupteur à haute tension du système. La tension et l’évaluation du courant appropriées peuvent facilement être sélectionnées pour l’application.
Un interrupteur d’entrée à haute tension peut être un MOSFET à canal N ou à canal P. L’interrupteur MOSFET à canal N ouvre et déconnecte la tension d’alimentation lorsque sa tension de grille est basse. Pour fermer complètement un MOSFET à canal N et connecter l’alimentation au système électronique en aval, la tension de la grille doit être supérieure à celle de l’alimentation d’au moins la tension de seuil du MOSFET. Cela nécessite un circuit supplémentaire tel qu’une pompe de charge lorsqu’un MOSFET à canal N est utilisé comme interrupteur d’entrée à haute tension. Certains circuits de protection intègrent un comparateur et une pompe de charge pour piloter un MOSFET à canal N haut tout en gardant la solution simple. Utiliser un MOSFET à canal P comme interrupteur d’entrée à haute tension ne nécessite pas de pompe de charge, mais la polarité est inversée. Cette approche est courante pour de nombreuses applications en raison de sa simplicité.
Sortie du circuit de supervision pour piloter l’interrupteur d’entrée
Lors de l’utilisation d’un MOSFET à canal P dans un circuit, il est important d’établir d’abord les conditions de polarisation appropriées pour les bornes de grille, de source et de drain. La tension grille-source (VGS) joue un rôle clé dans le contrôle de la conduction du MOSFET. Dans le cas d’un MOSFET à canal P, la tension de grille doit être inférieure à la tension de source d’au moins la tension de seuil. Cette polarité négative garantit que le MOSFET à canal P est polarisé dans sa zone active, permettant au courant de circuler de la source vers le drain. De plus, la tension de seuil grille-souche (VGS(th)) détermine la tension minimale entre les borniers de grille et de source requise pour créer un canal de conduction. Pour un MOSFET à canal P, VGS(th) est généralement spécifiée comme une valeur négative, indiquant que la tension de grille doit être suffisamment négative par rapport à la source pour permettre la conduction. Une autre considération importante est la tension drain-source (VDS), qui est la tension appliquée entre les bornes de drain et de source. Il est essentiel de faire fonctionner le MOSFET dans les limites spécifiées de VDS pour éviter d’endommager l’appareil.
Les moniteurs de tension ou les circuits de supervision peuvent fournir deux options pour leur niveau de sortie logique : un signal de sortie actif bas et un signal de sortie actif haut. D’une part, actif bas signifie que la sortie est basse lorsque la condition d’entrée est vraie et satisfaite, et se désactive à haute lorsquela condition d’entrée est fausse. D’autre part, actif haut s’active à haut lorsque la condition d’entrée est vraie, et se désactive à bas lorsque la condition d’entrée est fausse et non satisfaite. Comme l’utilisation la plus courante des circuits de supervision est pour la réinitialisation des microcontrôleurs, une sortie active basse est utilisée pour tirer la broche de réinitialisation du microcontrôleur vers le bas pendant les défauts. Piloter un MOSFET à canal P en utilisant une sortie active haute est simple, surtout pour une topologie à drain ouvert.
La sortie active haute du circuit de supervision est connectée à la grille du MOSFET à canal P. Lorsque la tension surveillée est inférieure au seuil spécifié, la broche OUT tire la grille vers le bas, activant ainsi le MOSFET à canal P. Cela connecte la charge à la tension d’alimentation. Lorsque la tension surveillée dépasse le seuil, la broche OUT passe à haute, désactivant le MOSFET à canal P et déconnectant la charge de la tension d’alimentation.
Dans la Figure 2, le MAX16052, un circuit de séquençage et de supervision haute tension ajustable, est utilisé comme circuit de protection contre les surtensions. La broche OUT de l’appareil est directement connectée à la grille du MOSFET à canal P. La source du MOSFET à canal P est connectée à la tension d’entrée, et le drain est connecté à la charge. Une résistance de tirage externe est connectée entre VCC et la grille du MOSFET à canal P pour maintenir la grille à un niveau haut lorsque la broche OUT est basse.
Lorsque la tension surveillée est inférieure au seuil fixe spécifié du MAX16052, la broche OUT tire la broche de grille vers le bas, plaçant l’interrupteur MOSFET à canal P dans un état de court-circuit ou d’état activé. Lorsque la tension surveillée dépasse le seuil, la broche OUT passe à haute, désactivant le MOSFET à canal P et déconnectant la charge de la tension d’alimentation.
Figure 2. Un MOSFET à canal P utilisé comme interrupteur d’entrée à haute tension pour la protection contre les surtensions. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems []
Dans certaines applications, la spécification de supervision souhaitée peut ne être disponible qu’avec une sortie active basse. Cela signifie que le signal de sortie est bas lorsque la condition surveillée est remplie. Dans ces cas, il est nécessaire d’utiliser des techniques pour contrôler l’interrupteur d’entrée avec une sortie active basse. Par exemple, dans un système où le microcontrôleur doit être réinitialisé après 32 secondes d’inactivité et où le système doit être re-démarré après 128 secondes de persistance d’inactivité, un timer de surveillance peut être utilisé pour détecter l’inactivité via sa broche d’entrée de surveillance (WDI). La sortie de surveillance (WDO) devient basse lorsqu’aucune impulsion ou transition n’est détectée pendant une certaine période de temps (délai d’expiration du watchdog, tWD). Le superviseur MAX16155 nanopower avec timer de surveillance dispose de variantes avec un délai d’expiration du watchdog désiré de 32 s et de 128 s, respectivement. Deux timers de surveillance sont nécessaires pour atteindre la fonctionnalité souhaitée – l’un pour réinitialiser le microcontrôleur et l’autre pour initier la routine de cycle d’alimentation illustrée dans la Figure 3. Le principal défi consiste à déterminer comment utiliser la sortie basse des variantes de timer de surveillance pour ouvrir l’interrupteur d’entrée pendant l’inactivité ou l’état non réactif du système pour le cycle d’alimentation.
Figure 3. Deux timers de surveillance MAX16155 avec différents délais d’expiration sont utilisés – l’un pour effectuer une réinitialisation douce et l’autre pour effectuer un cycle d’alimentation. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems []
Transistor bipolaire NPN comme circuit de pilotage
Une approche pour piloter l’interrupteur haut à canal P est d’utiliser un transistor bipolaire NPN (BJT) comme montré dans la Figure 4. Ce circuit forme un inverseur qui convertit le signal actif bas provenant de la sortie du watchdog en un signal logique haut requis par l’interrupteur MOSFET à canal P.
Figure 4. Utilisation d’un transistor bipolaire NPN (Q1) pour piloter un MOSFET à canal P (Q2) à partir d’une sortie active basse. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems []
Lorsque le système est actif, la sortie de surveillance de la broche WDO du MAX16155 est dans son état au repos, qui est normalement haut. Elle est ensuite connectée avec un réseau de résistance limitant le courant à la broche de base du transistor de pilotage. La sortie normalement haute de la broche WDO fournit la tension émetteur-base nécessaire comme entrée de contrôle pour le transistor bipolaire NPN. Cela établit une tension suffisante à travers la jonction émetteur-base, provoquant l’entrée du transistor dans son état conducteur.
Un diviseur de résistance est connecté à la broche de grille et à la broche de source de l’interrupteur MOSFET à haute tension pour contrôler sa tension grille-source (VGS). Cette tension grille-source détermine si le MOSFET reste dans son état ON ou OFF. Lorsque le transistor bipolaire NPN est activé par la broche WDO, le courant circule à travers le transistor. Cela tire le diviseur de résistance vers le bas à GND, ce qui change la tension au point de jonction dans le diviseur de résistance. Cette tension est ensuite appliquée à la broche de grille de MOSFET à haute tension. Cela produit une différence de potentiel où la broche de grille est à un potentiel inférieur à la broche de source, ce qui active efficacement le MOSFET. Avec le MOSFET dans son état ON, l’alimentation est fournie au microprocesseur du système ou à la charge. La Figure 5 montre le flux de courant lorsque le système est actif et que l’alimentation est fournie à travers l’interrupteur, Q2.
Figure 5. Flux de courant en fonctionnement normal – le système est actif. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems []
Cependant, lorsque le microprocesseur devient non réactif ou ne fournit pas d’impulsions d’entrée dans la période de délai prédéfinie du timer de surveillance MAX16155, un événement de délai d’expiration de surveillance se produit et WDO devient bas. Cela tire alors la base du BJT NPN Q1 vers la terre, le désactivant. Lorsque Q1 s’ouvre, la tension sur la grille et la source du MOSFET Q2 à canal P sera approximativement égale, ce qui suffit à le désactiver.
Comme montré dans la Figure 5, la broche collecteur du transistor bipolaire NPN est connectée au diviseur de résistance à travers le MOSFET à haute tension. En raison de l’état OFF du transistor bipolaire NPN, la tension au point de jonction du diviseur de résistance et de la grille sera approximativement égale à la tension dans la broche source. Cela entraînera une différence de potentiel nulle entre la grille et la source du MOSFET, ce qui ne répond pas à la valeur seuil VGS requise pour maintenir le MOSFET Q2 dans son état conducteur. Par conséquent, avec le MOSFET maintenant désactivé, l’alimentation à 3,3 V au microprocesseur est déconnectée, coupant ainsi l’alimentation au microprocesseur ou à la charge. Le circuit équivalent et le flux de courant pendant l’inactivité du système et le cycle d’alimentation sont montrés dans la Figure 6.
Figure 6. Flux de courant pendant l’inactivité du système – cycle d’alimentation se produit. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems []
Après que la largeur d’impulsion de sortie WDO soit complétée et revienne à un niveau de tension élevé, le système revient à son fonctionnement normal. Pendant cette phase, le microprocesseur reprend l’envoi d’impulsions d’entrée régulières à la broche WDI, empêchant d’autres événements de délai d’expiration de surveillance. Le transistor bipolaire NPN revient à son état actif, permettant au MOSFET à haute tension de rester ON, assurant ainsi un approvisionnement ininterrompu en énergie au microprocesseur ou à la charge. La Figure 7 montre les formes d’onde pendant l’événement de cycle de puissance utilisant le transistor bipolaire NPN. Comme montré dans CH1, aucune transition n’est détectée dans le signal WDI, ce qui implique l’inactivité du système. Après la période de délai d’expiration, le signal WDO dans CH2 devient bas, et pendant ce temps, l’interrupteur d’entrée à haute tension Q1 s’ouvre. Ainsi, aucune tension n’est mesurée dans CH3 et la tension d’alimentation MCU est coupée pour initier le redémarrage du système. CH4 est le courant de sortie tiré par la charge qui est tombé à zéro ampère, montrant que la charge a été déconnectée de la tension d’alimentation.
Figure 7. Signaux utilisant un transistor bipolaire NPN dans le circuit de pilotage (CH1 – signal WDI; CH2 – signal WDO; CH3 – alimentation MCU; CH4 – IOUT). Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems []
Un des principaux avantages d’utiliser un transistor bipolaire NPN comme pilote de l’interrupteur à haute tension est le coût inférieur des transistors bipolaires. Cependant, la polarisation du transistor bipolaire NPN nécessite un réglage approprié avec l’aide de composants externes supplémentaires tels que des résistances.
Utilisation d’un MOSFET à canal N comme circuit de pilotage
Un circuit de pilotage alternatif utilisant un MOSFET à canal N peut être mis en œuvre pour contrôler le MOSFET à canal P à haute tension. Cette approche présente plusieurs avantages par rapport à l’utilisation d’un transistor bipolaire.
La faible résistance à l’état passant du MOSFET à canal N assure une chute de tension minimale à travers le dispositif, entraînant une dissipation de puissance réduite et une efficacité énergétique accrue. Les capacités de commutation rapide du MOSFET permettent des temps de réponse plus rapides, améliorant ainsi les performances en temps réel du système de supervision. Un autre avantage que le MOSFET peut offrir est de présenter des pertes de commutation réduites et des fréquences de fonctionnement plus élevées. Cela permet un fonctionnement fluide et efficace, notamment dans les applications alimentées par batterie.
De plus, les exigences de commande de grille sont moins exigeantes que celles d’un transistor bipolaire, simplifiant le circuit de pilotage et réduisant le nombre de composants nécessaires. La sortie du watchdog peut directement piloter la grille du MOSFET à canal N montré dans la Figure 8.
Figure 8. Utilisation d’un MOSFET à canal N (Q1) pour piloter un MOSFET à canal P (Q2) à partir d’une sortie active basse. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems []
La tension de tirage du WDO doit répondre à la tension de seuil de grille VGS(th) du MOSFET à canal N pour fonctionner correctement. Une tension de sortie logique haute du WDO lorsque le système est actif activera Q1, ce qui activera ensuite Q2, fournissant de l’énergie au système. Comme dans le cas du transistor bipolaire, un niveau de sortie logique bas de la broche WDO pendant l’inactivité du système désactivera Q1 et ouvrira Q2, coupant l’alimentation du système. Le comportement des signaux pendant le cycle d’alimentation utilisant le MOSFET à canal N comme circuit de pilotage est montré dans la forme d’onde capturée sur la Figure 9.
Figure 9. Signaux utilisant un MOSFET à canal N dans le circuit de pilotage (CH1 – signal WDI; CH2 – signal WDO; CH3 – alimentation MCU; CH4 – IOUT). Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems []
Cette approche pour piloter des interrupteurs à haute tension est bénéfique non seulement pour les émetteurs-récepteurs sans fil, mais aussi pour d’autres applications qui nécessitent une routine de cycle d’alimentation en protection du système lors de défauts, tels que les surtensions et les surcourants dans les systèmes de sécurité fonctionnelle et intrinsèque. L’étape de détection dépend de la condition requise pour que le cycle d’alimentation se produise. Cela peut être un superviseur de tension pour détecter les défauts de tension, un capteur de courant pour prévenir les surcourants, et d’autres techniques. Cet article aborde comment les dispositifs de détection et de supervision avec sortie active basse peuvent être utilisés pour protéger les systèmes en aval avec un cycle d’alimentation.
Conclusion
Plusieurs techniques peuvent être utilisées pour piloter un interrupteur à haute tension avec le signal actif bas d’un circuit de supervision pour le cycle d’alimentation. Utiliser un transistor bipolaire NPN avec des composants supplémentaires est une option à moindre coût qui répond aux exigences pour piloter l’interrupteur d’entrée à canal P. D’autre part, utiliser un MOSFET à canal N nécessite moins de composants et est plus facile à mettre en œuvre, mais il est globalement plus coûteux. Les MOSFET à canal N ont également des avantages lorsqu’ils sont utilisés comme interrupteurs à des fréquences élevées. Les deux approches sont bien éprouvées et offrent des avantages de conception pour le cycle d’alimentation du système.
Cet article est paru à l’origine dans le magazine Bodo’s Power Systems [] et est coécrit par Niño Angelo Pesigan, Ron Rogelio Peralta et Noel Tenorio, qui sont tous ingénieurs d’applications produits chez Analog Devices.