利用低位準有效輸出驅動高側 MOSFET 輸入開關以實現系統電源迴圈

作者：ADI 產品應用工程師Niño Angelo Pesigan , Ron Rogelio Peralta, 及 Noel Tenorio


摘要

在無線收發器等應用中，由於系統一般設置於偏遠地區，因此通常由電池供電。由於鮮少有人能夠前往現場進行人為的介入，此類應用必須持續運行。系統持續無活動或中斷後，需要重置系統以恢復操作。為了實現系統重置，可以切斷電源電壓，斷開系統電源，然後再次連接電源以重啟系統。

本文將探討使用何種方法和技術可監控電路的低位準有效輸出驅動高側輸入開關，進而執行系統電源迴圈。

簡介

為了提高電子系統的可靠性和穩健性，一種方法是建置能夠檢測故障並及時響應的保護機制。這些機制就像安全屏障，能夠減輕潛在損害，確保系統正常運行。電源迴圈可以確保系統正常運行並提供保護，通常在系統無響應和不活動時工作，以使其能夠持續運轉。電源迴圈借助電源開關實現，該開關會先斷開電源輸入與下游電子系統之間的路徑，再閉合相關路徑以重啟系統。一旦系統的微控制器單元(MCU)無響應，並且持續不活動，系統就會進入重置模式，開始電源迴圈。

較常用於實現高側電源路徑或輸入開關的方法是使用MOSFET。N通道或P通道MOSFET均可用於輸入開關，每種開關的驅動要求各有不同。驅動N通道MOSFET作為高側開關有點複雜，因此，通常會選用P通道MOSFET。

監控電路透過監測電源電壓和/或使用看門狗計時器檢測是否存在脈衝後，便可輕鬆感測系統是否處於不活動狀態。看門狗計時器功能增強了監控電路作為綜合保護解決方案的能力。一旦檢測到不活動狀態，看門狗計時器就會置位復位輸出，該輸出通常是低位準有效訊號。此訊號可用於將微控制器置於重定模式，或觸發不可遮罩中斷，促使系統採取糾正措施。雖然低位準有效輸出主要用於復位微控制器，但在系統長時間無回應等情況下，也需要執行電源迴圈。為此，可以利用多種技術從監控電路低位準有效輸出驅動高側P通道MOSFET輸入開關，進而獲得更卓越的系統可靠性。

使用 MOSFET 作為高側輸入開關

圖1為一個應用電路，使用了高側輸入開關保護下游電子系統不受掉電故障影響。MOSFET 支援根據應用需要，輕鬆選擇適當的電壓和電流額定值，是系統高側開關設計的理想元件。

Figure 1. An example of a high-side input switch implementation to protect the system from malfunction during a brownout condition.
圖1.高側輸入開關實現示例，可保護系統不受掉電故障影響

高側輸入開關可以是 N 通道或 P 通道 MOSFET。閘極電壓較低時，N 通道 MOSFET 開關斷開，電源電壓連接隨之斷開。要使 N 通道 MOSFET 完全閉合並將電源連接到下游電子系統，閘極電壓必須比電源電壓高，並且差值需至少等於 MOSFET 閾值電壓。因此，如使用 N 通道 MOSFET 作為高側輸入開關，將需要額外配置電路，例如電荷泵。有些保護電路並整合了比較器和電荷泵來驅動高側 N 通道 MOSFET，同時保持解決方案的簡單性。使用 P 通道 MOSFET 作為高側輸入開關不需要電荷泵，但極性相反。此種方法更簡單，因而成為許多應用的常用方法。

監控電路輸出驅動輸入開關

在電路中使用P通道MOSFET時，先為閘極、源極和漏極端建立適當的偏置條件非常重要。閘源電壓(VGS)在控制MOSFET導通方面產生關鍵作用。對於P通道MOSFET，閘極電壓必須比源極電壓低，並且差值需至少等於MOSFET閾值電壓。此負偏置確保P通道MOSFET偏置到其有源區，使電流可以從源極流向漏極。此外，閘源閾值電壓 (VGS(th)) 決定了在閘極和源極端子之間建立導電通道所需的最小電壓。對於P通道MOSFET， (VGS(th)) 通常指定為負值，表示相對於源極而言，閘極電壓需要夠低才能導通。另一個重要考慮因素是漏源電壓(VDS) ，這是施加在漏極和源極端子上的電壓。MOSFET必須在規定的 (VDS) 限值內工作，以防止損壞元件。

電壓監視器或監控電路可以為其邏輯位準輸出提供兩種選擇：低位準有效和高位準有效輸出訊號。前者「低位準有效」是指當輸入條件為真且得到滿足時，輸出置為低位準；而當輸入條件為假時，輸出置為高位準。後者「高位準有效」是指當輸入條件為真時，輸出置為高位準；而當輸入條件為假且未得到滿足時，輸出置為低位準。監控電路常用於重置微控制器，因此故障期間會使用低位準有效輸出將微控制器的復位接腳拉低。利用高位準有效輸出驅動P通道MOSFET非常簡單，對於開漏拓撲來說尤為如此。

監控電路的高位準有效輸出連接到 P 通道 MOSFET 的閘極。當監控的電壓低於指定閾值時，OUT 接腳將閘極拉低，接通 P 通道 MOSFET。負載因此連接到電源電壓。當監控的電壓超過閾值時，OUT 接腳變為高位準，P 通道 MOSFET 關斷，負載與電源電壓斷開連接。

圖 2說明高壓可調時序控制和監控電路 MAX16052用於過壓保護電路。該元件的OUT接腳直接連接到P通道MOSFET的閘極。P通道MOSFET的源極連接到輸入電壓，漏極連接到負載。外部上拉電阻連接在Vcc 和P通道MOSFET閘極之間，以在OUT接腳為低位準時使閘極保持高位準。

Figure 2. A P-channel MOSFET used as a high-side input switch for overvoltage protection.
圖2.P通道MOSFET用於高側輸入開關，可提供過壓保護

當監控的電壓低於MAX16052指定的固定閾值時，OUT接腳將閘極接腳拉低，導致P通道MOSFET開關處於短路狀態或導通狀態。當監控的電壓超過閾值時，OUT接腳變為高位準，P通道MOSFET關斷，負載與電源電壓斷開連接。

在某些應用中，期望的監控要求可能僅適用於低位準有效輸出。表示當滿足監控條件時，輸出訊號為低位準。在這些情況下，我們必須要借助一些技術來利用低位準有效輸出控制輸入開關。例如，系統32秒不活動後微控制器需要重置，128秒持續不活動後系統需要啟用電源迴圈，那麼可以使用看門狗計時器的看門狗輸入(WDI)接腳來檢測不活動情況。當一段時間（看門狗逾時tWD）內並未檢測到脈衝或變化時，看門狗輸出(WDO)將轉為低位準。具有看門狗計時器的 MAX16155 nanopower 電源監控器擁有多個型號，可滿足所需的32 s和128 s看門狗逾時要求。為了實現所需的功能，我們需要兩個看門狗計時器，一個用於復位微控制器，另一個用於啟動圖3所示的電源迴圈常式。其中要解決的主要挑戰，在於需確定如何使用不同型號看門狗計時器的低位準輸出，以在不活動或系統無響應狀態下斷開輸入開關，實現電源迴圈。

Figure 3. Two MAX16155 watchdog timers with different watchdog timeout are utilized—one to do a soft reset and another one to do power cycling.
圖3.使用了兩個具有不同看門狗超時時長的 MAX16155 看門狗計時器，分別用於軟復位和電源迴圈

PN 雙極結型晶體管用於驅動電路

驅動 P 通道高側開關的一種方法是使用 NPN 雙極結型電晶體(BJT)，如圖4所示。此電路形成一個逆變器，將來自看門狗輸出的低位準有效訊號轉換為P通道 MOSFET 開關所需的高位準邏輯訊號。

Figure 4. Using an NPN bipolar junction transistor (Q1) in driving a P-channel MOSFET (Q2) from an active low output.
圖4.使用NPN雙極結型電晶體(Q1)從低位準有效輸出驅動P通道MOSFET(Q2)

當系統處於活動狀態時，MAX16155 WDO接腳的看門狗輸出處於空閒狀態，通常為高位準。然後會透過限流電阻網路連接到驅動電晶體的基極接腳。WDO接腳的正常高位準輸出提供必要的基極-發射極電壓，作為NPN雙極結型電晶體的控制輸入。其在基極-發射極結上建立足夠的電壓，使電晶體進入導通狀態。

電阻分壓器連接到高側MOSFET開關的閘極接腳和源極接腳，以控制其閘源電壓 (VGS)。該閘源電壓決定了MOSFET是保持導通狀態還是關斷狀態。當WDO接腳啟動NPN雙極結型電晶體時，電流流過電晶體。這會將電阻分壓器拉低至GND，進而改變電阻分壓器結點處的電壓。然後，此電壓被施加到高側MOSFET的閘極接腳。這會產生一個電位差，閘極接腳的電位低於源極接腳的電位，導致MOSFET導通。當MOSFET處於導通狀態時，電源就被提供給系統微處理器或負載。圖5顯示了系統處於活動狀態，電源通過開關Q2提供的電流流動情況。

Figure 5. Current flow at normal operation—the system is active.
圖5.正常運行時的電流——系統處於活動狀態

然而，當微處理器無回應或無法在MAX16155看門狗計時器的預定超時時間內提供輸入脈衝時，就會發生看門狗逾時事件，WDO置為低位準。因此，NPN BJT Q1的基極被拉至地而導致其關斷。當Q1斷開時，P通道MOSFET Q2上閘極和源極的電壓將大致相等，這足以使其關斷。

如圖5所示，NPN雙極結型電晶體的集電極接腳連接到高側MOSFET兩端的電阻分壓器。由於NPN雙極結型電晶體處於關斷狀態，電阻分壓器結點和閘極上的電壓將大致等於源極接腳中的電壓。這將導致MOSFET的閘極和源極之間的電位差為零，進而無法滿足MOSFET Q2保持導通狀態所需的VGS閾值。因此，隨著MOSFET關斷，微處理器的3.3 V電源也被斷開，進而有效切斷微處理器或負載的電源。系統不活動和電源迴圈期間的等效電路和電流如圖6所示。

Figure 6. Current flow during system inactivity—power cycle occurs.
圖6.系統不活動期間的電流流動——發生電源迴圈

當WDO輸出脈衝寬度完成並返回高位準後，系統恢復正常運行。在此階段，微處理器恢復向WDI接腳發送常規輸入脈衝，以防更多看門狗逾時事件發生。NPN雙極結型電晶體返回活動狀態，使高側MOSFET可以保持導通狀態，確保微處理器或負載的電源不間斷。圖7顯示了使用NPN雙極電晶體的電源迴圈事件期間的波形。如CH1所示，在WDI訊號中未檢測到任何變化，表示系統處於不活動狀態。經過超時時間後，CH2中的WDO訊號置為低位準，在此期間，高側輸入開關Q1斷開。因此，CH3中沒有測量到電壓，MCU也沒有電源電壓，系統開始重啟。CH4是負載消耗的輸出電流，該電流變為零安培，說明負載已與電源電壓斷開連接。

Figure 7. Signals using an NPN bipolar junction transistor in the driving circuit (CH1—WDI signal; CH2—WDO signal; CH3—MCU supply; CH4—I<sub>OUT</sub>).
圖7.驅動電路中採用NPN雙極結型電晶體的訊號（CH1—WDI訊號；CH2—WDO訊號；CH3—MCU電源； CH4—IOUT).

使用NPN雙極結型電晶體作為高側開關驅動器的主要優點之一是雙極結型電晶體的成本較低。然而，偏置NPN雙極結型電晶體需要借助電阻等附加外部元件進行適當調整。

N通道MOSFET用於驅動電路

另一種採用N通道MOSFET的驅動電路可用來控制高側P通道MOSFET。相較於使用雙極電晶體，這種方法有幾個優點。

N通道MOSFET的低導通電阻可確保元件上的壓降非常小，因而功耗更低，能效更高。MOSFET的快速開關特性可縮短回應時間，監控系統的即時性能得以增強。MOSFET的另一個優點是開關損耗更低，工作頻率更高。這有助於實現平穩高效的操作並節省電量，對電池供電等類似應用非常有益。

此外，閘極驅動要求比雙極結型電晶體的要求更低，因此可以進一步簡化驅動電路，減少需要的元件數量。看門狗輸出可以直接驅動圖8所示N通道MOSFET的閘極。WDO的上拉電壓應達到N通道MOSFET的閘極閾值電壓 VGS(th) 才能正常工作。當系統處於活動狀態時，WDO的邏輯高位準輸出電壓將使Q1導通，進而Q2導通，向系統供電。與雙極電晶體的情況一樣，在系統不活動期間，WDO接腳的邏輯低位準輸出將關斷Q1並斷開Q2，進而切斷系統的電源電壓。使用N通道MOSFET作為驅動電路時，電源迴圈期間的訊號行為如圖9中擷取的波形所示。

Figure 8. Using an N-channel MOSFET (Q1) in driving a P-channel MOSFET (Q2) from an active low output.
圖8. 使用N通道MOSFET (Q1)從低位準有效輸出驅動P通道MOSFET(Q2)
Figure 9. Signals using an N-channel MOSFET in the driving circuit (CH1—WDI signal; CH2—WDO signal; CH3—MCU supply; CH4—I<sub>OUT</sub>).
圖9.驅動電路中採用N通道MOSFET的訊號（CH1—WDI訊號；CH2—WDO訊號；CH3—MCU電源； CH4—IOUT).

本文所討論的高側開關驅動方法不僅對無線收發器有益，而且對故障期間（例如功能和本質安全系統中的過壓和過流情況）需要透過電源迴圈常式來提供系統保護的其他應用也很有幫助。檢測級取決於發生電源迴圈所需的條件，既可以是檢測電壓故障的電壓監控器，或是防止過流的電流感測器，也可以是其他技術。文中所討論的，便是如何使用具有低位準有效輸出的感測器和電源監控器實現電源迴圈，進而保護下游系統。

結論

目前有許多支援使用來自監控電路的低位準有效訊號來驅動高側開關的技術，藉以實現電源迴圈。具有附加元件的NPN雙極電晶體是一種成本較低的選擇，可滿足驅動P通道MOSFET輸入開關的要求。另一方面，N通道MOSFET方案需要的元件更少，更容易實現，但總體成本更高。此外，N通道MOSFET在用於高頻開關時也具有不少優勢。此兩種方法都經過了充分驗證，可裨益系統電源迴圈設計。