摘要

在無(wú)線收發(fā)器等應(yīng)用中，系統(tǒng)一般處于偏遠(yuǎn)地區(qū)，通常由電池供電。由于鮮少有人能夠前往現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行干預(yù)，此類應(yīng)用必須持續(xù)運(yùn)行。系統(tǒng)持續(xù)無(wú)活動(dòng)或掛起后，需要復(fù)位系統(tǒng)以恢復(fù)操作。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)位，可以切斷電源電壓，斷開(kāi)系統(tǒng)電源，然后再次連接電源以重啟系統(tǒng)。 

本文將探討使用什么方法和技術(shù)可以監(jiān)控電路的低電平有效輸出來(lái)驅(qū)動(dòng)高端輸入開(kāi)關(guān)，從而執(zhí)行系統(tǒng)電源循環(huán)。 

簡(jiǎn)介

為了提高電子系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)健性，一種方法是實(shí)施能夠檢測(cè)故障并及時(shí)響應(yīng)的保護(hù)機(jī)制。這些機(jī)制就像安全屏障，能夠減輕潛在損害，確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。電源循環(huán)可以確保系統(tǒng)正常運(yùn)行并提供保護(hù)，通常在系統(tǒng)無(wú)響應(yīng)和不活動(dòng)時(shí)工作，以使其能夠持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。電源循環(huán)借助電源開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)，該開(kāi)關(guān)會(huì)先斷開(kāi)電源輸入與下游電子系統(tǒng)之間的路徑，再閉合相關(guān)路徑以重啟系統(tǒng)。一旦系統(tǒng)的微控制器單元(MCU)無(wú)響應(yīng)，并且持續(xù)不活動(dòng)，系統(tǒng)就會(huì)進(jìn)入復(fù)位模式，開(kāi)始電源循環(huán)。 

較常用于實(shí)現(xiàn)高端電源路徑或輸入開(kāi)關(guān)的方法是使用MOSFET。N溝道或P溝道MOSFET均可用作輸入開(kāi)關(guān)，每種開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)要求各有不同。驅(qū)動(dòng)N溝道MOSFET作為高端開(kāi)關(guān)有點(diǎn)復(fù)雜，因此，通常會(huì)選用P溝道MOSFET。 

監(jiān)控電路通過(guò)監(jiān)測(cè)電源電壓和/或使用看門狗定時(shí)器檢測(cè)是否存在脈沖，可以輕松檢測(cè)到系統(tǒng)是否處于不活動(dòng)狀態(tài)?？撮T狗定時(shí)器功能增強(qiáng)了監(jiān)控電路作為綜合保護(hù)解決方案的能力。一旦檢測(cè)到不活動(dòng)狀態(tài)，看門狗定時(shí)器就會(huì)置位復(fù)位輸出，該輸出通常是低電平有效信號(hào)。此信號(hào)可用于將微控制器置于復(fù)位模式，或觸發(fā)不可屏蔽中斷，促使系統(tǒng)采取糾正措施。雖然低電平有效輸出主要用于復(fù)位微控制器，但在系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間無(wú)響應(yīng)等情況下，也需要執(zhí)行電源循環(huán)。為此，可以利用多種技術(shù)從監(jiān)控電路低電平有效輸出驅(qū)動(dòng)高端P溝道MOSFET輸入開(kāi)關(guān)，從而獲得更出色的系統(tǒng)可靠性。 

使用MOSFET作為高端輸入開(kāi)關(guān)

圖1為一個(gè)應(yīng)用電路，使用了高端輸入開(kāi)關(guān)保護(hù)下游電子系統(tǒng)不受掉電故障影響。MOSFET支持根據(jù)應(yīng)用需要，輕松選擇適當(dāng)?shù)碾妷汉碗娏黝~定值，是系統(tǒng)高端開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)的理想器件。 

圖1.高端輸入開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)示例，可保護(hù)系統(tǒng)不受掉電故障影響 

高端輸入開(kāi)關(guān)可以是N溝道或P溝道MOSFET。柵極電壓較低時(shí)，N溝道MOSFET開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，電源電壓連接隨之?dāng)嚅_(kāi)。要使N溝道MOSFET完全閉合并將電源連接到下游電子系統(tǒng)，柵極電壓必須比電源電壓高，并且差值需至少等于MOSFET閾值電壓。因此，如使用N溝道MOSFET作為高端輸入開(kāi)關(guān)，將需要額外配置電路，例如電荷泵。有些保護(hù)電路還集成了比較器和電荷泵來(lái)驅(qū)動(dòng)高端N溝道MOSFET，同時(shí)保持解決方案的簡(jiǎn)單性。使用P溝道MOSFET作為高端輸入開(kāi)關(guān)不需要電荷泵，但極性相反。這種方法更簡(jiǎn)單，因而成為許多應(yīng)用的常用方法。 

監(jiān)控電路輸出驅(qū)動(dòng)輸入開(kāi)關(guān)

在電路中使用P溝道MOSFET時(shí)，先為柵極、源極和漏極端建立適當(dāng)?shù)钠脳l件非常重要。柵源電壓(VGS)在控制MOSFET導(dǎo)通方面起著關(guān)鍵作用。對(duì)于P溝道MOSFET，柵極電壓必須比源極電壓低，并且差值需至少等于MOSFET閾值電壓。此負(fù)偏置確保P溝道MOSFET偏置到其有源區(qū)，使電流可以從源極流向漏極。此外，柵源閾值電壓(VGS(th))決定了在柵極和源極端子之間建立導(dǎo)電通道所需的最小電壓。對(duì)于P溝道MOSFET，VGS(th)通常指定為負(fù)值，表示相對(duì)于源極而言，柵極電壓需要足夠低才能導(dǎo)通。另一個(gè)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(guī)定的VDS限值內(nèi)工作，以防止損壞器件。 

電壓監(jiān)視器或監(jiān)控電路可以為其邏輯電平輸出提供兩種選擇：低電平有效和高電平有效輸出信號(hào)。前者“低電平有效”是指當(dāng)輸入條件為真且得到滿足時(shí)，輸出置為低電平；而當(dāng)輸入條件為假時(shí)，輸出置為高電平。后者“高電平有效”是指當(dāng)輸入條件為真時(shí)，輸出置為高電平；而當(dāng)輸入條件為假且未得到滿足時(shí)，輸出置為低電平。監(jiān)控電路常用于復(fù)位微控制器，因此故障期間會(huì)使用低電平有效輸出將微控制器的復(fù)位引腳拉低。利用高電平有效輸出驅(qū)動(dòng)P溝道MOSFET非常簡(jiǎn)單，對(duì)于開(kāi)漏拓?fù)鋪?lái)說(shuō)尤為如此。

圖2.P溝道MOSFET用作高端輸入開(kāi)關(guān)，可提供過(guò)壓保護(hù) 

監(jiān)控電路的高電平有效輸出連接到P溝道MOSFET的柵極。當(dāng)監(jiān)控的電壓低于指定閾值時(shí)，OUT引腳將柵極拉低，接通P溝道MOSFET。負(fù)載因此連接到電源電壓。當(dāng)監(jiān)控的電壓超過(guò)閾值時(shí)，OUT引腳變?yōu)楦唠娖剑?/span>P溝道MOSFET關(guān)斷，負(fù)載與電源電壓斷開(kāi)連接。 

圖2中，高壓可調(diào)時(shí)序控制和監(jiān)控電路MAX16052用作過(guò)壓保護(hù)電路。該器件的OUT引腳直接連接到P溝道MOSFET的柵極。P溝道MOSFET的源極連接到輸入電壓，漏極連接到負(fù)載。外部上拉電阻連接在VCC和P溝道MOSFET柵極之間，以在OUT引腳為低電平時(shí)讓柵極保持高電平。 

當(dāng)監(jiān)控的電壓低于MAX16052指定的固定閾值時(shí)，OUT引腳將柵極引腳拉低，導(dǎo)致P溝道MOSFET開(kāi)關(guān)處于短路狀態(tài)或?qū)顟B(tài)。當(dāng)監(jiān)控的電壓超過(guò)閾值時(shí)，OUT引腳變?yōu)楦唠娖剑?/span>P溝道MOSFET關(guān)斷，負(fù)載與電源電壓斷開(kāi)連接。 

在某些應(yīng)用中，期望的監(jiān)控要求可能僅適用于低電平有效輸出。這意味著，當(dāng)滿足監(jiān)控條件時(shí)，輸出信號(hào)為低電平。在這些情況下，我們必須要借助一些技術(shù)來(lái)利用低電平有效輸出控制輸入開(kāi)關(guān)。例如，系統(tǒng)32秒不活動(dòng)后微控制器需要復(fù)位，128秒持續(xù)不活動(dòng)后系統(tǒng)需要啟用電源循環(huán)，那么可以使用看門狗定時(shí)器的看門狗輸入(WDI)引腳來(lái)檢測(cè)不活動(dòng)情況。當(dāng)一段時(shí)間（看門狗超時(shí)時(shí)長(zhǎng)tWD）內(nèi)沒(méi)有檢測(cè)到脈沖或變化時(shí)，看門狗輸出(WDO)變?yōu)榈碗娖?。帶有看門狗定時(shí)器的MAX16155 nanopower電源監(jiān)控器有多個(gè)型號(hào)，可以滿足所需的32 s和128 s看門狗超時(shí)時(shí)長(zhǎng)要求。為了實(shí)現(xiàn)所需的功能，我們需要兩個(gè)看門狗定時(shí)器，一個(gè)用于復(fù)位微控制器，另一個(gè)用于啟動(dòng)圖3所示的電源循環(huán)例程。其中要解決的主要挑戰(zhàn)在于需確定如何使用不同型號(hào)看門狗定時(shí)器的低電平輸出，以在不活動(dòng)或系統(tǒng)無(wú)響應(yīng)狀態(tài)下斷開(kāi)輸入開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)電源循環(huán)。 

圖3.使用了兩個(gè)具有不同看門狗超時(shí)時(shí)長(zhǎng)的MAX16155看門狗定時(shí)器，分別用于軟復(fù)位和電源循環(huán) 

NPN雙極結(jié)型晶體管用作驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)P溝道高端開(kāi)關(guān)的一種方法是使用NPN雙極結(jié)型晶體管(BJT)，如圖4所示。此電路形成一個(gè)逆變器，將來(lái)自看門狗輸出的低電平有效信號(hào)轉(zhuǎn)換為P溝道MOSFET開(kāi)關(guān)所需的高電平邏輯信號(hào)。 

當(dāng)系統(tǒng)處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，MAX16155 WDO引腳的看門狗輸出處于空閑狀態(tài)，通常為高電平。然后會(huì)通過(guò)限流電阻網(wǎng)絡(luò)連接到驅(qū)動(dòng)晶體管的基極引腳。WDO引腳的正常高電平輸出提供必要的基極-發(fā)射極電壓，作為NPN雙極結(jié)型晶體管的控制輸入。它在基極-發(fā)射極結(jié)上建立足夠的電壓，使晶體管進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。 

電阻分壓器連接到高端MOSFET開(kāi)關(guān)的柵極引腳和源極引腳，以控制其柵源電壓(VGS)。該柵源電壓決定了MOSFET是保持導(dǎo)通狀態(tài)還是關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)WDO引腳激活NPN雙極結(jié)型晶體管時(shí)，電流流過(guò)晶體管。這會(huì)將電阻分壓器拉低至GND，從而改變電阻分壓器結(jié)點(diǎn)處的電壓。然后，此電壓被施加到高端MOSFET的柵極引腳。這會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電位差，柵極引腳的電位低于源極引腳的電位，導(dǎo)致MOSFET導(dǎo)通。當(dāng)MOSFET處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，電源就被提供給系統(tǒng)微處理器或負(fù)載。圖5顯示了系統(tǒng)處于活動(dòng)狀態(tài)，電源通過(guò)開(kāi)關(guān)Q2提供的電流流動(dòng)情況。 

然而，當(dāng)微處理器無(wú)響應(yīng)或無(wú)法在MAX16155看門狗定時(shí)器的預(yù)定超時(shí)時(shí)長(zhǎng)內(nèi)提供輸入脈沖時(shí)，就會(huì)發(fā)生看門狗超時(shí)事件，WDO置為低電平。因此，NPN BJT Q1的基極被拉至地，導(dǎo)致其關(guān)斷。當(dāng)Q1斷開(kāi)時(shí)，P溝道MOSFET Q2上柵極和源極的電壓將大致相等，這足以使其關(guān)斷。

圖4.使用NPN雙極結(jié)型晶體管(Q1)從低電平有效輸出驅(qū)動(dòng)P溝道MOSFET(Q2) 

圖5.正常運(yùn)行時(shí)的電流——系統(tǒng)處于活動(dòng)狀態(tài)

圖6.系統(tǒng)不活動(dòng)期間的電流流動(dòng)——發(fā)生電源循環(huán) 

如圖5所示，NPN雙極結(jié)型晶體管的集電極引腳連接到高端MOSFET兩端的電阻分壓器。由于NPN雙極結(jié)型晶體管處于關(guān)斷狀態(tài)，電阻分壓器結(jié)點(diǎn)和柵極上的電壓將大致等于源極引腳中的電壓。這將導(dǎo)致MOSFET的柵極和源極之間的電位差為零，從而無(wú)法滿足MOSFET Q2保持導(dǎo)通狀態(tài)所需的VGS閾值。因此，隨著MOSFET關(guān)斷，微處理器的3.3 V電源也被斷開(kāi)，從而有效切斷微處理器或負(fù)載的電源。系統(tǒng)不活動(dòng)和電源循環(huán)期間的等效電路和電流如圖6所示。 

當(dāng)WDO輸出脈沖寬度完成并返回高電平后，系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。在此階段，微處理器恢復(fù)向WDI引腳發(fā)送常規(guī)輸入脈沖，以防更多看門狗超時(shí)事件發(fā)生。NPN雙極結(jié)型晶體管返回活動(dòng)狀態(tài)，使高端MOSFET可以保持導(dǎo)通狀態(tài)，確保微處理器或負(fù)載的電源不間斷。圖7顯示了使用NPN雙極晶體管的電源循環(huán)事件期間的波形。如CH1所示，在WDI信號(hào)中未檢測(cè)到任何變化，這意味著系統(tǒng)處于不活動(dòng)狀態(tài)。經(jīng)過(guò)超時(shí)時(shí)長(zhǎng)后，CH2中的WDO信號(hào)置為低電平，在此期間，高端輸入開(kāi)關(guān)Q1斷開(kāi)。因此，CH3中沒(méi)有測(cè)量到電壓，MCU也沒(méi)有電源電壓，系統(tǒng)開(kāi)始重啟。CH4是負(fù)載消耗的輸出電流，該電流變?yōu)榱惆才啵砻髫?fù)載已與電源電壓斷開(kāi)連接。

圖7.驅(qū)動(dòng)電路中采用NPN雙極結(jié)型晶體管的信號(hào)（CH1—WDI信號(hào)；CH2—WDO信號(hào)；CH3—MCU電源；CH4—I_OUT）

使用NPN雙極結(jié)型晶體管作為高端開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器的主要優(yōu)點(diǎn)之一是雙極結(jié)型晶體管的成本較低。然而，偏置NPN雙極結(jié)型晶體管需要借助電阻等附加外部元件進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

圖8.使用N溝道MOSFET (Q1)從低電平有效輸出驅(qū)動(dòng)P溝道MOSFET(Q2) 

N溝道MOSFET用作驅(qū)動(dòng)電路

另一種采用N溝道MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路可用來(lái)控制高端P溝道MOSFET。與使用雙極晶體管相比，這種方法有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。 

N溝道MOSFET的低導(dǎo)通電阻可確保器件上的壓降非常小，因而功耗更低，能效更高。MOSFET的快速開(kāi)關(guān)特性可縮短響應(yīng)時(shí)間，監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能得以增強(qiáng)。MOSFET的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)關(guān)損耗更低，工作頻率更高。這有助于實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)高效的操作并節(jié)省電量，對(duì)電池供電等類似應(yīng)用非常有益。 

此外，柵極驅(qū)動(dòng)要求比雙極結(jié)型晶體管的要求更低，因此可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)電路，減少需要的元件數(shù)量?？撮T狗輸出可以直接驅(qū)動(dòng)圖8所示N溝道MOSFET的柵極。WDO的上拉電壓應(yīng)達(dá)到N溝道MOSFET的柵極閾值電壓VGS(th)才能正常工作。當(dāng)系統(tǒng)處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，WDO的邏輯高電平輸出電壓將使Q1導(dǎo)通，進(jìn)而Q2導(dǎo)通，向系統(tǒng)供電。與雙極晶體管的情況一樣，在系統(tǒng)不活動(dòng)期間，WDO引腳的邏輯低電平輸出將關(guān)斷Q1并斷開(kāi)Q2，從而切斷系統(tǒng)的電源電壓。使用N溝道MOSFET作為驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，電源循環(huán)期間的信號(hào)行為如圖9中捕獲的波形所示。 

本文所討論的高端開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)方法不僅對(duì)無(wú)線收發(fā)器有益，而且對(duì)故障期間（例如功能和本質(zhì)安全系統(tǒng)中的過(guò)壓和過(guò)流情況）需要通過(guò)電源循環(huán)例程來(lái)提供系統(tǒng)保護(hù)的其他應(yīng)用也很有幫助。檢測(cè)級(jí)取決于發(fā)生電源循環(huán)所需的條件，既可以是檢測(cè)電壓故障的電壓監(jiān)控器，或是防止過(guò)流的電流傳感器，也可以是其他技術(shù)。本文討論了如何使用具有低電平有效輸出的傳感器和電源監(jiān)控器來(lái)實(shí)現(xiàn)電源循環(huán)，從而保護(hù)下游系統(tǒng)。

圖9.驅(qū)動(dòng)電路中采用N溝道MOSFET的信號(hào)（CH1—WDI信號(hào)；CH2—WDO信號(hào)；CH3—MCU電源；CH4—I_OUT） 

結(jié)論

市面上有許多技術(shù)支持使用了來(lái)自監(jiān)控電路的低電平有效信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)高端開(kāi)關(guān)，以實(shí)現(xiàn)電源循環(huán)。帶有附加元件的NPN雙極晶體管是一種成本較低的選擇，可滿足驅(qū)動(dòng)P溝道MOSFET輸入開(kāi)關(guān)的要求。另一方面，N溝道MOSFET方案需要的元件更少，更容易實(shí)現(xiàn)，但總體成本更高。N溝道MOSFET在用作高頻開(kāi)關(guān)時(shí)也表現(xiàn)出不少優(yōu)勢(shì)。這兩種方法都經(jīng)過(guò)了充分驗(yàn)證，可為系統(tǒng)電源循環(huán)設(shè)計(jì)帶來(lái)裨益。 

# # #

關(guān)于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，致力于在現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實(shí)現(xiàn)智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案，推動(dòng)數(shù)字化工廠、汽車和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，應(yīng)對(duì)氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬(wàn)物的可靠互聯(lián)。ADI公司2023財(cái)年收入超過(guò)120億美元，全球員工約2.6萬(wàn)人。攜手全球12.5萬(wàn)家客戶，ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。

關(guān)于作者

Ni?o Angelo Pesigan于2022年6月加入ADI公司，擔(dān)任MMP-East的產(chǎn)品應(yīng)用工程師。他擁有菲律賓馬尼拉圣托馬斯大學(xué)電子工程學(xué)士學(xué)位。Ni?o之前曾在客戶電源解決方案團(tuán)隊(duì)工作，現(xiàn)在專注于為高性能監(jiān)控產(chǎn)品及其功能安全合規(guī)性提供支持。 

Ron是一名應(yīng)用工程師，于2021年9月加入ADI公司。2020年畢業(yè)于菲律賓迪利曼大學(xué)，獲電子與通信工程學(xué)士學(xué)位。 

Noel Tenorio是ADI菲律賓公司的產(chǎn)品應(yīng)用工程師，主要負(fù)責(zé)高性能監(jiān)控產(chǎn)品。他于2016年8月加入ADI公司。在加入ADI公司之前，他在一家開(kāi)關(guān)模式電源研發(fā)公司作為設(shè)計(jì)工程師工作了六年。他擁有菲律賓八打雁國(guó)立大學(xué)電子與通信工程學(xué)士學(xué)位、電力電子專業(yè)電氣工程研究生學(xué)位，以及瑪普阿大學(xué)電子工程理學(xué)碩士學(xué)位。