Options de commutateurs d'entrée MOSFET haut potentiel pour le cyclage d'alimentation des systèmes

Le cyclage de l'alimentation joue un rôle essentiel pour garantir le fonctionnement ininterrompu des applications électroniques, en particulier les applications alimentées par batteries et déployées dans des zones reculées. Le fait de déconnecter et de reconnecter l'alimentation peut permettre de réinitialiser un système qui ne répond plus en raison d'une inactivité prolongée ou d'une défaillance du système. Une approche efficace et largement utilisée pour le cyclage de l'alimentation consiste à utiliser la sortie active basse d'un circuit de surveillance pour commander un commutateur d'entrée MOSFET haut potentiel.

Les moniteurs de tension ou les circuits de surveillance peuvent fournir deux options pour leur sortie de niveau logique : un signal de sortie actif bas et un signal de sortie actif haut. Cela s'applique soit à une topologie de sortie push-pull, soit à une topologie de sortie à drain ouvert avec une résistance d'excursion haute.

• Actif bas : la sortie passe à l'état bas lorsque la condition d'entrée est remplie et passe à l'état haut lorsque la condition d'entrée n'est pas remplie
• Actif haut : la sortie passe à l'état haut lorsque la condition d'entrée est remplie et passe à l'état bas lorsque la condition d'entrée n'est pas remplie

Les circuits de surveillance contrôlent l'activité du système en suivant la source de tension ou en utilisant des horloges de surveillance pour détecter l'inactivité, ou les deux. Lorsque ces dispositifs de protection détectent un problème, le cyclage d'alimentation ouvre puis ferme le chemin entre l'alimentation et un système en aval, ce qui amène le microcontrôleur (MCU) à entrer dans un processus de réinitialisation. Un commutateur d'entrée sur le côté haut potentiel du circuit (Figure 1) est utilisé pour contrôler l'alimentation vers le système électronique en aval.

Il est toutefois essentiel de choisir les composants appropriés et de régler les défis potentiels tels que la génération de chaleur et le bruit de commutation pouvant résulter du processus de cyclage de l'alimentation.

Figure 1 : Circuit d'application utilisant un commutateur haut potentiel pour protéger un système électronique en aval contre les défaillances en cas de microcoupures. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

Il est toutefois essentiel de choisir les composants appropriés et de régler les défis potentiels tels que la génération de chaleur et le bruit de commutation pouvant résulter du processus de cyclage de l'alimentation.

Commutateur d'alimentation haut potentiel

Le cyclage de l'alimentation peut être utilisé dans diverses applications pour améliorer la fiabilité du système et atténuer les dommages potentiels, notamment dans les émetteurs-récepteurs sans fil, les dispositifs médicaux, les dispositifs de maison intelligente, les alimentations et l'électronique grand public.

Les transistors à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur (MOSFET) sont largement utilisés dans le cyclage d'alimentation car ils présentent une faible résistance à l'état passant, une haute vitesse de commutation et une impédance d'entrée élevée.

La sortie du circuit de surveillance peut contrôler la grille du MOSFET, l'activant ou la désactivant efficacement pour le cyclage de l'alimentation. Cette méthode garantit une fiabilité optimale du système en permettant la réinitialisation et le rétablissement du système après des états sans réponse.

Les développeurs qui adoptent cette approche ont la possibilité d'utiliser des MOSFET à canal N ou à canal P, mais beaucoup préfèrent une approche à canal P car les conditions et les circuits requis pour l'activation et la désactivation sont moins compliqués qu'avec les MOSFET à canal N.

Pour un MOSFET à canal P, la tension de grille doit être inférieure à la tension de source pour l'activation, tandis qu'avec un MOSFET à canal N, la tension de grille doit être supérieure à la tension de source pour l'activation.

Lorsqu'un MOSFET à canal N est utilisé comme commutateur d'entrée haut potentiel, la faible tension de grille entraîne l'ouverture du commutateur et la déconnexion de l'alimentation. Bien que les MOSFET à canal N offrent généralement une meilleure efficacité et de meilleures performances, dans ce contexte, des circuits supplémentaires tels qu'une pompe à charge sont nécessaires pour générer une tension grille-source (V_GS) positive afin de garantir que le commutateur reconnecte complètement l'alimentation.

Ce circuit supplémentaire n'est pas requis lors de l'utilisation d'un MOSFET à canal P qui peut être activé par une tension V_GS négative, simplifiant ainsi la conception de l'application, même si la contrepartie est une résistance à l'état passant plus élevée et une efficacité moindre.

Mise en œuvre d'un commutateur haut potentiel à canal P

Avec l'approche à canal P, la tension grille-source pour contrôler le MOSFET doit être inférieure à la tension d'alimentation d'au moins la tension de seuil grille-source V_GS(th) pour permettre au courant de circuler de la source vers le drain. Il faut également s'assurer que la tension entre le drain et la source (V_DS) se situe dans les limites spécifiées afin de ne pas endommager le dispositif.

Lorsqu'une sortie de circuit de surveillance active basse est connectée à la grille d'un MOSFET à canal P, la broche OUT fait passer la grille à l'état bas lorsque le seuil spécifié est dépassé, activant la connectivité de la tension d'alimentation à la charge. Lorsque la tension tombe en dessous du seuil, la broche OUT passe à l'état haut et le MOSFET à canal P est désactivé, déconnectant la charge de l'alimentation.

Les développeurs peuvent créer un circuit de protection contre les surtensions très efficace en connectant directement la broche OUT du dispositif à la grille du MOSFET à canal P. Cette approche robuste, utilisant un MOSFET à canal P comme commutateur haut potentiel connecté à un circuit intégré de gestion de l'alimentation MAX16052 d'Analog Devices, Inc. (Figure 2), garantit que la charge est connectée à la tension d'alimentation.

Figure 2 : Un MOSFET à canal P est utilisé comme commutateur haut potentiel pour la protection contre les surtensions. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

Une résistance d'excursion haute externe entre la tension surveillée et la grille du MOSFET à canal P maintient la grille à l'état haut lorsque la broche OUT à drain ouvert est dans un état de haute impédance. La broche OUT passe dans un état de haute impédance lorsque la tension surveillée dépasse le seuil, désactivant le MOSFET à canal P et déconnectant la charge de la tension d'alimentation. Inversement, la broche OUT fait passer la broche de grille à l'état bas lorsque la tension surveillée tombe en dessous du seuil.

Le MAX16052, ainsi que le MAX16053 d'ADI, constituent une gamme de petits circuits de surveillance basse consommation et haute tension avec capacité de séquençage, tous les deux disponibles en boîtier SOT23 compact à 6 broches. Le MAX16052 fournit une sortie à drain ouvert active haute, tandis que le MAX16053 offre une sortie push-pull active haute. Les deux dispositifs offrent une surveillance de tension ajustable pour les entrées jusqu'à seulement 0,5 V et effectuent une surveillance de la tension via une entrée haute impédance (IN) avec un seuil de 0,5 V défini en interne.

Utilisation d'une horloge de surveillance

Les horloges de surveillance (WDT) peuvent améliorer les capacités de protection des circuits de surveillance dans les cas où le signal de sortie est à l'état bas lorsque la condition surveillée est remplie. Dans de telles circonstances, une horloge de surveillance peut détecter l'absence d'impulsion ou de transition pendant une certaine durée, appelée temporisation de l'horloge de surveillance (t_WD), et activer une réinitialisation du microcontrôleur ou lancer un cycle d'alimentation.

Le superviseur nanoPower MAX16155 avec horloge de surveillance d'ADI initie une sortie de réinitialisation lorsque la tension d'alimentation (V_CC) positive dépasse la tension de fonctionnement minimum, même si elle est inférieure au seuil de réinitialisation. Une application utilisant deux horloges de surveillance (Figure 3) peut permettre une réinitialisation partielle (soft reset) du microcontrôleur après 32 s d'inactivité et un cycle d'alimentation du système après 128 s d'inactivité.

Figure 3 : Dans cette configuration, l'horloge de surveillance 1 active une réinitialisation partielle tandis que l'horloge de surveillance 2 initie un cycle d'alimentation du système. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

Une option pour commander un commutateur haut potentiel à canal P consiste à utiliser un transistor à jonctions bipolaire (BJT) NPN comme inverseur pour convertir un signal à l'état bas de la sortie de l'horloge de surveillance, qui désactive le transistor NPN, en un signal à l'état haut qui désactive le MOSFET à canal P via une résistance d'excursion haute. (Figure 4). Lorsque le système est actif, la sortie de l'horloge de surveillance (WDO) est à l'état haut, envoyant son signal via une résistance à la base du transistor NPN, ce qui a pour effet de l'activer.

Figure 4 : Un transistor à jonctions bipolaire NPN (Q1) commande le MOSFET à canal P (Q2). (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

Un diviseur de tension à résistances connecté à la grille et à la source du MOSFET contrôle la tension V_GS. Lorsque le transistor NPN est activé, il fait passer le diviseur à résistances à l'état bas, ce qui rend la tension de grille inférieure à la tension de source, activant le MOSFET à canal P pour fournir l'alimentation au système.

Si le microprocesseur ne répond plus ou ne parvient pas à envoyer des impulsions d'entrée dans le délai de temporisation prédéfini de l'horloge de surveillance MAX16155, un événement de temporisation de l'horloge de surveillance se produit, entraînant l'assertion de la broche WDO à l'état bas. Cette action fait passer la base du transistor NPN à la terre, le désactivant. Lorsque le transistor NPN est désactivé, la tension à la grille et à la source du MOSFET à canal P est la même, ce qui désactive le MOSFET et coupe l'alimentation du microprocesseur.

Une fois que la sortie WDO de l'horloge de surveillance repasse à l'état haut, le système reprend son fonctionnement normal. Le microprocesseur envoie ensuite des impulsions régulières à la broche WDI, évitant ainsi d'autres temporisations. Le transistor NPN s'active, maintenant le MOSFET haut potentiel activé et garantissant une alimentation continue au microprocesseur.

Le faible coût des transistors à jonctions bipolaires constitue un avantage de conception pour les commutateurs haut potentiel à canal P, mais un réglage approprié à l'aide de composants externes supplémentaires tels que des résistances est requis.

Commande de circuit avec un MOSFET à canal N

L'utilisation d'un MOSFET à canal N pour contrôler un MOSFET à canal P haut potentiel présente plusieurs avantages par rapport à un transistor bipolaire.

Le MOSFET à canal N a une faible résistance à l'état passant, ce qui réduit les pertes de puissance et augmente l'efficacité. Il commute également rapidement, améliorant ainsi les temps de réponse du système. Il présente des pertes de commutation plus faibles et peut fonctionner à des fréquences plus élevées, ce qui le rend idéal pour les applications écoénergétiques comme les dispositifs alimentés par batterie. De plus, les exigences d'attaque de grille sont moins élevées que celles d'un BJT, ce qui simplifie les circuits de commande et réduit le nombre de composants.

La sortie de l'horloge de surveillance peut contrôler directement la grille du MOSFET à canal N. La tension d'excursion haute de la sortie de l'horloge de surveillance doit correspondre à la tension de seuil de grille (V_GS(th)) du MOSFET pour un fonctionnement correct. Lorsque le système est actif, un signal WDO haut active le MOSFET à canal N (Q1 dans la Figure 5), qui active ensuite le MOSFET à canal P (Q2 dans la Figure 5), alimentant ainsi le système. Pendant l'inactivité du système, un signal WDO bas désactive Q1, qui désactive Q2, coupant ainsi l'alimentation.

Figure 5 : MOSFET à canal N (Q1) commandant un MOSFET à canal P (Q2). (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

Conclusion

L'utilisation d'un MOSFET à canal N ou à canal P pour commander un commutateur haut potentiel offre deux méthodes fiables pour le cyclage de l'alimentation d'un système. L'approche à canal P, avec transistor bipolaire NPN et composants supplémentaires, offre l'option la moins chère, tandis que l'approche à canal N, plus coûteuse, convient mieux à la commutation haute fréquence. Les préférences de conception du développeur et les exigences de l'application détermineront l'approche optimale.