Hinzufügen der Schwellenhysterese für eine sanfte Unterspannungs-/Überspannungssperre

Widerstandsteiler dämpfen hohe Spannungen auf ein Niveau, das Niederspannungsschaltungen aufnehmen können, ohne übersteuert oder beschädigt zu werden. In Leistungspfad-Steuerschaltungen helfen Widerstandsteiler beim Einrichten von Unterspannungs- und Überspannungs-Sperrschwellenwerten. Solche Schaltungen zur Qualifizierung der Versorgungsspannung finden sich in Fahrzeugsystemen, batteriebetriebenen tragbaren Instrumenten sowie Datenverarbeitungs- und Kommunikationsplatinen.

Unterspannungssperre (UVLO) verhindert, dass das nachgeschaltete elektronische System mit ungewöhnlich niedrigen Versorgungsspannungen arbeitet, was zu Systemstörungen führen kann. Digitale Systeme können sich beispielsweise unregelmäßig verhalten oder sogar einfrieren, wenn ihre Versorgungsspannung unter der Spezifikation liegt. Wenn die Stromversorgung ein Akku ist, verhindert die Unterspannungsabschaltung eine Beschädigung der Batterie durch Tiefentladung. Die Überspannungssperre (OVLO) schützt das System vor schädlichen hohen Versorgungsspannungen. Da Unterspannungs- und Überspannungsschwellen vom gültigen Betriebsbereich des Systems abhängen, werden Widerstandsteiler verwendet, um benutzerdefinierte Schwellen mit derselben Steuerschaltung einzurichten. Die Schwellenhysterese ist erforderlich, um eine reibungslose und ratterfreie Sperrfunktion selbst bei Vorhandensein von Versorgungsrauschen oder -widerständen zu erreichen. Nachdem eine einfache UVLO/OVLO-Schaltung besprochen wurde, werden in diesem Artikel einige einfache Methoden zum Hinzufügen der Schwellenhysterese vorgestellt, die erforderlich ist, wenn der Standardwert nicht ausreicht.

Unterspannungs- und Überspannungs-Sperrschaltung

Abbildung 1 zeigt eine Unterspannungs-Sperrschaltung (vorerst ohne Hysterese). Es hat einen Komparator mit einer positiven Referenzspannung (V_T ) an seinem negativen Eingang. Der Komparator steuert einen Leistungsschalter, der den Pfad zwischen dem Netzteileingang und der nachgeschalteten Elektronik öffnet oder schließt. Der positive Eingang des Komparators ist mit einem Widerstandsteiler vom Eingang verbunden. Wenn die Versorgung eingeschaltet wird und ab 0 V ansteigt, ist der Komparatorausgang anfänglich niedrig, wodurch der Netzschalter ausgeschaltet bleibt. Der Komparatorausgang löst aus, wenn sein positiver Eingang V_T . erreicht . In diesem Moment beträgt der Strom im unteren Widerstand V_T /R_B . Der gleiche Strom fließt in R_T wenn der Komparator keinen Eingangs-Bias-Strom hat. Daher beträgt die Versorgungsspannung, wenn der Komparator auslöst, V_T + R_T × V_T /R_B =V_T × (R_B + R_T )/R_B . Dies ist der vom Widerstandsteiler eingestellte UVLO-Schwellenwert. Zum Beispiel ein V_T von 1 V und R_T =10 × R_B ergibt eine UVLO-Schwelle von 11 V. Unterhalb dieser Schwelle ist der Komparatorausgang niedrig und öffnet den Netzschalter; oberhalb dieser UVLO-Schwelle wird der Schalter geschlossen und die Versorgung fließt durch, um das System hochzufahren. Der Schwellenwert kann leicht angepasst werden, indem das Verhältnis von R_B . geändert wird und R_T . Der absolute Widerstandswert wird durch den für den Teiler budgetierten Vorspannungsstrom eingestellt (dazu später mehr). Um einen OVLO-Schwellenwert einzurichten, vertauschen Sie einfach die beiden Eingänge des Komparators (siehe zum Beispiel den unteren Komparator in Abbildung 2), sodass ein hoch gehender Eingang den Komparatorausgang auf Low zwingt und den Schalter öffnet.

Abbildung 1. Unterspannungssperre der Stromversorgung mit einem Widerstandsteiler, Komparator und Netzschalter. (Quelle:Analog Devices)

Obwohl dieser Artikel nicht im Mittelpunkt steht, kann der Schalter mit einem N-Kanal- oder einem P-Kanal-Leistungs-MOSFET implementiert werden. Die vorherige Diskussion geht von einem N-Kanal-MOSFET-Schalter aus, der öffnet (hoher Widerstand), wenn seine Gate-Spannung niedrig ist (z. B. 0 V). Um einen N-Kanal-MOSFET vollständig (niedriger Widerstand) zu schließen, muss die Gate-Spannung mindestens um die MOSFET-Schwellenspannung höher als die Versorgung sein, was eine Ladungspumpe erfordert. Schutzcontroller wie LTC4365, LTC4367 und LTC4368 integrieren Komparatoren und Ladungspumpen, um N-Kanal-MOSFETs anzusteuern und gleichzeitig einen geringen Ruhestrom zu verbrauchen. P-Kanal-MOSFETs benötigen keine Ladungspumpe, aber die Polarität der Gatespannung ist umgekehrt; das heißt, eine niedrige Spannung schließt, während eine hohe Spannung einen P-Kanal-MOSFET-Schalter öffnet.

Zurück zu Widerstandsteilern:Ein String mit 3 Widerständen stellt sowohl Unterspannungs- als auch Überspannungs-Sperrschwellen ein (Abbildung 2) und spart so den Vorstrom eines Teilers gegenüber der Verwendung von zwei separaten Strings mit 2 Widerständen. Der UVLO-Schwellenwert beträgt V_T × (R_B + R_M + R_T )/(R_B + R_M ) während der OVLO-Schwellenwert V_T . ist × (R_B + R_M + R_T )/R_B . Ein UND-Gatter kombiniert die Ausgabe der beiden Komparatoren, bevor sie an den Netzschalter gesendet wird. Daher schließt der Netzschalter, um das System mit Strom zu versorgen, wenn die Eingangsspannung zwischen den Unterspannungs- und Überspannungsschwellen liegt; andernfalls ist der Schalter geöffnet und trennt die Versorgung vom System. Wenn der Stromverbrauch des Teilers kein Problem darstellt, bieten separate Unterspannungs- und Überspannungsteiler mehr Flexibilität bei der Anpassung jeder Schwelle unabhängig voneinander.

Abbildung 2. Unterspannungs- und Überspannungssperre mit einem einzelnen Widerstandsteiler. (Quelle:Analog Devices)

Unterspannungs- und Überspannungssperre mit Hysterese

Wenn die Stromversorgung in Abbildung 1 langsam ansteigt und Rauschen aufweist oder wenn die Stromversorgung einen Eigenwiderstand hat (wie bei einer Batterie), der dazu führt, dass die Spannung mit dem Laststrom abfällt, schaltet der Ausgang des Komparators wiederholt hoch und niedrig als Eingang seine UVLO-Schwelle überschreitet. Dies liegt daran, dass der positive Eingang des Komparators wiederholt über und unter V_T . geht Schwelle aufgrund des Eingangsrauschens oder des Abfalls aufgrund des Laststroms durch den Versorgungswiderstand. Bei batteriebetriebenen Schaltungen kann dies eine endlose Schwingung sein. Die Verwendung eines Komparators mit Hysterese eliminiert dieses Rattern und macht den Schalterübergang glatter. Wie in Abbildung 3 dargestellt, bietet ein Hysteresekomparator verschiedene Schwellenwerte für einen Anstieg (z. B. V_T + 100 mV) im Vergleich zu einem fallenden Eingang (zum Beispiel V_T – 100mV). Die Hysterese auf Komparatorebene wird um R_B . hochskaliert und R_T bis 200 mV × (R_B + R_T )/R_B auf der Versorgungsebene. Liegt das Rauschen oder der Abfall am Versorgungseingang unter dieser Hysterese, wird das Flattern eliminiert. Es gibt Möglichkeiten, Hysterese hinzuzufügen oder zu erhöhen, wenn die vom Komparator bereitgestellte entweder fehlt oder unzureichend ist. Alle diese Methoden verwenden eine positive Rückkopplung am Teilerabgriff – zum Beispiel springt ein ansteigender Komparatoreingang höher, wenn der Komparator auslöst. Der Einfachheit halber nehmen die folgenden Gleichungen keine intrinsische Hysterese im Komparator an.

Abbildung 3. Hinzufügen einer Unterspannungs-Sperrschwellenhysterese mit einem Widerstand vom Teilerabgriff zum Leistungsschalterausgang. (Quelle:Analog Devices)

Widerstand vom Teiler zum Ausgang (Abbildung 3):

Fügen Sie einen Widerstand hinzu (R_H ) vom Teilerabgriff (dem positiven Eingang des Komparators) zum Ausgang des Netzschalters. Wenn die Versorgung von 0 V ansteigt, liegt der positive Eingang des Komparators unter V_T und der Komparatorausgang ist niedrig, wodurch der Netzschalter ausgeschaltet bleibt. Angenommen, der Schaltausgang liegt aufgrund der Systemlast auf 0 V. Daher ist R_H ist parallel zu R_B zur Berechnung der Eingangsschwelle. Die steigende Eingangsunterspannungsschwelle beträgt V_T × ((R_B || R_H ) + R_T )/(R_B || R_H ), wobei R_B || R_H =R_B × R_H / (R_B + R_H ). Oberhalb dieser Schwelle schaltet sich der Schalter ein und verbindet die Versorgung mit dem System. Um den abfallenden Eingangsunterspannungsschwellenwert zu berechnen, R_H ist parallel zu R_T da der Schalter geschlossen ist, ergibt sich die fallende Eingangsunterspannungsschwelle als:V_T × (R_B + (R_T || R_H ))/R_B , wobei R_T || R_H =R_T × R_H /(R_T + R_H ). Wenn der Komparator selbst eine gewisse Hysterese hatte, ersetzen Sie V_T mit der steigenden oder fallenden Komparatorschwelle in den vorherigen Gleichungen. Erinnern Sie sich an das Beispiel in Abbildung 1, mit V_T =1 V und R_T =10 × R_B , wobei sowohl der ansteigende als auch der abfallende Schwellenwert 11 V betragen, wenn keine Komparatorhysterese oder R_H . vorhanden ist . Hinzufügen eines R_H =100 × R_B , wie in Abbildung 3, ergibt eine steigende Eingangsschwelle von 11,1 V und eine fallende Schwelle von 10,09 V; das heißt, eine Hysterese von 1,01 V. Diese Methode funktioniert nicht für OVLO, da ein steigender Eingang den Netzschalter ausschaltet, was zu R_H . führt um den Komparatoreingang nach unten zu ziehen (wodurch der Schalter wieder eingeschaltet wird) statt höher.

Einschalten eines Widerstands (Abbildung 4):

Eine andere Methode zum Hinzufügen von Hysterese besteht darin, einen Widerstand zuzuschalten, der den Effektivwert des unteren Widerstands ändert. Der geschaltete Widerstand kann parallel (Abbildung 4a) oder in Reihe (Abbildung 4b) liegen. Betrachten Sie Abbildung 4a:wenn V_IN niedrig ist – sagen wir 0 V – ist der Ausgang des Komparators (UV- oder OV-Knoten) hoch, schaltet den N-Kanal-MOSFET M1 ein und verbindet R_H parallel zu R_B . Angenommen, der Einschaltwiderstand von M1 ist im Vergleich zu R_H . entweder vernachlässigbar oder ist in R_H . enthalten s Wert. Der ansteigende Eingangsschwellenwert ist der gleiche wie in Abbildung 3:V_T × ((R_B || R_H ) + R_T )/(R_B || R_H ). Einmal V_IN über diesem Schwellenwert liegt, ist der Komparatorausgang niedrig, M1 wird ausgeschaltet und R_H . getrennt vom Teiler. Daher ist die fallende Eingangsschwelle dieselbe wie in Abbildung 1:V_T × (R_B + R_T )/R_B . Fortsetzung unseres Beispiels mit V_T =1 V, R_T =10 × R_B , und R_H =100 × R_B , die steigende Eingangsschwelle beträgt 11,1 V und die fallende Schwelle beträgt 11 V; das heißt, R_H ergibt eine Hysterese von 100 mV. Diese und die folgenden Methoden können entweder für die Unterspannungs- oder Überspannungssperre verwendet werden, da ihr Zweck davon abhängt, wie der Komparatorausgang den Netzschalter (nicht gezeigt) einschaltet.

Abbildung 4. Hinzufügen einer Unterspannungs- oder Überspannungs-Sperrschwellen-Hysterese mit einem geschalteten (a) Shunt-Widerstand oder Strom und (b) einem Reihenwiderstand. (Quelle:Analog Devices)

Die Konfiguration von Abbildung 4b gibt den ansteigenden Eingangsschwellenwert als V_T . an × (R_B + R_T )/R_B und die fallende Eingangsschwelle als V_T × (R_B + R_H + R_T )/(R_B + R_H ). R_H =R_B /10 in Abbildung 4, was 11 V als steigenden Eingangsschwellenwert und 10,091 V als fallenden Schwellenwert ergibt – d. h. 909 mV Hysterese. Dies zeigt, dass die Konfiguration in Abbildung 4b ein viel kleineres R_H . benötigt um eine viel größere Hysterese zu erzielen.

Einschalten eines Stroms (Abbildung 4a):

Der Widerstand R_H von Abbildung 4a kann durch eine Stromquelle I_H . ersetzt werden . Diese Methode wird in den priorisierten Controllern LTC4417 und LTC4418 verwendet. Wenn V_IN niedrig ist, aktiviert der hohe Ausgang des Komparators I_H . Bei steigender Eingangsschwelle liegt der negative Eingang des Komparators auf V_T . Daher ist der Strom in R_T ist I_H + V_T /R_B , was den steigenden Schwellenwert als V_T . ergibt + (I_H + V_T /R_B ) × R_T =V_T × (R_B + R_T )/R_B + I_H × R_T . Einmal V_IN über diesem Schwellenwert liegt, I_H wird durch den niedrigen Ausgang des Komparators ausgeschaltet. Daher ist die fallende Schwelle dieselbe wie in Abbildung 1:V_T × (R_B + R_T )/R_B , und die Hysterese der Eingangsschwelle ist I_H × R_T .

Widerstandsfähiger Divider Bias Current

In den vorherigen Gleichungen wurde davon ausgegangen, dass der Eingangsvorspannungsstrom des Komparatoreingangs null ist, während in den Beispielen nur Widerstandsverhältnisse anstelle von Absolutwerten berücksichtigt wurden. Komparatoreingänge haben beide Eingangsoffsetspannungen (V_OS ), Referenz-Ungenauigkeit (die mit V_OS bekämpft werden kann ) und Eingangsvorspannung oder Leckstrom (I_LK ). Die Annahme von Null-Leckage funktioniert, wenn der Teiler-Vorspannungsstrom V_T /R_B am Auslösepunkt von Abbildung 1 ist viel größer als die Eingangsleckage. Beispielsweise hält ein Teilerstrom, der das 100-fache des Eingangsleckstroms beträgt, den durch Leckage verursachten Eingangsschwellenfehler unter 1%. Ein anderes Verfahren besteht darin, den leckstrominduzierten Schwellenfehler mit dem aus der Offsetspannung zu vergleichen. Die Nichtidealitäten des Komparators ändern die Gleichung des Eingangsunterspannungsschwellenwerts in Abbildung 1 zu:(V_T ± V_OS ) × (R_B + R_T )/R_B ± I_LK × R_T (ähnlich der vorherigen Hysterese-Stromgleichung), die umgeschrieben werden kann als (V_T ± V_OS ± I_LK × R_B × R_T /(R_B + R_T )) × (R_B + R_T )/R_B . Der Eingangsleckstrom zeigt sich als Fehler in der Schwellenspannung des Komparators und dieser Fehler kann in Bezug auf die Offsetspannung minimiert werden, dh I_LK × (R_B || R_T ) OS , durch richtige Widerstandsauswahl.

Zum Beispiel hat der Unterspannungs- und Überspannungsschutz-Controller LTC4367 einen maximalen Leckstrom von ±10 nA für die UV- und OV-Pins, während die 500-mV-Schwellenoffsetspannung des UV/OV-Pin-Komparators ±7,5 mV (±1,5% von 500 mV) beträgt. Die Budgetierung eines durch Leckage verursachten Schwellenwertfehlers von ±3 mV (±0,6% von 500 mV oder weniger als die Hälfte des 7,5-mV-Offsets) ergibt R_B || R_T <3 mV/10 nA =300 kΩ. Um eine 11-V-Eingangsunterspannungsschwelle mit einer 0,5-V-Komparatorschwelle einzurichten, ist R_T . erforderlich =R_B × 10,5 V/0,5 V =21 × R_B . Daher R_B || R_T =21 × R_B /22 <300 kΩ, ergibt R_B <315,7 kΩ. Der nächste 1 %-Standardwert für R_B ist 309 kΩ, was R_T . ergibt 6,49 MΩ betragen. Der Teiler-Bias-Strom am Auslösepunkt beträgt 0,5 V/309 kΩ =1,62 µA, was dem 162-fachen des 10 nA-Leckstroms entspricht. Diese Art der Analyse ist wichtig, wenn der Teilerstrom minimiert wird, ohne den Schwellenfehler aufgrund des Eingangsleckstroms des Komparators zu erhöhen.

Schlussfolgerung

Widerstandsteiler ermöglichen eine einfache Einstellung der Unterspannungs- und Überspannungs-Sperrschwellenwerte mit derselben komparatorbasierten Steuerschaltung. Netzrauschen oder -widerstand erfordern eine Schwellenhysterese, um ein Flattern beim Ein- und Ausschalten des Netzschalters zu verhindern, wenn die Stromversorgung den Schwellenwert überschreitet. Es wurden einige verschiedene Methoden zum Implementieren einer Unterspannungs- und Überspannungssperrhysterese gezeigt. Das wesentliche Prinzip besteht darin, eine positive Rückkopplung am Teilerabgriff zu haben, wenn der Komparator auslöst. Beim Hinzufügen oder Erhöhen der Hysterese von Schutzcontroller-ICs hängen einige Verfahren von der Verfügbarkeit des Komparatorausgangs oder eines ähnlichen Signals an den IC-Ausgangspins ab. Bei der Auswahl der Widerstandswerte sollte darauf geachtet werden, dass der Eingangsverlust des Komparators nicht zu einer dominanten Quelle für Schwellenfehler wird. Ein umfassender Satz verwandter Gleichungen, einschließlich der in diesem Artikel, wurden in eine Tabelle implementiert, die zum Download zur Verfügung steht.

Verwandte Inhalte:

• Verwalten der Stromversorgungssequenzierung und -überwachung, Teil 1
• Verwalten der Stromversorgungssequenzierung und -überwachung, Teil 2
• Ein integriertes Netzteil auswählen
• Auswahl einer externen Stromversorgung
• Die nächsten Herausforderungen des Low-Power-Designs

Für mehr Embedded, abonnieren Sie den wöchentlichen E-Mail-Newsletter von Embedded.