Leistungszuverlässigkeit erhöhen: Hysterese zu Undervoltage/Overvoltage Lockout hinzufügen

Widerstandsteiler dämpfen hohe Spannungen auf ein Niveau, das Niederspannungsschaltungen ohne Überlastung oder Beschädigung aufnehmen können. In Leistungsweg-Steuerschaltungen helfen Widerstandsteiler, Undervoltage- und Overvoltage-Lockout-Schwellen einzustellen. Solche Spannungsqualifikationsschaltungen finden sich in Automotivesystemen, batteriebetriebenen tragbaren Instrumenten und Datenverarbeitungs- und Kommunikationsboards.

Undervoltage Lockout (UVLO) verhindert, dass das nachgeschaltete elektronische System mit abnormal niedrigen Versorgungsspannungen arbeitet, was Systemfehlfunktionen verursachen könnte. Zum Beispiel können sich digitale Systeme unberechenbar verhalten oder sogar einfrieren, wenn ihre Versorgungsspannung unter Spezifikation liegt. Wenn die Stromversorgung ein wiederaufladbarer Akku ist, verhindert Undervoltage Lockout Akkuschäden durch Tiefentladung. Overvoltage Lockout (OVLO) schützt das System vor schädlich hohen Versorgungsspannungen. Da Undervoltage- und Overvoltage-Schwellen vom gültigen Betriebsbereich des Systems abhängen, werden Widerstandsteiler verwendet, um benutzerdefinierte Schwellen mit derselben Steuerschaltung einzustellen. Schwellen-Hysterese ist nötig, um eine glatte, prellfreie Lockout-Funktion auch bei Versorgungsrauschen oder -widerstand zu erhalten. Nach Diskussion einer einfachen UVLO/OVLO-Schaltung stellt dieser Artikel einige einfache Methoden vor, um Schwellen-Hysterese hinzuzufügen, was notwendig ist, wenn der Standardwert unzureichend ist.

Undervoltage- und Overvoltage-Lockout-Schaltung

Abbildung 1 zeigt eine Undervoltage-Lockout-Schaltung (vorerst ohne Hysterese). Sie hat einen Komparator mit einer positiven Referenzspannung (V_T) an seinem negativen Eingang. Der Komparator steuert einen Leistungsschalter, der den Pfad zwischen Stromversorgungseingang und nachgeschaltetem elektronischem System öffnet oder schließt. Der positive Eingang des Komparators verbindet sich mit einem Widerstandsteiler vom Eingang. Wenn die Versorgung eingeschaltet wird und von 0 V ansteigt, ist der Komparator-Ausgang zunächst niedrig und hält den Leistungsschalter aus. Der Komparator-Ausgang schaltet um, wenn sein positiver Eingang V_T erreicht. In diesem Moment beträgt der Strom im unteren Widerstand V_T/R_B. Derselbe Strom fließt in R_T, wenn der Komparator keinen Eingangs-Bias-Strom hat. Daher beträgt die Versorgungsspannung beim Umschalten des Komparators V_T + R_T × V_T/R_B = V_T × (R_B + R_T)/R_B. Dies ist die UVLO-Schwelle, die durch den Widerstandsteiler eingestellt wird. Zum Beispiel ergibt ein V_T von 1 V und R_T = 10 × R_B eine UVLO-Schwelle von 11 V. Unterhalb dieser Schwelle ist der Komparator-Ausgang niedrig, öffnet den Leistungsschalter; oberhalb dieser UVLO-Schwelle ist der Schalter geschlossen und die Versorgung fließt durch, um das System hochzufahren. Die Schwelle kann einfach durch Ändern des Verhältnisses von R_B und R_T angepasst werden. Der absolute Widerstandswert wird durch den für den Teiler budgetierten Bias-Strom festgelegt (dazu später mehr). Um eine OVLO-Schwelle einzustellen, tauschen Sie einfach die beiden Eingänge des Komparators (z. B. den unteren Komparator in Abbildung 2), sodass ein steigender Eingang den Komparator-Ausgang niedrig erzwingt und den Schalter öffnet.

Abbildung 1. Netzteil-Undervoltage-Lockout mit Widerstandsteiler, Komparator und Leistungsschalter. (Quelle: Analog Devices)

Obwohl nicht der Fokus dieses Artikels, kann der Schalter mit einem N-Channel- oder P-Channel-Leistungs-MOSFET implementiert werden. Die vorherige Diskussion setzt einen N-Channel-MOSFET-Schalter voraus, der öffnet (hoher Widerstand), wenn seine Gate-Spannung niedrig ist (z. B. 0 V). Um einen N-Channel-MOSFET vollständig zu schließen (niedriger Widerstand), muss die Gate-Spannung höher als die Versorgung um mindestens die MOSFET-Schwellenspannung sein, was eine Ladungspumpe erfordert. Schutzcontroller wie LTC4365, LTC4367 und LTC4368 integrieren Komparatoren und Ladungspumpen, um N-Channel-MOSFETs anzutreiben, während sie dennoch niedrigen Ruhestrom verbrauchen. P-Channel-MOSFETs benötigen keine Ladungspumpe, aber die Gate-Spannungspolarität ist umgekehrt; d.h., eine niedrige Spannung schließt, während eine hohe Spannung einen P-Channel-MOSFET-Schalter öffnet.

Zurück zu Widerstandsteilern: Ein 3-Widerstands-String stellt sowohl Undervoltage- als auch Overvoltage-Lockout-Schwellen ein (Abbildung 2), was den Bias-Strom eines Teilers im Vergleich zu zwei separaten 2-Widerstands-Strings spart. Die UVLO-Schwelle beträgt V_T × (R_B + R_M + R_T)/(R_B + R_M), während die OVLO-Schwelle V_T × (R_B + R_M + R_T)/R_B beträgt. Ein UND-Gatter kombiniert die Ausgänge der beiden Komparatoren, bevor es sie an den Leistungsschalter sendet. Daher schließt der Leistungsschalter, um das System mit Strom zu versorgen, wenn die Eingangsspannung zwischen der Undervoltage- und Overvoltage-Schwelle liegt; andernfalls ist der Schalter offen und trennt die Versorgung vom System. Wenn der Teiler-Stromverbrauch kein Problem ist, bieten separate Undervoltage- und Overvoltage-Teiler mehr Flexibilität bei der unabhängigen Einstellung jeder Schwelle.

Abbildung 2. Undervoltage- und Overvoltage-Lockout mit einem einzelnen Widerstandsteiler. (Quelle: Analog Devices)

Undervoltage- und Overvoltage-Lockout mit Hysterese

In Abbildung 1, wenn die Stromversorgung langsam ansteigt und Rauschen hat oder die Versorgung inhärenten Widerstand hat (wie bei einer Batterie), der die Spannung bei Laststrom abfallen lässt, wird der Ausgang des Komparators wiederholt hoch und niedrig schalten, während der Eingang seine UVLO-Schwelle kreuzt. Dies geschieht, weil der positive Eingang des Komparators aufgrund des Eingangsrauschens oder des Abfalls durch Laststrom über den Versorgungswiderstand wiederholt über und unter den V_T-Schwellenwert geht. Für batteriebetriebene Schaltungen kann dies eine endlose Oszillation sein. Die Verwendung eines Komparators mit Hysterese eliminiert dieses Prellen und macht den Schalterübergang glatter. Wie in Abbildung 3 illustriert, präsentiert ein hystereter Komparator unterschiedliche Schwellen für einen steigenden (z. B. V_T + 100 mV) vs. fallenden Eingang (z. B. V_T – 100 mV). Die Hysterese auf Komparator-Ebene wird durch R_B und R_T auf 200 mV × (R_B + R_T)/R_B auf Versorgungsebene hochskaliert. Wenn das Rauschen oder der Abfall am Versorgungseingang unter dieser Hysterese liegt, wird das Prellen eliminiert. Es gibt Wege, Hysterese hinzuzufügen oder zu erhöhen, falls die vom Komparator bereitgestellte entweder fehlt oder unzureichend ist. Alle diese Methoden nutzen positive Rückkopplung am Teiler-Abgriff – zum Beispiel springt ein steigender Komparator-Eingang höher, wenn der Komparator umschaltet. Zur Vereinfachung gehen die folgenden Gleichungen von keiner inhärenten Hysterese im Komparator aus.

Abbildung 3. Undervoltage-Lockout-Schwellen-Hysterese durch einen Widerstand vom Teiler-Abgriff zum Leistungsschalter-Ausgang hinzufügen. (Quelle: Analog Devices)

Widerstand vom Teiler zum Ausgang (Abbildung 3):

Fügen Sie einen Widerstand (R_H) vom Teiler-Abgriff (dem positiven Eingang des Komparators) zum Leistungsschalter-Ausgang hinzu. Wenn die Versorgung von 0 V ansteigt, ist der positive Eingang des Komparators unter V_T und der Komparator-Ausgang ist niedrig, was den Leistungsschalter aus hält. Angenommen, der Schalter-Ausgang liegt aufgrund der Systemlast bei 0 V. Daher ist R_H parallel zu R_B für die Eingangs-Schwellenberechnung. Die steigende Eingangs-Undervoltage-Schwelle 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). Der Schalter schaltet oberhalb dieser Schwelle ein und verbindet die Versorgung mit dem System. Um die fallende Eingangs-Undervoltage-Schwelle zu berechnen, ist R_H parallel zu R_T, da der Schalter geschlossen ist, was die fallende Eingangs-Undervoltage-Schwelle ergibt als: V_T × (R_B + (R_T || R_H))/R_B, wobei R_T || R_H = R_T × R_H/(R_T + R_H). Hatte der Komparator selbst etwas Hysterese, ersetzen Sie V_T in den vorherigen Gleichungen durch die steigende oder fallende Komparator-Schwelle. Erinnern Sie sich an das Abbildung-1-Beispiel mit V_T = 1 V und R_T = 10 × R_B, wo sowohl steigende als auch fallende Schwellen 11 V betragen bei Abwesenheit von Komparator-Hysterese oder R_H. Das Hinzufügen von 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; d.h., eine Hysterese von 1,01 V. Diese Methode funktioniert nicht für OVLO, weil ein steigender Eingang den Leistungsschalter ausschaltet, wodurch R_H den Komparator-Eingang niedriger zieht (was den Schalter wieder einschaltet) anstatt höher.

Einschalten eines Widerstands (Abbildung 4):

Eine weitere Methode, Hysterese hinzuzufügen, ist das Einschalten eines Widerstands, der den effektiven Wert des unteren Widerstands ändert. Der geschaltete Widerstand kann parallel (Abbildung 4a) oder in Reihe (Abbildung 4b) geschaltet sein. Betrachten Sie Abbildung 4a: Wenn V_IN niedrig ist – sagen wir 0 V – ist der Komparator-Ausgang (UV oder OV Knoten) hoch, schaltet den N-Channel-MOSFET M1 ein und verbindet R_H parallel zu R_B. Angenommen, M1s On-Widerstand ist entweder vernachlässigbar im Vergleich zu R_H oder in R_H's Wert enthalten. Die steigende Eingangsschwelle ist dieselbe wie in Abbildung 3: V_T × ((R_B || R_H) + R_T)/(R_B || R_H). Sobald V_IN über dieser Schwelle liegt, ist der Komparator-Ausgang niedrig, schaltet M1 aus und trennt R_H 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, beträgt die steigende Eingangsschwelle 11,1 V und die fallende Schwelle 11 V; d.h., R_H ergibt eine Hysterese von 100 mV. Diese und die folgenden Methoden können für entweder Undervoltage- oder Overvoltage-Lockout verwendet werden, da ihr Zweck davon abhängt, wie der Komparator-Ausgang den Leistungsschalter einschaltet (nicht gezeigt).

Abbildung 4. Undervoltage- oder Overvoltage-Lockout-Schwellen-Hysterese mit einem geschalteten (a) Shunt-Widerstand oder Strom und (b) einem Serienwiderstand hinzufügen. (Quelle: Analog Devices)

Die Konfiguration von Abbildung 4b ergibt die steigende Eingangsschwelle als V_T × (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, ergibt 11 V als steigende Eingangsschwelle und 10,091 V als fallende Schwelle – d.h., 909 mV Hysterese. Dies zeigt, dass die Abbildung-4b-Konfiguration 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 LTC4417 und LTC4418 Prioritätscontrollern verwendet. Wenn V_IN niedrig ist, aktiviert der hohe Komparator-Ausgang I_H. An der steigenden Eingangsschwelle ist der negative Eingang des Komparators bei V_T. Daher beträgt der Strom in R_T I_H + V_T/R_B, was die steigende Schwelle ergibt als V_T + (I_H + V_T/R_B) × R_T = V_T × (R_B + R_T)/R_B + I_H × R_T. Sobald V_IN über dieser Schwelle liegt, wird I_H durch den niedrigen Komparator-Ausgang abgeschaltet. Daher ist die fallende Schwelle dieselbe wie in Abbildung 1: V_T × (R_B + R_T)/R_B, und die Eingangsschwellen-Hysterese beträgt I_H × R_T.

Widerstandsteiler Bias-Strom

Die vorherigen Gleichungen haben angenommen, dass der Eingangs-Bias-Strom des Komparator-Eingangs null ist, während die Beispiele nur Widerstandsverhältnisse statt absoluter Werte betrachtet haben. Komparator-Eingänge haben sowohl Eingangs-Offset-Spannung (V_OS), Referenz-Ungenauigkeit (die mit V_OS zusammengefasst werden kann) und Eingangs-Bias- oder Leckstrom (I_LK). Die Null-Leckage-Annahme funktioniert, wenn der Teiler-Bias-Strom, V_T/R_B am Abbildung-1-Schaltpunkt, viel größer als der Eingangs-Leckstrom ist. Zum Beispiel hält ein Teilerstrom, der 100-mal so groß ist wie der Eingangs-Leckstrom, den durch Leckage verursachten Eingangs-Schwellenfehler unter 1%. Eine andere Methode ist, den durch Leckage induzierten Schwellenfehler mit dem durch Offset-Spannung verursachten zu vergleichen. Die Komparator-Nichtidealitäten ändern die Abbildung-1-Eingangs-Undervoltage-Schwellen-Gleichung zu: (V_T ± V_OS) × (R_B + R_T)/R_B ± I_LK × R_T (ähnlich der vorherigen hysterese-Strom-Gleichung), was 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 Eingangs-Leckstrom zeigt sich als Fehler in der Komparator-Schwellenspannung und dieser Fehler kann in Relation zur Offset-Spannung minimiert werden – d.h., I_LK × (R_B || R_T) < V_OS, durch geeignete Widerstandswahl.

Als Beispiel hat der LTC4367 Undervoltage- und Overvoltage-Schutzcontroller maximal ±10 nA Leckage für UV- und OV-Pins, während der UV/OV-Pin-Komparator 500 mV Schwellen-Offset-Spannung von ±7,5 mV (±1,5% von 500 mV) hat. Ein ±3 mV (±0,6% von 500 mV, oder weniger als die Hälfte des 7,5 mV Offset) durch Leckage verursachter Schwellenfehler budgetierend gibt R_B || R_T < 3 mV/10 nA = 300 kΩ. Um eine 11 V Eingangs-Undervoltage-Schwelle mit einem 0,5 V Komparator-Schwellenwert einzustellen, erfordert R_T = R_B × 10,5 V/0,5 V = 21 × R_B. Daher ist R_B || R_T = 21 × R_B/22 < 300 kΩ, was R_B < 315,7 kΩ ergibt. Der nächste 1% Standardwert für R_B ist 309 kΩ, was R_T auf 6,49 MΩ setzt. Der Teiler-Bias-Strom am Schaltpunkt beträgt 0,5 V/309 kΩ = 1,62 µA, was 162-mal den 10 nA Leckstrom ist. Diese Art der Analyse ist wichtig, wenn der Teilerstrom minimiert werden soll, ohne den Schwellenfehler durch den Eingangs-Leckstrom des Komparators zu erhöhen.

Fazit

Widerstandsteiler ermöglichen einfache Anpassung von Netzteil-Undervoltage- und Overvoltage-Lockout-Schwellen mit derselben Komparator-basierten Steuerschaltung. Versorgungsrauschen oder -widerstand erfordert Schwellen-Hysterese, um Prellen des Leistungsschalters zu verhindern, wenn die Versorgung die Schwelle kreuzt. Einige verschiedene Methoden zur Implementierung von Undervoltage- und Overvoltage-Lockout-Hysterese wurden gezeigt. Das wesentliche Prinzip ist, etwas positive Rückkopplung am Teiler-Abgriff zu haben, wenn der Komparator umschaltet. Beim Hinzufügen oder Erhöhen der Hysterese von Schutzcontroller-ICs hängen einige Methoden von der Verfügbarkeit des Komparator-Ausgangs oder eines ähnlichen Signals an den IC-Ausgangspins ab. Bei der Wahl der Widerstandswerte sollte darauf geachtet werden, dass der Eingangs-Leckstrom des Komparators nicht zur dominierenden Quelle des Schwellenfehlers wird. Ein umfassender Satz zugehöriger Gleichungen, einschließlich der in diesem Artikel, wurde in einem Spreadsheet implementiert, der zum Download verfügbar ist.

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