Opções de chave de entrada MOSFET no lado de alta tensão para o ciclo de energia do sistema

O ciclo de energia desempenha um papel fundamental para garantir a operação ininterrupta de aplicações eletrônicas, especialmente aquelas implantadas em áreas remotas e alimentadas por baterias. O ato de desconectar e reconectar a fonte de alimentação pode reiniciar um sistema que deixou de responder devido à inatividade persistente ou a travamentos do sistema. Uma abordagem eficaz e amplamente usada para o ciclo de energia é usar a saída ativa em nível baixo de um circuito de supervisão para acionar uma chave de entrada MOSFET no lado de alta tensão.

Os monitores de tensão ou os circuitos de supervisão podem oferecer duas opções para a saída de nível lógico: um sinal de saída ativo em nível baixo e um sinal de saída ativo em nível alto. Isso se aplica a uma topologia de saída push-pull ou a uma topologia de saída de dreno aberto com um resistor de pull-up.

• Ativo em nível baixo, no qual a saída fica em nível baixo, quando a condição de entrada é atendida e fica em nível alto, quando a condição de entrada não é atendida
• Ativo em nível alto, por meio do qual a saída fica em nível alto, quando a condição de entrada é atendida e fica em nível baixo, quando a condição de entrada não é atendida

Os circuitos de supervisão monitoram a atividade do sistema, rastreando a alimentação de tensão ou usando temporizadores watchdog para detectar inatividade, ou ambos. Quando essas proteções detectam um problema, o ciclo de energia abre e, em seguida, fecha o caminho entre a fonte de alimentação e um sistema subsequente, fazendo com que a unidade de microcontrolador (MCU) entre em um processo de reinicialização. Uma chave de entrada no lado de maior tensão do circuito (Figura 1) é usada para controlar a alimentação do sistema eletrônico subsequente.

No entanto, é fundamental escolher os componentes certos e enfrentar os possíveis desafios, como a geração de calor e o ruído de chaveamento que podem resultar do processo do ciclo de energia.

Figura 1: Um circuito de aplicação que usa uma chave no lado de alta tensão para proteger um sistema eletrônico subsequente contra erros durante condições de apagão. (Fonte da imagem: Analog Devices, Inc.)

No entanto, é fundamental escolher os componentes certos e enfrentar os possíveis desafios, como a geração de calor e o ruído de chaveamento que podem resultar do processo do ciclo de energia.

Chave de alimentação do lado de alta tensão

O ciclo de energia pode ser usado em várias aplicações para melhorar a confiabilidade do sistema e reduzir possíveis danos, incluindo transceptores sem fio, dispositivos médicos, dispositivos de casas inteligentes, fontes de alimentação e produtos eletrônicos de consumo.

Os transistores de efeito de campo de metal-óxido-semicondutor (MOSFETs) são amplamente usados em ciclos de energia, pois têm baixa resistência de condução, alta velocidade de chaveamento e alta impedância de entrada.

A saída do circuito de supervisão pode controlar a porta do MOSFET, ligando-o ou desligando-o efetivamente para realizar o ciclo de energia. Esse método garante a confiabilidade ideal do sistema, permitindo que ele seja reinicializado e se recupere de estados que não respondem.

Os desenvolvedores que adotam essa abordagem têm a opção de usar MOSFETs de canal N ou de canal P, mas muitos preferem a abordagem de canal P, pois as condições e os circuitos necessários para ligá-los e desligá-los são menos complicados do que os MOSFETs de canal N.

Para um MOSFET de canal P, a tensão da porta deve ser menor do que a tensão da fonte para ligá-lo, enquanto que para um MOSFET de canal N, a tensão da porta deve ser maior do que a tensão da fonte para ligá-lo.

Quando um MOSFET de canal N é usado como uma chave de entrada no lado de alta, a baixa tensão de porta faz com que a chave se abra e desconecte a fonte de alimentação. Embora os MOSFETs de canal N geralmente ofereçam melhor eficiência e desempenho, nesse contexto, um circuito adicional, como uma bomba de carga, é necessário para gerar uma tensão positiva de fonte-porta (V_GS) para garantir que a chave reconecte completamente a fonte de alimentação.

Esse circuito adicional não é necessário quando se usa um MOSFET de canal P, que pode ser ligado por V_GS negativo, simplificando o projeto da aplicação, embora a contrapartida seja uma resistência de condução maior e uma eficiência menor.

Implementação de uma chave de canal P no lado de alta

Com a abordagem do canal P, a tensão da porta-fonte para o controle do MOSFET deve ser menor do que a alimentação em pelo menos a tensão de limiar da porta-fonte V_GS(th) para permitir que a corrente flua da fonte para o dreno. Outra consideração é assegurar que a tensão entre o dreno e a fonte (V_DS) opere dentro dos limites especificados para garantir que o dispositivo não seja danificado.

Quando uma saída do circuito de supervisão ativa em nível baixo é conectada à porta de um MOSFET de canal P, o pino OUT força a porta para nível baixo, quando o limiar especificado é excedido, ativando a conectividade da tensão de alimentação para a carga. Quando a tensão cai abaixo do limiar, o pino OUT fica em nível alto e o MOSFET de canal P é desligado, desconectando a carga da alimentação.

Os desenvolvedores podem criar um circuito de proteção contra sobretensão que seja altamente eficaz conectando diretamente o pino OUT do dispositivo à porta do MOSFET de canal P. Essa abordagem robusta, usando um MOSFET de canal P como uma chave no lado de alta conectada a um CI de gerenciamento de energia MAX16052 (Figura 2) da Analog Devices, Inc., garante que a carga esteja conectada à tensão de alimentação.

Figura 2: Um MOSFET de canal P é usado como uma chave no lado de alta para proteção contra sobretensão. (Fonte da imagem: Analog Devices, Inc.)

Um resistor de pull-up externo entre a tensão monitorada e a porta do MOSFET de canal P mantém a porta em nível alto, quando o pino OUT de dreno aberto está em um estado de alta impedância. O pino OUT entra em um estado de alta impedância quando a tensão monitorada excede o limiar, desligando o MOSFET de canal P e desconectando a carga da tensão de alimentação. Por outro lado, o pino OUT força o pino da porta para nível baixo quando a tensão monitorada cai abaixo do limiar.

O MAX16052, juntamente com o MAX16053 da ADI, compõem uma linha de pequenos circuitos de monitoramento de alta tensão e baixa potência com capacidade de sequenciamento, ambos disponíveis em um invólucro compacto SOT23 de 6 pinos. O MAX16052 oferece uma saída de dreno aberto ativa em nível alto, enquanto o MAX16053 oferece uma saída push-pull ativa em nível alto. Ambos oferecem monitoramento de tensão ajustável para entradas de até 0,5 V mínimo e realizam o monitoramento de tensão usando uma entrada de alta impedância (IN) com um limiar de 0,5 V fixado internamente.

Implantando um temporizador watchdog

Os temporizadores watchdog (WDTs) podem aumentar os recursos de proteção dos circuitos de supervisão nos casos em que o sinal de saída é baixo quando a condição monitorada é atendida. Nessas circunstâncias, um temporizador watchdog pode detectar a ausência de um pulso ou transição por um determinado período de tempo, denominado tempo limite do watchdog (_tWD), e ativar uma reinicialização do microcontrolador ou iniciar um ciclo de energia.

O supervisor MAX16155 nanoPower da ADI com temporizador watchdog inicia uma saída de reinicialização quando a tensão de alimentação positiva (V_CC) excede a tensão operacional mínima, mesmo que seja menor que o limiar de reinicialização. Uma aplicação que utiliza dois WDTs (Figura 3) pode ativar uma reinicialização suave do microcontrolador após 32 s de inatividade e um ciclo de energia do sistema após 128 s de inatividade.

Figura 3: Nessa configuração, o temporizador watchdog 1 ativaria uma reinicialização suave, enquanto o temporizador watchdog 2 iniciaria um ciclo de energia do sistema. (Fonte da imagem: Analog Devices, Inc.)

Uma opção para acionar uma chave de canal P no lado de alta é usar um transistor de junção bipolar (BJT) NPN como um inversor para converter um sinal baixo da saída do watchdog, que desliga o transistor NPN, em um sinal alto que desliga o MOSFET de canal P por meio de um resistor de pull-up. (Figura 4). Quando o sistema está ativo, a saída do watchdog (WDO) está alta, enviando seu sinal por meio de um resistor para a base do transistor NPN, ligando-o.

Figura 4: Um transistor de junção bipolar NPN (Q1) aciona o MOSFET de canal P (Q2). (Fonte da imagem: Analog Devices, Inc.)

Um divisor resistivo conectado à porta e à fonte do MOSFET controla o V_GS. Quando o transistor NPN está ligado, ele leva o divisor resistivo para o terra, fazendo com que a tensão da porta seja menor do que a tensão da fonte, ligando o MOSFET de canal P para fornecer alimentação ao sistema.

Se o microprocessador deixar de responder ou não enviar pulsos de entrada dentro do período de tempo limite pré-definido do temporizador watchdog do MAX16155, ocorrerá um evento de tempo limite do watchdog, fazendo com que o pino WDO seja colocado em nível baixo. Essa ação força a base do NPN para o terra, desligando-o. Quando o transistor NPN está desligado, a tensão na porta e na fonte do MOSFET de canal P é a mesma, desligando o MOSFET e cortando a alimentação do microprocessador.

Quando a saída WDO do temporizador watchdog volta a ser alta, o sistema retoma a operação normal. Em seguida, o microprocessador envia pulsos regulares ao pino WDI, evitando outros tempos limite. O transistor NPN é ligado, mantendo o MOSFET ligado no lado de alta e garantindo alimentação contínua para o microprocessador.

O baixo custo dos transistores de junção bipolar é uma vantagem de projeto para as chaves de canal P no lado de alta, mas exige a sintonia adequada com a ajuda de componentes externos adicionais, como resistores.

Circuito de acionamento usando um MOSFET de canal N

O uso de um MOSFET de canal N para controlar um MOSFET de canal P no lado de alta tensão tem várias vantagens em relação a um transistor bipolar.

O MOSFET de canal N tem baixa resistência de condução, o que reduz a perda de energia e aumenta a eficiência. Ele também comuta rapidamente, melhorando os tempos de resposta do sistema. Ele tem menos perdas de chaveamento e pode operar em frequências mais altas, o que o torna ideal para aplicações com eficiência energética, como dispositivos alimentados por bateria. Além disso, os requisitos de acionamento e porta são menos exigentes do que os de um BJT, simplificando o circuito de acionamento e reduzindo o número de componentes.

A saída do watchdog pode controlar diretamente a porta do MOSFET de canal N. A tensão de pull-up do WDO deve corresponder à tensão de limiar da porta do MOSFET (V_GS(th)) para funcionar corretamente. Quando o sistema está ativo, um sinal alto do WDO liga o MOSFET de canal N (Q1 na Figura 5), que, por sua vez, liga o MOSFET de canal P (Q2 na Figura 5), fornecendo energia ao sistema. Durante a inatividade do sistema, um sinal baixo do WDO desliga o Q1, que desliga o Q2, cortando a fonte de alimentação.

Figura 5: Um MOSFET de canal N (Q1) acionando um MOSFET de canal P (Q2). (Fonte da imagem: Analog Devices, Inc.)

Conclusão

O uso de um MOSFET de canal N ou de canal P para acionar uma chave no lado de alta tensão é um método confiável para o ciclo de energia do sistema. A abordagem de canal P com transistor bipolar NPN e componentes adicionais oferece a opção de menor custo, enquanto a abordagem de canal N, mais cara, é melhor para chaveamento de alta frequência. As preferências de projeto do desenvolvedor e os requisitos da aplicação determinarão a abordagem ideal.