Opciones de interruptor de entrada MOSFET de lado alto para ciclos de alimentación del sistema

Los ciclos de alimentación desempeñan un papel fundamental para garantizar el funcionamiento ininterrumpido de las aplicaciones electrónicas, especialmente las instaladas en zonas remotas y alimentadas por baterías. El acto de desconectar y volver a conectar la fuente de alimentación puede restablecer un sistema que ha dejado de responder debido a una inactividad persistente o a cuelgues del sistema. Un enfoque eficaz y ampliamente utilizado para el ciclado de potencia es utilizar la salida activa baja de un circuito de supervisión para accionar un interruptor de entrada MOSFET de lado alto.

Los monitores de tensión o circuitos de supervisión pueden proporcionar dos opciones para su salida de nivel lógico: una señal de salida activa baja y una señal de salida activa alta. Esto se aplica tanto a una topología de salida push-pull como a una topología de salida open-drain con resistencias pull-up.

• Activo bajo, en el que la salida pasa a bajo cuando se cumple la condición de entrada y pasa a alto cuando no se cumple la condición de entrada.
• Activo alto, por lo que la salida se pone alta cuando se cumple la condición de entrada y se pone baja cuando no se cumple la condición de entrada.

Los circuitos de supervisión controlan la actividad del sistema mediante el seguimiento del suministro de voltaje o el uso de temporizadores de vigilancia para detectar la inactividad, o ambos. Cuando estas salvaguardas detectan un problema, el ciclo de alimentación abre y luego cierra la ruta entre la fuente de alimentación y un sistema aguas abajo, haciendo que la unidad de microcontrolador (MCU) entre en un proceso de reinicio. Un interruptor de entrada en el lado de alta del circuito (Figura 1) se utiliza para controlar la alimentación del sistema electrónico posterior.

Sin embargo, es fundamental elegir los componentes adecuados y hacer frente a posibles problemas, como la generación de calor y el ruido de conmutación que pueden derivarse del proceso de ciclos de alimentación.

Figura 1: Circuito de aplicación que utiliza un interruptor de lado alto para proteger un sistema electrónico de errores durante una caída de tensión. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

Sin embargo, es fundamental elegir los componentes adecuados y hacer frente a posibles problemas, como la generación de calor y el ruido de conmutación que pueden derivarse del proceso de ciclos de alimentación.

Interruptor de alta potencia

Los ciclos de alimentación pueden utilizarse en diversas aplicaciones para mejorar la fiabilidad del sistema y mitigar posibles daños, como transceptores inalámbricos, dispositivos médicos, dispositivos inteligentes para el hogar, fuentes de alimentación y productos electrónicos de consumo.

Los transistores de efecto de campo de semiconductor de óxido de metal (MOSFET) se utilizan mucho en los ciclos de potencia porque tienen baja resistencia en estado encendido, alta velocidad de conmutación y alta impedancia de entrada.

La salida del circuito de supervisión puede controlar la puerta del MOSFET, encendiéndolo o apagándolo para ciclar la alimentación. Este método garantiza una fiabilidad óptima del sistema, ya que le permite restablecerse y recuperarse de estados de falta de respuesta.

Los desarrolladores que adoptan este enfoque tienen la opción de utilizar MOSFET de canal N o de canal P, pero muchos prefieren un enfoque de canal P, ya que las condiciones y los circuitos necesarios para encenderlos y apagarlos son menos complicados que con los MOSFET de canal N.

En el caso de un MOSFET de canal P, la tensión de la puerta debe ser inferior a la tensión de la fuente para encenderlo, mientras que en el caso de un MOSFET de canal N, la tensión de la puerta debe ser superior a la tensión de la fuente para encenderlo.

Cuando se utiliza un MOSFET de canal N como interruptor de entrada de lado alto, la baja tensión de puerta hace que el interruptor se abra y desconecte la fuente de alimentación. Aunque los MOSFET de canal N suelen ofrecer mejor eficiencia y rendimiento, en este contexto se requiere una circuitería adicional, como una bomba de carga, para generar una tensión puerta-fuente (V_GS) positiva que garantice que el interruptor vuelva a conectar completamente la fuente de alimentación.

Este circuito adicional no es necesario cuando se utiliza un MOSFET de canal P, que puede encenderse con una V_GS negativa, lo que simplifica el diseño de la aplicación, aunque la contrapartida es una mayor resistencia en estado encendido y una menor eficiencia.

Implementación de un interruptor de lado alto de canal P

Con el enfoque de canal P, la tensión puerta-fuente para controlar el MOSFET debe ser inferior a la de alimentación en al menos la tensión umbral puerta-fuente V_GS(th) para permitir que la corriente fluya de la fuente al drenaje. Otra consideración es asegurarse de que el voltaje entre el drenaje y la fuente (V_DS) funciona dentro de los límites especificados para garantizar que el dispositivo no resulte dañado.

Cuando se conecta una salida de circuito de supervisión activa baja a la puerta de un MOSFET de canal P, el pin OUT baja la puerta cuando se supera el umbral especificado, activando la conectividad desde la tensión de alimentación hasta la carga. Cuando la tensión cae por debajo del umbral, el pin/clavija OUT pasa a nivel alto y el MOSFET de canal P se apaga, desconectando la carga de la alimentación.

Los desarrolladores pueden crear un circuito de protección contra sobretensiones muy eficaz conectando directamente el pin OUT del dispositivo a la puerta del MOSFET de canal P. Este robusto enfoque, que utiliza un MOSFET de canal P como interruptor de lado alto conectado a un CI de administración de alimentación MAX16052 de Analog Devices, Inc. (Figura 2), garantiza que la carga esté conectada a la tensión de alimentación.

Figura 2: Se utiliza un MOSFET de canal P como interruptor de lado alto para la protección contra sobretensiones. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

Una resistencia pull-up externa entre la tensión monitorizada y la puerta del MOSFET de canal P mantiene la puerta alta cuando el pin OUT de drenaje abierto está en un estado de alta impedancia. El pin OUT pasa a un estado de alta impedancia cuando la tensión monitorizada supera el umbral, apagando el MOSFET de canal P y desconectando la carga de la tensión de alimentación. A la inversa, el pin OUT pone bajo el pin de puerta cuando el voltaje monitorizado cae por debajo del umbral.

El MAX16052, junto con el MAX16053 de ADI, forman una línea de pequeños circuitos de monitorización de alto voltaje y bajo consumo con capacidad de secuenciación, ambos disponibles en un compacto encapsulado SOT23 de 6 patillas. El MAX16052 proporciona una salida de drenaje abierto de nivel alto activo, mientras que el MAX16053 ofrece una salida de empuje y extracción de nivel alto activo. Ambos proporcionan supervisión de tensión ajustable para entradas de hasta 0.5 V y realizan la supervisión de tensión utilizando una entrada de alta impedancia (IN) con un umbral de 0.5 V fijado internamente.

Temporizador de vigilancia

Los temporizadores de vigilancia (WDT) pueden mejorar la capacidad de protección de los circuitos de supervisión en los casos en que la señal de salida es baja cuando se cumple la condición supervisada. En esas circunstancias, un temporizador de vigilancia puede detectar la falta de un pulso o transición durante un cierto tiempo, denominado tiempo de espera de vigilancia (t_WD), y activar un reinicio del microcontrolador o iniciar un ciclo de alimentación.

El supervisor nanoPower MAX16155 de ADI con temporizador de vigilancia inicia una salida de restablecimiento cuando el voltaje positivo de alimentación (V_CC) supera el voltaje mínimo de funcionamiento, aunque sea inferior al umbral de restablecimiento. Una aplicación que utilice dos WDT (Figura 3) puede permitir un reinicio suave del microcontrolador tras 32 s de inactividad y un ciclo de alimentación del sistema tras 128 s de inactividad.

Figura 3: En esta configuración, el temporizador de vigilancia 1 activaría un reinicio suave, mientras que el temporizador de vigilancia 2 iniciaría un ciclo de encendido del sistema. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

Una opción para accionar un interruptor de lado bajo de canal P es utilizar un transistor de unión bipolar NPN (BJT) como inversor para convertir una señal baja de la salida del perro guardián, que apaga el transistor NPN, en una señal alta que apaga el MOSFET de canal P a través de una resistencia pull-up. (Figura 4). Cuando el sistema está activo, la salida watchdog (WDO) está alta, enviando su señal a través de una resistencia a la base del transistor NPN, encendiéndolo.

Figura 4: Un transistor de unión bipolar NPN (Q1) acciona el MOSFET de canal P (Q2). (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

Un divisor de resistencias conectado a la puerta y a la fuente del MOSFET controla la V_GS. Cuando el transistor NPN está encendido, tira del divisor de resistencias hacia abajo haciendo que la tensión de puerta sea inferior a la tensión de la fuente, encendiendo el MOSFET de canal P para proporcionar alimentación al sistema.

Si el microprocesador deja de responder o no envía pulsos de entrada dentro del período de tiempo de espera predefinido del temporizador de vigilancia MAX16155, se produce un evento de tiempo de espera de vigilancia, haciendo que el pin WDO se afirme bajo. Esta acción tira de la base del NPN a masa, apagándolo. Cuando el transistor NPN está apagado, la tensión en la puerta y en la fuente del MOSFET de canal P es la misma, lo que apaga el MOSFET y corta la alimentación del microprocesador.

Una vez que la salida WDO del temporizador de vigilancia vuelve a nivel alto, el sistema reanuda su funcionamiento normal. A continuación, el microprocesador envía impulsos regulares a la clavija WDI, lo que impide que se produzcan más tiempos muertos. El transistor NPN se enciende, manteniendo encendido el MOSFET de lado alto y garantizando la alimentación continua del microprocesador.

El bajo coste de los transistores de unión bipolares es una ventaja de diseño para los interruptores de canal P de lado alto, pero requiere un ajuste adecuado con la ayuda de componentes externos adicionales, como resistencias.

Circuito de transmisión con un MOSFET de canal N

Utilizar un MOSFET de canal N para controlar un MOSFET de canal P de lado alto tiene varias ventajas sobre un transistor bipolar.

El MOSFET de canal N tiene una baja resistencia en estado encendido, lo que reduce la pérdida de potencia y aumenta la eficiencia. Además, conmuta rápidamente, lo que mejora los tiempos de respuesta del sistema. Tiene menores pérdidas por conmutación y puede funcionar a frecuencias más altas, lo que lo hace ideal para aplicaciones de bajo consumo como los dispositivos alimentados por baterías. Además, los requisitos de accionamiento de puerta son menos exigentes que los de un BJT, lo que simplifica el circuito de accionamiento y reduce el número de componentes.

La salida del watchdog puede controlar directamente la puerta del MOSFET de canal N. La tensión de pull-up del WDO debe coincidir con la tensión de umbral de puerta del MOSFET (V_GS(th)) para que funcione correctamente. Cuando el sistema está activo, una señal WDO alta enciende el MOSFET de canal N (Q1 en la Figura 5), que a su vez enciende el MOSFET de canal P (Q2 en la Figura 5), suministrando energía al sistema. Durante la inactividad del sistema, una señal WDO baja apaga Q1, que a su vez apaga Q2, cortando la fuente de alimentación.

Figura 5: Un MOSFET de canal N (Q1) que acciona un MOSFET de canal P (Q2). (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

Conclusión:

El uso de un MOSFET de canal N o de canal P para accionar un interruptor de lado alto son dos métodos fiables para los ciclos de alimentación del sistema. El enfoque de canal P con transistor bipolar NPN y componentes adicionales ofrece la opción de menor costo, mientras que el enfoque de canal N, más costoso, es mejor para la conmutación de alta frecuencia. Las preferencias de diseño del desarrollador y los requisitos de la aplicación dictarán el enfoque óptimo.