作者：Pete Bartolik

投稿人：DigiKey 北美編輯

功率循環在確保電子應用不間斷運行方面發揮著關鍵作用，尤其是那些部署在偏遠地區并由電池供電的應用。斷開和重新連接電源可以重置因持續不活動或系統掛起而失去響應的系統。一種有效且廣泛使用的功率循環方法是利用監控電路的低電平有效輸出來驅動高壓側 MOSFET 輸入開關。

電壓監視器或監控電路可為其邏輯電平輸出提供兩種選擇：低電平有效和高電平有效輸出信號。這適用于推挽輸出拓撲或帶有上拉電阻的開漏輸出輸出拓撲。

• 低電平有效，當輸入條件滿足時，輸出變為低電平，當輸入條件不滿足時，輸出變為高電平
• 高電平有效，當輸入條件滿足時，輸出變為高電平，當輸入條件不滿足時，輸出變為低電平

監控電路通過跟蹤電壓供應或通過使用看門狗定時器檢測不活動狀態（或兩者方式兼而有之）來監控系統活動。當這些保障措施檢測到問題時，功率循環會打開，然后關閉電源和下游系統之間的通路，使單片機 (MCU) 進入復位過程。電路高壓側的輸入開關（圖 1）用于控制下游電子系統的電源。

當然，選擇合適的元件并應對潛在的挑戰（如功率循環過程中可能產生的發熱和開關噪聲）至關重要。

圖 1：使用高壓側開關保護下游電子系統以免在斷電情況下出錯的應用電路。（圖片來源：Analog Devices, Inc.）

當然，選擇合適的元件并應對潛在的挑戰（如功率循環過程中可能產生的發熱和開關噪聲）至關重要。

高壓側電源開關

功率循環可用于各種應用，以提高系統可靠性并減輕潛在的損壞，包括無線收發器、醫療設備、智能家居設備、電源和消費電子產品。

金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET) 具有低導通電阻、高開關速度和高輸入阻抗等特點，因此廣泛用于功率循環。

監控電路的輸出可以控制 MOSFET 的柵極，從而有效打開或關閉 MOSFET 以進行循環供電。這種方法允許系統從無響應狀態中重置和恢復，從而確保最佳的系統可靠性。

采用這種方法的開發人員可以選擇使用 N 溝道或 P 溝道 MOSFET，但許多人更傾向于使用 P 溝道方法，因為開啟和關閉 P 溝道 MOSFET 所需的條件和電路沒有 N 溝道 MOSFET 那么復雜。

對于 P 溝道 MOSFET，柵極電壓必須低于源極電壓才能導通，而對于 N 溝道 MOSFET，柵極電壓必須高于源極電壓才能導通。

當 N 溝道 MOSFET 用作高壓側輸入開關時，低柵極電壓會導致開關斷開并切斷電源。雖然 N 溝道 MOSFET 通常具有更高的效率和性能，但在這種情況下，需要額外的電路（如充電泵）來產生正的柵源電壓 (V GS )，以確保開關完全重新連接電源。

使用 P 溝道 MOSFET 時就不需要額外的電路，它可以由負 VGS 打開，從而簡化了應用設計，但代價是導通電阻增大，能效降低。

實現 P 溝道高壓開關

采用 P 溝道方法時，用于控制 MOSFET 的柵源電壓必須至少低于電源的柵源閾值電壓 V GS(th) ，以使電流從源極流向漏極。另一個考慮因素是確保漏極和源極之間的電壓 (V DS ) 在規定范圍內工作，以確保器件不會損壞。

當低電平有效監控電路輸出連接到 P 溝道 MOSFET 的柵極時，OUT 引腳會在超過指定閾值時將柵極拉低，從而激活從供應電壓到負載的連接。當該電壓低于閾值時，OUT 引腳變為高電平，P 溝道 MOSFET 關斷，負載與該供應電壓斷開。

開發人員可以通過將器件的 OUT 引腳直接連接到 P 溝道 MOSFET 的柵極來實現高效的過壓保護電路。這種穩健的方法使用 P 溝道 MOSFET 作為高壓側開關，連接到 [Analog Devices, Inc.] [MAX16052] 功率管理 IC（圖 2），確保負載與供應電壓相連。

圖 2：P 溝道 MOSFET 用作高壓側開關以實現過壓保護。（圖片來源：Analog Devices, Inc.）

當開漏 OUT 引腳處于高阻抗狀態時，受監測電壓與 P 溝道 MOSFET 柵極之間的外部上拉電阻會使柵極保持高電平。當受監測電壓超過閾值時，OUT 引腳進入高阻抗狀態，從而關閉 P 溝道 MOSFET 并斷開負載與供應電壓的連接。反之，當受監測電壓低于閾值時，OUT 引腳將柵極引腳拉低。

MAX16052 與 ADI 的 [MAX16053] 構成了一系列小型、低功耗、高電壓監控電路，具有定序功能，均采用緊湊型 6 引腳 SOT23 封裝。MAX16052 提供高電平有效開漏輸出，而 MAX16053 則提供高電平有效推挽輸出。兩者都可對低至 0.5 V 的輸入提供可調節的電壓監控，并使用內部固定 0.5 V 閾值的高阻抗輸入 (IN) 執行電壓監控。

使用看門狗定時器

看門狗定時器 (WDT) 可以增強監控電路在滿足監控條件時且輸出信號低的情況下的保護能力。在這些情況下，看門狗定時器可以檢測到一定時間內沒有脈沖或轉換（稱為看門狗超時 (t WD )），然后就會激活單片機復位或啟動功率循環。

當正電源電壓 (V CC ) 超過最低工作電壓時，即使低于復位閾值，ADI 帶看門狗定時器的 [MAX16155] 毫微功耗監控器也會啟動復位輸出。使用兩個 WDT 的應用（圖 3）可以在 32 秒未活動后啟用單片機軟復位，在 128 秒未活動后啟用系統功率循環。

圖 3：在此配置中，看門狗定時器 1 將啟動軟復位，而看門狗定時器 2 則啟動系統功率循環。（圖片來源：Analog Devices, Inc.）

驅動 P 溝道高壓側開關的一種選擇是使用 NPN 雙極結型晶體管 (BJT) 作為逆變器，將看門狗輸出的會關閉 NPN 晶體管的低電平信號轉換為會通過上拉電阻關閉 P 溝道 MOSFET 的高電平信號（圖 4）。當系統處于激活狀態時，看門狗輸出 (WDO) 為高電平，通過電阻器將信號發送到 NPN 晶體管的基極，使其開啟。

圖 4：NPN 雙極結型晶體管 (Q1) 驅動 P 溝道 MOSFET (Q2)。（圖片來源：Analog Devices, Inc.）

連接到 MOSFET 柵極和源極的電阻分壓器控制 V GS 。當 NPN 晶體管導通時，它會將電阻分壓器拉低，使柵極電壓低于源極電壓，從而導通 P 溝道 MOSFET，為系統供電。

如果微處理器反應遲鈍或未能在 MAX16155 看門狗定時器預定義的超時時間內發送輸入脈沖，則會發生看門狗超時事件，導致 WDO 引腳斷定為低電平。這一動作會將 NPN 的基極拉到地電位，使其關閉。當 NPN 晶體管關閉時，P 溝道 MOSFET 柵極和源極的電壓相同，從而關閉 MOSFET 并切斷微處理器的電源。

一旦看門狗定時器的 WDO 輸出返回高電平，系統就會恢復正常運行。然后，微處理器會定期向 WDI 引腳發送脈沖，防止進一步超時。NPN 晶體管導通，使高壓側 MOSFET 保持導通，確保為微處理器持續通電。

雙極結型晶體管的低成本是 P 溝道高壓側開關的設計優勢，但需要借助額外的外部元件（如電阻器）進行適當微調。

使用 N 溝道 MOSFET 驅動電路

與雙極晶體管相比，使用 N 溝道 MOSFET 控制高壓側 P 溝道 MOSFET 有幾個優點。

N 溝道 MOSFET 具有較低的導通電阻，可減少功率損耗并提高效率。它還能快速切換，改善系統響應時間。它開關損耗更低，工作頻率更高，是電池供電型設備之類高能效應用的理想之選。此外，柵極驅動要求也比 BJT 低，從而簡化了驅動電路，減少了元件數量。

看門狗輸出可直接控制 N 溝道 MOSFET 的柵極。WDO 的上拉電壓必須與 MOSFET 的柵極閾值電壓 (VGS(th) 匹配，才能正常工作。系統激活時，高電平 WDO 信號會打開 N 溝道 MOSFET（圖 5 中的 Q1），然后打開 P 溝道 MOSFET（圖 5 中的 Q2），為系統供電。系統不活動時，低電平 WDO 信號會關閉 Q1，從而關閉 Q2，并切斷電源。

圖 5：N 溝道 MOSFET（Q1）驅動 P 溝道 MOSFET（Q2）。（圖片來源：Analog Devices, Inc.）

結語

使用 N 溝道或 P 溝道 MOSFET 驅動高壓側開關都是系統功率循環的可靠方法。采用 NPN 雙極晶體管和附加元件的 P 溝道方法成本較低，而成本較高的 N 溝道方法更適合高頻開關。具體哪一種方法最佳，則取決于開發人員的設計偏好和應用要求。

審核編輯 黃宇