Drempelhysterese toevoegen voor soepele vergrendeling van onderspanning/overspanning

Resistieve verdelers dempen hoge spanningen tot een niveau dat laagspanningscircuits aankunnen zonder overstuurd of beschadigd te raken. In stroompadbesturingscircuits helpen resistieve verdelers bij het instellen van drempels voor onderspanning en overspanning van de voeding. Dergelijke kwalificatiecircuits voor voedingsspanningen zijn te vinden in autosystemen, draagbare instrumenten op batterijen en dataverwerkings- en communicatieborden.

Onderspanningsvergrendeling (UVLO) voorkomt dat het stroomafwaartse elektronische systeem werkt met abnormaal lage voedingsspanningen, wat systeemstoringen zou kunnen veroorzaken. Digitale systemen kunnen zich bijvoorbeeld grillig gedragen of zelfs bevriezen wanneer hun voedingsspanning onder de specificatie ligt. Wanneer de voeding een oplaadbare batterij is, voorkomt een onderspanningsblokkering batterijschade door diepe ontlading. Overvoltage lockout (OVLO) beschermt het systeem tegen schadelijk hoge voedingsspanningen. Aangezien onder- en overspanningsdrempels afhankelijk zijn van het geldige werkbereik van het systeem, worden resistieve verdelers gebruikt om aangepaste drempels in te stellen met hetzelfde regelcircuit. Drempelhysterese is nodig om een ​​soepele en chattervrije vergrendelingsfunctie te verkrijgen, zelfs in de aanwezigheid van voedingsruis of weerstand. Na het bespreken van een eenvoudig UVLO/OVLO-circuit, presenteert dit artikel enkele eenvoudige methoden voor het toevoegen van drempelhysterese, wat nodig is wanneer de standaardwaarde onvoldoende is.

Vergrendelingscircuit voor onder- en overspanning

Figuur 1 toont een vergrendelingscircuit voor onderspanning (voorlopig zonder hysterese). Het heeft een comparator met een positieve referentiespanning (V_T ) op zijn negatieve ingang. De comparator bestuurt een stroomschakelaar die het pad tussen de voedingsingang en het stroomafwaartse elektronische systeem opent of sluit. De positieve ingang van de comparator wordt aangesloten op een resistieve verdeler van de ingang. Als de voeding is ingeschakeld en begint te stijgen vanaf 0 V, is de uitgang van de comparator aanvankelijk laag, waardoor de stroom uitgeschakeld blijft. De uitgang van de comparator schakelt uit wanneer zijn positieve ingang V_T . bereikt . Op dit moment is de stroom in de onderste weerstand V_T /R_B . Dezelfde stroom vloeit in R_T als de comparator geen ingangsbiasstroom heeft. Daarom is de voedingsspanning wanneer de comparator wordt uitgeschakeld V_T + R_T × V_T /R_B =V_T × (R_B + R_T )/R_B . Dit is de toevoer-UVLO-drempel die is ingesteld door de resistieve verdeler. Bijvoorbeeld een V_T van 1 V en R_T =10 × R_B geeft een UVLO-drempel van 11 V. Onder deze drempel is de uitgang van de comparator laag, waardoor de aan/uit-schakelaar wordt geopend; boven deze UVLO-drempel wordt de schakelaar gesloten en stroomt de voeding door om het systeem van stroom te voorzien. De drempel kan eenvoudig worden aangepast door de verhouding van R_B . te wijzigen en R_T . De absolute weerstandswaarde wordt bepaald door de hoeveelheid biasstroom die voor de verdeler is gebudgetteerd (hierover later meer). Om een ​​OVLO-drempel in te stellen, verwisselt u gewoon de twee ingangen van de comparator (zie bijvoorbeeld de onderste comparator in figuur 2), zodat een hoge ingang de comparator-uitgang laag dwingt en de schakelaar opent.

Figuur 1. Vergrendeling van onderspanning van de voeding met behulp van een resistieve verdeler, comparator en aan/uit-schakelaar. (Bron:Analoge apparaten)

Hoewel dit niet de focus van dit artikel is, kan de switch worden geïmplementeerd met een N-kanaal of een P-kanaal vermogens-MOSFET. De vorige discussie gaat uit van een N-kanaals MOSFET-schakelaar die opent (hoge weerstand) wanneer de poortspanning laag is (bijvoorbeeld 0 V). Om een ​​N-kanaals MOSFET volledig te sluiten (lage weerstand), moet de poortspanning minstens de MOSFET-drempelspanning hoger zijn dan de voeding, waardoor een laadpomp nodig is. Beveiligingscontrollers zoals LTC4365, LTC4367 en LTC4368 integreren comparatoren en laadpompen om N-kanaal MOSFET's aan te sturen terwijl ze nog steeds een lage ruststroom verbruiken. P-kanaal MOSFET's hebben geen laadpomp nodig, maar de polariteit van de poortspanning is omgekeerd; dat wil zeggen, een lage spanning sluit terwijl een hoge spanning een P-kanaal MOSFET-schakelaar opent.

Terugkomend op resistieve verdelers:een string met 3 weerstanden stelt drempels voor zowel onderspanning als overspanning in (afbeelding 2), waardoor de biasstroom van één verdeler wordt bespaard in vergelijking met het gebruik van twee afzonderlijke strings met 2 weerstanden. De UVLO-drempel is V_T × (R_B + R_M + R_T )/(R_B + R_M ) terwijl de OVLO-drempel V_T . is × (R_B + R_M + R_T )/R_B . Een EN-poort combineert de uitvoer van de twee comparatoren voordat deze naar de aan / uit-schakelaar wordt gestuurd. Daarom sluit de stroomschakelaar om het systeem van stroom te voorzien wanneer de ingangsspanning tussen de onder- en overspanningsdrempels ligt; anders is de schakelaar open, waardoor de voeding van het systeem wordt losgekoppeld. Als het stroomverbruik van de deler geen probleem is, bieden afzonderlijke onderspannings- en overspanningsdelers meer flexibiliteit bij het aanpassen van elke drempel onafhankelijk van de andere.

Figuur 2. Uitsluiting van onder- en overspanning met een enkele resistieve verdeler. (Bron:Analoge apparaten)

Onderspannings- en overspanningsvergrendeling met hysterese

In figuur 1, als de voeding langzaam stijgt en ruis heeft of als de voeding een inherente weerstand heeft (zoals in een batterij) die ervoor zorgt dat de spanning daalt met de belastingsstroom, zal de uitgang van de comparator herhaaldelijk hoog en laag schakelen als de ingang de UVLO-drempel overschrijdt. Dit komt omdat de positieve ingang van de comparator herhaaldelijk boven en onder de V_T . gaat drempel als gevolg van de ingangsruis of de daling als gevolg van de belastingsstroom door de voedingsweerstand. Voor circuits op batterijen kan dit een eindeloze oscillatie zijn. Het gebruik van een comparator met hysterese elimineert dit gebabbel, waardoor de overgang van de schakelaar soepeler verloopt. Zoals geïllustreerd in figuur 3, presenteert een hysteretische comparator verschillende drempels voor een stijgende (bijvoorbeeld V_T + 100 mV) versus een dalende ingang (bijvoorbeeld V_T – 100 mV). De hysterese op comparatorniveau wordt opgeschaald met R_B en R_T tot 200 mV × (R_B + R_T )/R_B op het aanbodniveau. Als de ruis of de daling bij de voedingsingang onder deze hysterese ligt, wordt het geratel geëlimineerd. Er zijn manieren om hysterese toe te voegen of te verhogen als die van de comparator afwezig of onvoldoende is. Al deze methoden maken gebruik van positieve feedback bij de delertap, bijvoorbeeld een stijgende comparatoringang springt hoger wanneer de comparator uitschakelt. Voor de eenvoud gaan de volgende vergelijkingen ervan uit dat er geen intrinsieke hysterese is in de comparator.

Afbeelding 3. Hysterese van de drempelwaarde voor onderspanningsuitsluiting toevoegen met een weerstand van de scheidingskraan naar de uitgang van de aan/uit-schakelaar. (Bron:Analoge apparaten)

Weerstand van scheidingswand naar uitgang (Figuur 3):

Voeg een weerstand toe (R_H ) van de verdeelkraan (de positieve ingang van de comparator) naar de uitgang van de aan/uit-schakelaar. Wanneer de voeding begint te stijgen vanaf 0 V, is de positieve ingang van de comparator lager dan V_T en de uitgang van de comparator is laag, waardoor de stroom uitgeschakeld blijft. Neem aan dat de schakeluitgang vanwege de systeembelasting op 0 V staat. Vandaar, R_H is parallel met R_B voor berekening van de invoerdrempel. De stijgende ingangsonderspanningsdrempel is V_T × ((R_B || R_H ) + R_T )/(R_B || R_H ), waarbij R_B || R_H =R_B × R_H / (R_B + R_H ). Boven deze drempel wordt de schakelaar ingeschakeld en wordt de voeding op het systeem aangesloten. Om de dalende ingangsonderspanningsdrempel te berekenen, R_H is parallel met R_T aangezien de schakelaar gesloten is, wat de dalende drempel voor onderspanning van de ingang geeft als:V_T × (R_B + (R_T || R_H ))/R_B , waarbij R_T || R_H =R_T × R_H /(R_T + R_H ). Als de comparator zelf enige hysterese had, vervang dan V_T met de stijgende of dalende comparatordrempel in de vorige vergelijkingen. Denk aan het voorbeeld van figuur 1, met V_T =1 V en R_T =10 × R_B , waarbij zowel de stijgende als de dalende drempel 11 V is bij afwezigheid van comparatorhysterese of R_H . Een R_H . toevoegen =100 × R_B , zoals in figuur 3, geeft een stijgende ingangsdrempel van 11,1 V en een dalende drempel van 10,09 V; dat wil zeggen een hysterese van 1,01 V. Deze methode werkt niet voor OVLO omdat een stijgende ingang de stroomschakelaar uitschakelt, waardoor R_H om de comparatoringang lager te trekken (waardoor de schakelaar weer wordt ingeschakeld) in plaats van hoger.

Inschakelen van een weerstand (Figuur 4):

Een andere methode om hysterese toe te voegen, is door een weerstand in te schakelen die de effectieve waarde van de onderste weerstand verandert. De geschakelde weerstand kan parallel staan ​​(Figuur 4a) of in serie (Figuur 4b). Overweeg figuur 4a:wanneer V_IN is laag - zeg 0 V - de uitgang van de comparator (UV- of OV-knooppunt) is hoog, de N-kanaal MOSFET M1 wordt ingeschakeld en R_H aangesloten parallel met R_B . Neem aan dat de aan-weerstand van M1 ofwel verwaarloosbaar is in vergelijking met R_H of is opgenomen in R_H ’s waarde. De stijgende ingangsdrempel is hetzelfde als in figuur 3:V_T × ((R_B || R_H ) + R_T )/(R_B || R_H ). Eenmaal V_IN boven deze drempel ligt, is de uitgang van de comparator laag, wordt M1 uitgeschakeld en wordt R_H losgekoppeld van de verdeler. Daarom is de dalende ingangsdrempel hetzelfde als in figuur 1:V_T × (R_B + R_T )/R_B . Ons voorbeeld voortzetten met V_T =1 V, R_T =10 × R_B , en R_H =100 × R_B , de stijgende ingangsdrempel is 11,1 V en de dalende drempel is 11 V; dat wil zeggen, R_H levert een hysterese van 100 mV op. Deze en de volgende methoden kunnen worden gebruikt voor vergrendeling van onderspanning of overspanning, aangezien hun doel afhangt van hoe de comparatoruitgang de aan/uit-schakelaar inschakelt (niet weergegeven).

Figuur 4. Hysterese van onderspannings- of overspanningsuitsluitingsdrempel toevoegen met een geschakelde (a) shuntweerstand of stroom en (b) een serieweerstand. (Bron:Analoge apparaten)

De configuratie van figuur 4b geeft de stijgende ingangsdrempel als V_T × (R_B + R_T )/R_B en de dalende ingangsdrempel als V_T × (R_B + R_H + R_T )/(R_B + R_H ). R_H =R_B /10 in figuur 4, met 11 V als de stijgende ingangsdrempel en 10,091 V als de dalende drempel, dat wil zeggen 909 mV hysterese. Dit laat zien dat de configuratie van figuur 4b een veel kleinere R_H . nodig heeft om een ​​veel grotere hysteresis op te leveren.

Een stroom inschakelen (Figuur 4a):

De weerstand R_H van figuur 4a kan worden vervangen door een stroombron I_H . Deze methode wordt gebruikt in de LTC4417 en LTC4418 geprioriteerde controllers. Wanneer V_IN laag is, schakelt de hoge output van de comparator I_H . in . Bij de stijgende ingangsdrempel is de negatieve ingang van de comparator bij V_T . Daarom is de stroom in R_T is I_H + V_T /R_B , wat de stijgende drempel oplevert als V_T + (I_H + V_T /R_B ) × R_T =V_T × (R_B + R_T )/R_B + Ik_H × R_T . Eenmaal V_IN boven deze drempel ligt, I_H wordt uitgeschakeld door de lage output van de comparator. Daarom is de dalende drempel hetzelfde als in figuur 1:V_T × (R_B + R_T )/R_B , en de hysterese van de ingangsdrempel is I_H × R_T .

Resistive Divider Bias Current

De vorige vergelijkingen gingen ervan uit dat de ingangsbiasstroom van de comparatoringang nul is, terwijl de voorbeelden alleen weerstandsverhoudingen hebben overwogen in plaats van absolute waarden. Comparatoringangen hebben beide ingangsoffsetspanning (V_OS ), referentie-onnauwkeurigheid (die kan worden geknuppeld met V_OS ), en ingangsbias of lekstroom (I_LK ). De nullekkage-aanname werkt als de deler-biasstroom, V_T /R_B op het uitschakelpunt van figuur 1 is veel groter dan de invoerlekkage. Een delerstroom die bijvoorbeeld 100 keer de ingangslekstroom is, houdt de door lekkage veroorzaakte ingangsdrempelfout onder 1%. Een andere methode is om de door lekkage geïnduceerde drempelfout te vergelijken met die van de offset-spanning. De niet-idealiteiten van de comparator veranderen de vergelijking van de onderspanningsdrempel van figuur 1 in:(V_T ± V_OS ) × (R_B + R_T )/R_B ± I_LK × R_T (vergelijkbaar met de vorige hysteretische stroomvergelijking), die kan worden herschreven als (V_T ± V_OS ± I_LK × R_B × R_T /(R_B + R_T )) × (R_B + R_T )/R_B . De invoerlekkage wordt weergegeven als een fout in de drempelspanning van de comparator en deze fout kan worden geminimaliseerd in verhouding tot de offsetspanning, dat wil zeggen I_LK × (R_B || R_T ) OS , door de juiste weerstandsselectie.

De LTC4367-controller voor onderspannings- en overspanningsbeveiliging heeft bijvoorbeeld ±10 nA maximale lekkage voor de UV- en OV-pinnen, terwijl de 500 mV-drempel-offsetspanning van de UV/OV-pin-comparator ± 7,5 mV (± 1,5% van 500 mV) is. Het budgetteren van een ±3 mV (±0,6% van 500 mV, of minder dan de helft van de 7,5 mV offset) lekkage veroorzaakte drempelfout geeft R_B || R_T <3 mV/10 nA =300 kΩ. Om een ​​11 V ingangsonderspanningsdrempel in te stellen met een 0,5 V comparatordrempel vereist R_T =R_B × 10,5 V/0,5 V =21 × R_B . Daarom, R_B || R_T =21 × R_B /22 <300 kΩ, wat R_B . geeft <315,7 kΩ. De dichtstbijzijnde standaardwaarde van 1% voor R_B is 309 kΩ, wat R_T . oplevert 6,49 MΩ bedragen. De bias-stroom van de deler op het uitschakelpunt is 0,5 V/309 kΩ =1,62 µA, wat 162 keer de lekstroom van 10 nA is. Dit soort analyse is belangrijk bij het minimaliseren van de delerstroom zonder de drempelfout te vergroten als gevolg van de ingangslekstroom van de comparator.

Conclusie

Resistieve verdelers maken een eenvoudige aanpassing van de drempels voor onderspanning en overspanning van de voeding mogelijk met hetzelfde op comparator gebaseerde regelcircuit. Voedingsruis of weerstand vereist hysterese van de drempel om te voorkomen dat de stroom wordt in- en uitgeschakeld als de voeding de drempel overschrijdt. Er zijn een paar verschillende methoden getoond voor het implementeren van hysterese voor onderspanning en overspanningsuitsluiting. Het essentiële principe is om wat positieve feedback te hebben op de verdeelkraan wanneer de comparator uitschakelt. Bij het toevoegen of verhogen van hysterese van beschermingscontroller-IC's, zijn sommige methoden afhankelijk van de beschikbaarheid van de comparatoruitgang of een soortgelijk signaal op de IC-uitgangspinnen. Bij het kiezen van weerstandswaarden moet ervoor worden gezorgd dat de ingangslekkage van de comparator geen dominante bron van drempelfouten wordt. Een uitgebreide reeks gerelateerde vergelijkingen, waaronder die in dit artikel, zijn geïmplementeerd in een spreadsheet die kan worden gedownload.

Verwante inhoud:

• Beheren van de volgorde en supervisie van de voeding, deel 1
• Beheren van de volgorde en supervisie van de voeding, deel 2
• Een ingebouwde voeding selecteren
• Een externe voeding selecteren
• De volgende uitdagingen van energiezuinig ontwerpen

Abonneer u voor meer Embedded op de wekelijkse e-mailnieuwsbrief van Embedded.