Stroomvoeding betrouwbaarder maken: Hysterese toevoegen aan Undervoltage/Overvoltage Lockout

Resistieve delers dempen hoge spanningen af naar een niveau dat lage-spanningsschakelingen kunnen accommoderen zonder overstuurd of beschadigd te raken. In stroompad-controleschakelingen helpen resistieve delers bij het instellen van stroomvoeding undervoltage- en overvoltage-lockout-drempels. Dergelijke voedingsspanning-kwalificatieschakelingen vinden zich in automobiele systemen, batterij-aangedreven draagbare instrumenten, en data-verwerkings- en communicatieborden.

Undervoltage lockout (UVLO) voorkomt dat het downstream elektronische systeem opereert met abnormaal lage voedingsspanningen, wat systeemmalfunctie kan veroorzaken. Bijvoorbeeld, digitale systemen kunnen erratisch gedragen of zelfs bevriezen wanneer hun voedingsspanning onder specificatie valt. Wanneer de voeding een herlaadbare batterij is, voorkomt undervoltage lockout batterijschade door diepe ontlading. Overvoltage lockout (OVLO) beschermt het systeem tegen schadelijk hoge voedingsspanning. Omdat undervoltage- en overvoltage-drempels afhangen van het systeem's geldige werkbereik, worden resistieve delers gebruikt om custom drempels in te stellen met dezelfde controleschakeling. Drempel-hysterese is nodig om een soepel en chatter-vrij lockout-functie te verkrijgen, zelfs in de aanwezigheid van voedingsruis of weerstand. Na het bespreken van een eenvoudige UVLO/OVLO-schakeling, presenteert dit artikel enkele eenvoudige methoden om drempel-hysterese toe te voegen, wat nodig is wanneer de standaardwaarde onvoldoende is.

Undervoltage en Overvoltage Lockout-schakeling

Figuur 1 toont een undervoltage lockout-schakeling (zonder hysterese voor nu). Het heeft een comparator met een positieve referentiespanning (V_T) aan de negatieve ingang. De comparator controleert een stroomschakelaar die het pad tussen de voeding-input en het downstream elektronische systeem opent of sluit. De positieve ingang van de comparator verbindt met een resistieve deler van de input. Als de voeding ingeschakeld wordt en begint te stijgen vanaf 0 V, is de comparator-uitgang initieel laag, wat de stroomschakelaar uit houdt. De comparator-uitgang tript wanneer de 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 input-bias-stroom heeft. Daarom is de voedingsspanning wanneer de comparator tript V_T + R_T × V_T/R_B = V_T × (R_B + R_T)/R_B. Dit is de voeding UVLO-drempel ingesteld door de resistieve deler. Bijvoorbeeld, een V_T van 1 V en R_T = 10 × R_B levert een UVLO-drempel van 11 V. Onder deze drempel is de comparator-uitgang laag, de stroomschakelaar open; boven deze UVLO-drempel is de schakelaar gesloten en vloeit de voeding door om het systeem op te starten. De drempel kan eenvoudig aangepast worden door de verhouding van R_B en R_T te wijzigen. De absolute weerstandswaarde wordt ingesteld door de hoeveelheid bias-stroom gebudgetteerd voor de deler (hierover later meer). Om een OVLO-drempel in te stellen, wissel gewoon de twee ingangen van de comparator (bijvoorbeeld, zie de onderste comparator in Figuur 2) zodat een stijgende input de comparator-uitgang laag dwingt en de schakelaar opent.

Figuur 1. Voedingsspanning undervoltage lockout met een resistieve deler, comparator, en stroomschakelaar. (Bron: Analog Devices)

Hoewel niet de focus van dit artikel, kan de schakelaar geïmplementeerd worden met een N-kanaal of P-kanaal power MOSFET. De vorige discussie veronderstelt een N-kanaal MOSFET-schakelaar die opent (hoge weerstand) wanneer de gate-spanning laag is (bijvoorbeeld, 0 V). Om een N-kanaal MOSFET volledig te sluiten (lage weerstand), moet de gate-spanning hoger zijn dan de voeding met tenminste de MOSFET-drempelspanning, wat een charge pump vereist. Beveiligingscontrollers zoals LTC4365, LTC4367, en LTC4368 integreren comparators en charge pumps om N-kanaal MOSFETs aan te sturen terwijl nog steeds lage quiescent-stroom consumeren. P-kanaal MOSFETs vereisen geen charge pump maar de gate-spanning-polariteit is omgekeerd; dat wil zeggen, een lage spanning sluit terwijl een hoge spanning een P-kanaal MOSFET-schakelaar opent.

Terug naar resistieve delers: een 3-weerstands-string stelt zowel undervoltage- als overvoltage-lockout-drempels in (Figuur 2), wat één delers bias-stroom bespaart ten opzichte van twee afzonderlijke 2-weerstands-strings. De UVLO-drempel is V_T × (R_B + R_M + R_T)/(R_B + R_M) terwijl de OVLO-drempel V_T × (R_B + R_M + R_T)/R_B is. Een AND-poort combineert de uitgang van de twee comparators voordat het naar de stroomschakelaar gestuurd wordt. Daarom sluit de stroomschakelaar om het systeem te voeden wanneer de invoerspanning tussen de undervoltage- en overvoltage-drempels ligt; anders is de schakelaar open, wat de voeding van het systeem ontkoppelt. Als delerstroomverbruik geen probleem is, bieden afzonderlijke undervoltage- en overvoltage-delers meer flexibiliteit om elke drempel onafhankelijk van de andere aan te passen.

Figuur 2. Undervoltage en overvoltage lockout met een enkele resistieve deler. (Bron: Analog Devices)

Undervoltage en Overvoltage Lockout met Hysterese

In Figuur 1, als de voeding langzaam stijgt en ruis heeft of als de voeding inherent weerstand heeft (zoals in een batterij) die de spanning doet dalen met laadstroom, zal de uitgang van de comparator herhaaldelijk hoog en laag schakelen als de input zijn UVLO-drempel kruist. Dit is omdat de positieve ingang van de comparator herhaaldelijk boven en onder de V_T-drempel gaat door de invoerruis of de daling door laadstroom door de voedingsweerstand. Voor batterij-aangedreven schakelingen kan dit een eindeloze oscillatie zijn. Het gebruik van een comparator met hysterese elimineert deze chatter, wat de schakelaar-overgang soepeler maakt. Zoals geïllustreerd in Figuur 3, presenteert een hysterese-comparator verschillende drempels voor een stijgende (bijvoorbeeld, V_T + 100 mV) vs. een dalende input (bijvoorbeeld, V_T – 100 mV). De hysterese op comparator-niveau wordt opgeschaald door R_B en R_T tot 200 mV × (R_B + R_T)/R_B op voedingsniveau. Als de ruis of de daling aan de voeding-input onder deze hysterese ligt, wordt de chatter geëlimineerd. Er zijn manieren om hysterese toe te voegen of te vergroten als die van de comparator afwezig of onvoldoende is. Al deze methoden gebruiken positieve feedback aan de deler-tap – bijvoorbeeld, een stijgende comparator-input springt hoger wanneer de comparator tript. Voor eenvoud veronderstellen de volgende vergelijkingen geen intrinsieke hysterese in de comparator.

Figuur 3. Undervoltage lockout-drempel hysterese toevoegen met een weerstand van de deler-tap naar de stroomschakelaar-uitgang. (Bron: Analog Devices)

Weerstand van Deler naar Uitgang (Figuur 3):

Voeg een weerstand (R_H) toe van de deler-tap (de positieve ingang van de comparator) naar de stroomschakelaar-uitgang. Wanneer de voeding begint te stijgen vanaf 0 V, is de positieve ingang van de comparator onder V_T en is de comparator-uitgang laag, wat de stroomschakelaar uit houdt. Veronderstel dat de schakelaar-uitgang op 0 V staat door de systeembelasting. Dus, R_H is parallel met R_B voor input-drempelberekening. De stijgende invoer undervoltage-drempel is V_T × ((R_B || R_H) + R_T)/(R_B || R_H), waar R_B || R_H = R_B × R_H/(R_B + R_H). De schakelaar schakelt in boven deze drempel, de voeding verbindend met het systeem. Om de dalende invoer undervoltage-drempel te berekenen, is R_H parallel met R_T aangezien de schakelaar gesloten is, wat de dalende invoer undervoltage-drempel geeft als: V_T × (R_B + (R_T || R_H))/R_B, waar R_T || R_H = R_T × R_H/(R_T + R_H). Als de comparator zelf enige hysterese had, vervang V_T door de stijgende of dalende comparator-drempel in de vorige vergelijkingen. Herinner het Figuur 1-voorbeeld, met V_T = 1 V en R_T = 10 × R_B, waar zowel de stijgende als dalende drempels 11 V zijn in afwezigheid van comparator-hysterese of R_H. Het toevoegen van een R_H = 100 × R_B, zoals in Figuur 3, geeft een stijgende invoer-drempel 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 invoer de stroomschakelaar uitschakelt, wat R_H de comparator-input lager trekt (wat de schakelaar weer inschakelt) in plaats van hoger.

Een Weerstand Inschakelen (Figuur 4):

Een andere methode om hysterese toe te voegen is om een weerstand in te schakelen die de effectieve waarde van de onderste weerstand wijzigt. De ingeschakelde weerstand kan in parallel (Figuur 4a) of in serie (Figuur 4b) zijn. Overweeg Figuur 4a: wanneer V_IN laag is – zeg, 0 V – is de comparator-uitgang (UV of OV-knooppunt) hoog, wat de N-kanaal MOSFET M1 inschakelt en R_H parallel met R_B verbindt. Veronderstel dat M1's on-weerstand verwaarloosbaar is ten opzichte van R_H of inbegrepen is in R_H's waarde. De stijgende invoer-drempel is dezelfde als in Figuur 3: V_T × ((R_B || R_H) + R_T)/(R_B || R_H). Eenmaal V_IN boven deze drempel is, is de comparator-uitgang laag, wat M1 uitschakelt en R_H van de deler ontkoppelt. Daarom is de dalende invoer-drempel dezelfde als in Figuur 1: V_T × (R_B + R_T)/R_B. Voortgaand op ons voorbeeld met V_T = 1 V, R_T = 10 × R_B, en R_H = 100 × R_B, is de stijgende invoer-drempel 11,1 V en de dalende drempel 11 V; dat wil zeggen, R_H levert een hysterese van 100 mV op. Deze en de volgende methoden kunnen gebruikt worden voor zowel undervoltage als overvoltage lockout, afhankelijk van hoe de comparator-uitgang de stroomschakelaar inschakelt (niet getoond).

Figuur 4. Undervoltage of overvoltage lockout-drempel hysterese toevoegen met een ingeschakelde (a) shunt-weerstand of stroom en (b) een serie-weerstand. (Bron: Analog Devices)

De configuratie van Figuur 4b geeft de stijgende invoer-drempel als V_T × (R_B + R_T)/R_B en de dalende invoer-drempel als V_T × (R_B + R_H + R_T)/(R_B + R_H). R_H = R_B/10 in Figuur 4, wat 11 V geeft als stijgende invoer-drempel en 10,091 V als dalende drempel – dat wil zeggen, 909 mV hysterese. Dit toont dat de Figuur 4b-configuratie een veel kleinere R_H nodig heeft om een veel grotere hysterese op te leveren.

Een Stroom Inschakelen (Figuur 4a):

De weerstand R_H van Figuur 4a kan vervangen worden door een stroom-bro I_H. Deze methode wordt gebruikt in de LTC4417 en LTC4418 prioriteitscontrollers. Wanneer V_IN laag is, schakelt de comparator's hoge uitgang I_H in. Bij de stijgende invoer-drempel is de negatieve ingang van de comparator op V_T. Daarom is de stroom in R_T 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 + I_H × R_T. Eenmaal V_IN boven deze drempel is, wordt I_H uitgezet door de comparator's lage uitgang. Daarom is de dalende drempel dezelfde als in Figuur 1: V_T × (R_B + R_T)/R_B, en de invoer-drempel hysterese is I_H × R_T.

Resistieve Deler Bias-stroom

De vorige vergelijkingen hebben verondersteld dat de input-bias-stroom van de comparator-ingang nul is terwijl de voorbeelden alleen weerstandsverhoudingen hebben overwogen in plaats van absolute waarden. Comparator-ingangen hebben zowel input-offset-spanning (V_OS), referentie-onnauwkeurigheid (die geclubt kan worden met V_OS), en input-bias of lekstroom (I_LK). De nul-lekkage-veronderstelling werkt uit als de deler-bias-stroom, V_T/R_B op Figuur 1's trip-punt, veel groter is dan de input-lekkage. Bijvoorbeeld, een delerstroom die 100 keer de input-lekkagestroom is, houdt lekkage-geïnduceerde input-drempelfout onder 1%. Een andere methode is het vergelijken van de lekkage-geïnduceerde drempelfout met die van de offset-spanning. De comparator-non-idealiteiten veranderen de Figuur 1 input undervoltage-drempelvergelijking tot: (V_T ± V_OS) × (R_B + R_T)/R_B ± I_LK × R_T (vergelijkbaar met de vorige hysterese-stroomvergelijking), wat herschreven kan worden als (V_T ± V_OS ± I_LK × R_B × R_T/(R_B + R_T)) × (R_B + R_T)/R_B. De input-lekkage verschijnt als een fout in de comparator's drempelspanning en deze fout kan geminimaliseerd worden in relatie tot de offset-spanning – dat wil zeggen, I_LK × (R_B || R_T) < V_OS, door juiste weerstandselectie.

Als voorbeeld, de LTC4367 undervoltage en overvoltage protection controller heeft ±10 nA maximum lekkage voor de UV en OV-pennen terwijl de UV/OV-pin comparator's 500 mV drempel-offset-spanning ±7,5 mV (±1,5% van 500 mV) is. Een ±3 mV (±0,6% van 500 mV, of minder dan de helft van de 7,5 mV offset) lekkage-geïnduceerde drempelfout budgetterend geeft R_B || R_T < 3 mV/10 nA = 300 kΩ. Om een 11 V input undervoltage-drempel in te stellen met een 0,5 V comparator-drempel 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 < 315,7 kΩ geeft. De dichtstbijzijnde 1% standaardwaarde voor R_B is 309 kΩ, wat R_T 6,49 MΩ oplevert. De deler-bias-stroom op het trip-punt is 0,5 V/309 kΩ = 1,62 µA, wat 162 keer de 10 nA lekkagestroom is. Dit soort analyse is belangrijk bij het minimaliseren van de delerstroom zonder de drempelfout door de comparator's input-lekkagestroom te vergroten.

Conclusie

Resistieve delers stellen eenvoudige aanpassing van voedingsspanning undervoltage- en overvoltage-lockout-drempels in met dezelfde comparator-gebaseerde controleschakeling. Voedingsruis of weerstand vereist drempel-hysterese om stroomschakelaar aan/uit chatter te voorkomen als de voeding de drempel kruist. Een paar verschillende methoden voor het implementeren van undervoltage- en overvoltage-lockout hysterese zijn getoond. Het essentiële principe is om wat positieve feedback aan de deler-tep te hebben wanneer de comparator tript. Bij het toevoegen of vergroten van hysterese van protection controller IC's, hangen sommige methoden af van de beschikbaarheid van de comparator-uitgang of een vergelijkbaar signaal aan de IC-uitgangspennen. Bij het kiezen van weerstandswaarden, moet ervoor gezorgd worden dat de comparator's input-lekkage geen dominante bron van drempelfout wordt. Een uitgebreide set gerelateerde vergelijkingen, inclusief die in dit artikel, zijn geïmplementeerd in een spreadsheet die beschikbaar is voor download.

Gerelateerde inhoud:

• Stroomvoeding-sequencing en supervisie beheren, deel 1
• Stroomvoeding-sequencing en supervisie beheren, deel 2
• Een ingebouwde stroomvoeding selecteren
• Een externe stroomvoeding selecteren
• De volgende uitdagingen van laag-stroom ontwerp

Voor meer Embedded, abonneer je op Embedded's wekelijkse e-mailnieuwsbrief.