Резистивные делители ослабляют высокое напряжение до уровня, который без перегрузки или повреждения могут выдержать низковольтные цепи. В схемах управления питанием резистивные делители используются для установки порогов блокировки при пониженном и повышенном напряжении источника. Такие схемы квалификации напряжения питания встречаются в автомобильных системах, портативных приборах с батарейным питанием, а также на печатных платах устройств обработки данных и информационного обмена.
Блокировка при пониженном напряжении (undervoltage lockout, UVLO) не позволяет последующим электронным устройствам работать при аномально низком напряжении источника питания, что может стать причиной неисправности системы. Например, цифровое оборудование может работать нестабильно или даже зависать, если их напряжение питания ниже разрешенного технической документацией. Когда источником питания является аккумуляторная батарея, блокировка при пониженном напряжении предотвращает повреждение батареи из-за глубокого разряда. Блокировка при повышенном напряжении (overvoltage lockout, OVLO) защищает систему от катастрофически высоких напряжений питания. Поскольку пороги пониженного и повышенного напряжения зависят от допустимого рабочего диапазона системы, для установки различных пользовательских порогов при одной и той же схеме управления используются резистивные делители. Для обеспечения плавной и бездребезговой блокировки, даже при наличии шумов или сопротивления источника питания, пороги должны иметь гистерезис. После обсуждения простой схемы UVLO/OVLO в этой статье будут представлены несколько простых методов добавления гистерезиса порогов, что бывает необходимо, когда значения по умолчанию не соответствуют требованиям приложения.
Схемы блокировки при пониженном и повышенном напряжении питания
 |
||
| Рисунок 1. | Схема блокировки при пониженном напряжении источника питания, в которой используются резистивный делитель, компаратор и силовой коммутатор. |
|
На Рисунке 1 показана схема блокировки при пониженном напряжении (пока без гистерезиса). Она имеет компаратор с положительным опорным напряжением (VT) на инвертирующем входе. Компаратор управляет силовым переключателем, который замыкает или размыкает путь между входом источника питания и последующими цепями электронной системы. Неинвертирующий вход компаратора подключен к резистивному делителю входного напряжения. Когда питание включено, и напряжение начинает нарастать от 0 В, уровень сигнала на выходе компаратора изначально низкий, и ключ остается разомкнутым. Переключение компаратора происходит, когда напряжение на его неинвертирующем входе достигает VT. В этот момент ток в нижнем резисторе равен VT/RB. Тот же ток протекает и через RT, если компаратор не имеет входного тока смещения. Поэтому напряжение питания в момент срабатывания компаратора равно
Это порог UVLO, установленный резистивным делителем. Например, при VT = 1 В и RT = 10 × RB порог UVLO будет равен 11 В. При напряжениях питания, меньших этого порога, уровень выходного сигнала компаратора остается низким, и силовой ключ закрыт; выше порога UVLO ключ замкнут, и через него идет ток питания системы. Порог можно легко настроить, изменив соотношение сопротивлений резисторов RB и RT. Абсолютные значения сопротивлений резисторов определяются величиной тока, разрешенного для делителя (подробнее об этом позже). Чтобы установить порог OVLO, нужно просто поменять местами два входа компаратора (например, см. нижний компаратор на Рисунке 2) так, чтобы вход с более высоким напряжением установил низкий уровень на выходе компаратора и разомкнул переключатель.
 |
||
| Рисунок 2. | Схема блокировки при пониженном и повышенном напряжении, использующая общий резистивный делитель. |
|
Хотя это и не является предметом внимания данной статьи, заметим, что коммутатор может быть реализован на N- или P-канальном мощном MOSFET. Предшествующее обсуждение основывалось на предположении, что ключ на N-канальном MOSFET размыкается (высокое сопротивление), когда напряжение на его затворе становится низким (например, 0 В).Чтобы полностью замкнуть N-канальный MOSFET (низкое сопротивление), напряжение на его затворе должно быть выше напряжения питания хотя бы на величину порогового напряжения, что требует использования зарядового насоса. Контроллеры защиты, такие как LTC4365, LTC4367 и LTC4368, содержат компараторы и зарядовые насосы для управления N-канальными MOSFET и при этом имеют низкий ток покоя. P-канальные MOSFET не нуждаются в зарядовых насосах, но полярность напряжения затвора меняется на противоположную; то есть при низком напряжении ключ замыкается, а при высоком – размыкается.
Вернемся к резистивным делителям. Цепочка из трех резисторов устанавливает пороги блокировки как при пониженном, так и при повышенном напряжении (Рисунок 2), сокращая суммарный ток делителей по сравнению с вариантом использования двух отдельных цепочек из двух резисторов. Порог UVLO равен
а порог OVLO равен
Логический элемент «И» объединяет выходные сигналы двух компараторов, прежде чем подать их на мощный ключ. Следовательно, силовой ключ замыкается и питает систему, когда входное напряжение находится между порогами пониженного и повышенного напряжения; в противном случае выключатель разомкнут, и питание системы отключено. Если величина тока, потребляемого делителем, не имеет первостепенного значения, бóльшую гибкость в независимой установке каждого порога обеспечивают отдельные делители для пониженного и повышенного напряжения.
Блокировки при пониженном и повышенном напряжении питания с гистерезисом
Если в схеме на Рисунке 1 напряжение источника питания нарастает медленно и зашумлено, или источник питания имеет внутреннее сопротивление (как в батарее), из-за которого напряжения падает с увеличением тока нагрузки, при пересечении входным напряжением порога UVLO уровень выходного сигнала компаратора будет многократно переключаться между высокими и низкими значениями. Это происходит потому, что напряжение на неинвертирующем входе компаратора многократно поднимается выше и ниже порога VT из-за входных помех или падения напряжения на внутреннем сопротивлении источника питания из-за тока нагрузки. В схемах с батарейным питанием такие колебания могут быть бесконечными. Использование компаратора с гистерезисом устраняет этот дребезг, делая переключение более плавным. Как показано на Рисунке 3, пороги гистерезисного компаратора различны для нарастающего входного напряжения (например, VT + 100 мВ) и для спадающего (например, VT – 100 мВ). Гистерезис на уровне входа компаратора масштабируется резисторами RB и RT до
на уровне источника питания. Если помехи или провалы напряжения источника питания меньше этого гистерезиса, дребезг будет устранен. Существуют способы добавления или увеличения гистерезиса, если собственный гистерезис компаратора отсутствует или недостаточен. Все эти методы основаны на использовании положительной обратной связи, подключенной к средней точке делителя. В результате, например, при нарастании входного напряжения порог срабатывания компаратора выше, чем при спаде. Для простоты будем считать, что последующие формулы относятся к компаратору, не имеющему внутреннего гистерезиса.
Резистор между делителем и выходом (Рисунок 3)
 |
||
| Рисунок 3. | Добавление гистерезиса к порогу блокировки при пониженном напряжении с помощью резистора, соединяющего среднюю точку делителя с выходом коммутатора питания. |
|
Добавим резистор RH между средней точкой делителя (неинвертирующим входом компаратора) и выходом коммутатора питания. Когда напряжение источника питания начинает возрастать от 0 В, напряжение на неинвертирующем входе компаратора ниже опорного напряжения VT, уровень выходного сигнала компаратора низкий, и коммутатор питания разомкнут. Предположим, что напряжение на выходе коммутатора равно 0 В из-за подключенной системной нагрузки. Тогда при расчете входного порога резисторы RH и RB можно считать включенными параллельно. Порог UVLO для нарастающего входного напряжения равен
где
Ключ замыкается выше этого порога, подключая источник питания к системе. Аналогично, при вычислении порога UVLO для спада входного напряжения будем считать включенными параллельно резисторы RH и RT, поскольку в этом случае коммутатор питания замкнут, и порог равен:
где
Если сам компаратор имеет некоторый гистерезис, VT в предыдущих формулах следует заменить на значение порога для нарастающего или спадающего входного напряжения. Вспомним пример на Рисунке 1, в котором VT = 1 В и RT = 10 × RB, где пороги как для нарастающего, так и для спадающего входного напряжения при отсутствии гистерезиса компаратора или резистора RH равны 11 В. Добавление RH = 100 × RB, как это показано на Рисунке 3, дает порог 11.1 В для нарастающего напряжения и 10.09 В для спадающего, что соответствует гистерезису 1.01 В. Этот метод не работает для OVLO, поскольку нарастающее входное напряжение размыкает силовой ключ, из-за чего RH подтягивает вход компаратора к земле (и компаратор снова замыкает переключатель), а не к высокому уровню.
Подключение резистора (Рисунок 4)
 |
||
| Рисунок 4. | Добавление гистерезиса к порогу блокировки при пониженном или повышенном напряжении с помощью резистора или источника тока, подключаемого параллельно (а) или с помощью последовательного резистора (б). |
|
Другой метод добавления гистерезиса заключается в подключении резистора, который изменяет фактическую величину сопротивления нижнего плеча делителя. Этот резистор может подключаться параллельно (Рисунок 4а) или последовательно (Рисунок 4б). Рассмотрим Рисунок 4a. Когда входное напряжение VIN низкое, скажем, 0 В, уровень выходного сигнала компаратора (в узле UV или OV) высокий, и N-канальный MOSFET M1 открывается, подключая RH параллельно с RB. Будем считать, что сопротивление M1 в открытом состоянии либо незначительно по сравнению с RH, либо включено в значение RH. Порог для нарастающего напряжения будет такой же, как в схеме на Рисунке 3:
Как только VIN превысит этот порог, уровень напряжения на выходе компаратора опустится, выключая M1 и отрывая RH от делителя. Следовательно, в этом случае порог для спадающего входного напряжения такой же, как в схеме на Рисунке 1:
Продолжая наш пример с VT = 1 В, RT = 10 × RB и RH = 100 × RB, мы увидим, что порог для нарастающего напряжения равен 11.1 В, а для спадающего – 11 В, то есть, гистерезис равен 100 мВ. Этот и последующие методы могут использоваться для блокировки при пониженном или повышенном напряжении, поскольку их назначение зависит от того, как выходной сигнал компаратора включает коммутатор питания (не схеме показан).
Для конфигурации, изображенной на Рисунке 4б, порог для нарастающего входного напряжения определяется выражением
а порог для спада равен
В схеме на Рисунке 4 RH = RB/10, что дает порог 11 В при нарастании напряжения и 10.091 В при спаде, то есть, гистерезис равен 909 мВ. Это показывает, что конфигурация на Рисунке 4б позволяет при значительно меньшем сопротивлении RH получить гораздо больший гистерезис.
Ток вместо сопротивления
Резистор RH в схеме на Рисунке 4а может быть заменен источником тока IH. Этот метод используется в приоритетных контроллерах управления питанием LTC4417 и LTC4418. При низком VIN высокий уровень на выходе компаратора включает источник IH. При пересечении порога нарастающим напряжением напряжение на инвертирующем входе компаратора равно VT. Следовательно, ток в RT равен
что дает следующее значение порога для нарастающего напряжения:
Как только VIN превысит этот порог, уровень напряжения на выходе компаратора станет низким, и ток IH отключится. Поэтому формула порога для спадающего напряжения имеет такой же вид, как и для схемы на Рисунке 1:
и гистерезис входного порога равен IH × RT.
Ток резистивного делителя
В предыдущих формулах предполагалось, что входной ток смещения входа компаратора равен нулю, и при этом в примерах учитывались только отношения сопротивлений резисторов, а не их абсолютные значения. На входы компаратора влияют входное напряжение смещения (VOS), погрешность опорного напряжения (которую можно объединить с VOS) и входной ток смещения или утечки (ILK). Допущение о нулевом токе утечки справедливо, если ток делителя VT/RB в схеме на Рисунке 1 в момент срабатывания намного больше, чем входной ток утечки. Например, при токе делителя, который в 100 раз превышает входной ток утечки, ошибка порога будет всегда оставаться ниже 1%. Другой метод заключается в сравнении погрешности порога, обусловленной утечкой, с погрешностью от напряжения смещения. Неидеальности компаратора на Рисунке 1 изменяют формулу для порога UVLO следующим образом:
(аналогично предыдущему выражению для «гистерезисного» тока), которое можно переписать как
Утечка на входе проявляет себя как ошибка порогового напряжения компаратора, и эта ошибка может быть минимизирована по отношению к напряжению смещения, то есть,
путем правильного выбора резистора.
Например, токи утечки выводов UV и OV контроллера защиты от пониженного и повышенного напряжения LTC4367 равны ±10 нА, в то время как напряжение смещения пороговых напряжений 500 мВ выводов компаратора UV/OV составляет ±7.5 мВ (±1.5% от 500 мВ). Задавшись ошибкой ±3 мВ (±0.6% от 500 мВ или менее половины от смещения 7.5 мВ), обусловленной токами смещения, получаем
Для установки порога блокировки при пониженном напряжении, равного 11 В, при пороговом уровне компаратора 0.5 В необходимо, чтобы
Поэтому
что дает RB < 315.7 кОм. Ближайшее стандартное значение RB с допуском 1% составляет 309 кОм, откуда следует, что резистор RT должен иметь сопротивление 6.49 МОм. Ток делителя в момент срабатывания равен
что в 162 раза больше тока утечки 10 нА. Этот вид анализа важен, когда нужно минимизировать ток делителя без увеличения ошибки порога из-за входного тока утечки компаратора.
Заключение
Резистивные делители позволяют легко регулировать пороги блокировки при пониженном и повышенном напряжении источника питания с помощью одной и той же схемы управления на основе компаратора. Помехи или внутреннее сопротивление источника питания требуют порогового гистерезиса, чтобы предотвратить дребезг при включении и выключении питания, когда уровень напряжения питания пересекает пороговое значение. Были показаны несколько различных способов реализации гистерезиса блокировки при повышенном и пониженном напряжениях. Основной принцип состоит в том, чтобы в момент срабатывания компаратора на средней точке делителя имелась некоторая положительная обратная связь. При добавлении или увеличении гистерезиса микросхемы контроллера защиты некоторые методы зависят от наличия у микросхемы выхода компаратора или аналогичного сигнала. Выбирая номиналы резисторов, следует позаботиться о том, чтобы входные токи утечки компаратора не стали основным источником погрешности порога.
Купить LTC4365 на РадиоЛоцман.Цены
