Agregar histéresis de umbral para un bloqueo suave por subtensión / sobretensión

Los divisores resistivos atenúan los altos voltajes hasta un nivel que los circuitos de bajo voltaje pueden adaptarse sin sobrecargarse o dañarse. En los circuitos de control de la ruta de alimentación, los divisores resistivos ayudan a configurar los umbrales de bloqueo de sobretensión y subtensión de la fuente de alimentación. Dichos circuitos de calificación de voltaje de suministro se encuentran en sistemas automotrices, instrumentos portátiles a batería y tableros de procesamiento de datos y comunicación.

El bloqueo por bajo voltaje (UVLO) evita que el sistema electrónico aguas abajo funcione con voltajes de suministro de energía anormalmente bajos, lo que podría causar un mal funcionamiento del sistema. Por ejemplo, los sistemas digitales pueden comportarse de manera errática o incluso congelarse cuando su voltaje de suministro está por debajo de las especificaciones. Cuando la fuente de alimentación es una batería recargable, el bloqueo por subtensión evita que la batería se dañe debido a una descarga profunda. El bloqueo por sobretensión (OVLO) protege el sistema de voltajes de suministro dañinamente altos. Dado que los umbrales de subtensión y sobretensión dependen del rango operativo válido del sistema, los divisores resistivos se utilizan para configurar umbrales personalizados con el mismo circuito de control. Se necesita una histéresis de umbral para obtener una función de bloqueo suave y sin vibraciones incluso en presencia de ruido o resistencia de suministro. Después de discutir un circuito UVLO / OVLO simple, este artículo presentará algunos métodos simples para agregar histéresis de umbral, que es necesaria cuando el valor predeterminado es insuficiente.

Circuito de bloqueo por subtensión y sobretensión

La Figura 1 muestra un circuito de bloqueo por subtensión (sin histéresis por ahora). Tiene un comparador con un voltaje de referencia positivo (V _T ) en su entrada negativa. El comparador controla un interruptor de alimentación que abre o cierra la ruta entre la entrada de la fuente de alimentación y el sistema electrónico posterior. La entrada positiva del comparador se conecta a un divisor resistivo de la entrada. Si el suministro se enciende y comienza a aumentar desde 0 V, la salida del comparador es inicialmente baja, lo que mantiene el interruptor de encendido apagado. La salida del comparador se dispara cuando su entrada positiva alcanza V _T . En este momento, la corriente en la resistencia inferior es V _T / R _B . La misma corriente fluye en R _T si el comparador no tiene corriente de polarización de entrada. Por lo tanto, la tensión de alimentación cuando se dispara el comparador es V _T + R _T × V _T / R _B =V _T × (R _B + R _T ) / R _B . Este es el umbral de UVLO de suministro establecido por el divisor resistivo. Por ejemplo, una V _T de 1 V y R _T =10 × R _B produce un umbral de UVLO de 11 V. Por debajo de este umbral, la salida del comparador es baja, abriendo el interruptor de encendido; por encima de este umbral de UVLO, el interruptor se cierra y el suministro fluye para encender el sistema. El umbral se puede ajustar fácilmente cambiando la proporción de R _B y R _T . El valor absoluto de la resistencia se establece por la cantidad de corriente de polarización presupuestada para el divisor (más sobre esto más adelante). Para configurar un umbral OVLO, simplemente intercambie las dos entradas del comparador (por ejemplo, vea el comparador inferior en la Figura 2) de manera que una entrada alta fuerce la salida del comparador a baja y abra el interruptor.

Figura 1. Bloqueo por subvoltaje de la fuente de alimentación mediante un divisor resistivo, un comparador y un interruptor de encendido. (Fuente:Analog Devices)

Si bien no es el tema central de este artículo, el cambio se puede implementar con un MOSFET de potencia de canal N o canal P. La discusión anterior asume un interruptor MOSFET de canal N que se abre (alta resistencia) cuando su voltaje de puerta es bajo (por ejemplo, 0 V). Para cerrar completamente (baja resistencia) un MOSFET de canal N, el voltaje de la compuerta debe ser más alto que el suministro en al menos el voltaje de umbral del MOSFET, lo que requiere una bomba de carga. Los controladores de protección como LTC4365, LTC4367 y LTC4368 integran comparadores y bombas de carga para impulsar MOSFET de canal N sin dejar de consumir una baja corriente de reposo. Los MOSFET de canal P no requieren una bomba de carga, pero la polaridad del voltaje de la puerta está invertida; es decir, un voltaje bajo se cierra mientras que un voltaje alto abre un interruptor MOSFET de canal P.

Volviendo a los divisores resistivos:una cadena de 3 resistencias establece los umbrales de bloqueo de subtensión y sobretensión (Figura 2), lo que ahorra la corriente de polarización de un divisor frente al uso de dos cadenas de 2 resistencias separadas. El umbral de UVLO es V _T × (R _B + R _M + R _T ) / (R _B + R _M ) mientras que el umbral de OVLO es V _T × (R _B + R _M + R _T ) / R _B . Una puerta AND combina la salida de los dos comparadores antes de enviarla al interruptor de encendido. Por lo tanto, el interruptor de alimentación se cierra para alimentar el sistema cuando la tensión de entrada se encuentra entre los umbrales de subtensión y sobretensión; de lo contrario, el interruptor está abierto, desconectando el suministro del sistema. Si el consumo de corriente del divisor no es un problema, los divisores de subtensión y sobretensión separados brindan más flexibilidad para ajustar cada umbral independientemente del otro.

Figura 2. Bloqueo por subtensión y sobretensión utilizando un solo divisor resistivo. (Fuente:Analog Devices)

Bloqueo de subtensión y sobretensión con histéresis

En la Figura 1, si la fuente de alimentación aumenta lentamente y tiene ruido o si la fuente tiene una resistencia inherente (como en una batería) que hace que el voltaje caiga con la corriente de carga, la salida del comparador cambiará alto y bajo repetidamente como entrada cruza su umbral UVLO. Esto se debe a que la entrada positiva del comparador va repetidamente por encima y por debajo de V _T umbral debido al ruido de entrada o la caída debido a la corriente de carga a través de la resistencia de suministro. Para los circuitos que funcionan con baterías, esto puede ser una oscilación interminable. El uso de un comparador con histéresis elimina esta vibración, lo que hace que la transición del interruptor sea más suave. Como se ilustra en la Figura 3, un comparador histerético presenta diferentes umbrales para un aumento (por ejemplo, V _T + 100 mV) frente a una entrada descendente (por ejemplo, V _T - 100 mV). R _B escala la histéresis en el nivel del comparador y R _T a 200 mV × (R _B + R _T ) / R _B a nivel de oferta. Si el ruido o la caída en la entrada de suministro está por debajo de esta histéresis, se elimina la vibración. Hay formas de agregar o aumentar la histéresis si la proporcionada por el comparador está ausente o es insuficiente. Todos estos métodos utilizan retroalimentación positiva en la derivación del divisor; por ejemplo, una entrada de comparador ascendente salta más cuando se dispara el comparador. Por simplicidad, las siguientes ecuaciones asumen que no hay histéresis intrínseca en el comparador.

Figura 3. Adición de histéresis de umbral de bloqueo de subtensión con un resistor desde el grifo divisor a la salida del interruptor de alimentación. (Fuente:Analog Devices)

Resistencia desde el divisor hasta la salida (Figura 3):

Agregue una resistencia (R _H ) desde el grifo divisor (la entrada positiva del comparador) a la salida del interruptor de alimentación. Cuando el suministro comienza a aumentar desde 0 V, la entrada positiva del comparador está por debajo de V _T y la salida del comparador es baja, manteniendo el interruptor de encendido apagado. Suponga que la salida del interruptor está a 0 V debido a la carga del sistema. Por lo tanto, R _H está en paralelo con R _B para el cálculo del umbral de entrada. El umbral de subtensión de entrada ascendente es V _T × ((R _B || R _H ) + R _T ) / (R _B || R _H ), donde R _B || R _H =R _B × R _H / (R _B + R _H ). El interruptor se enciende por encima de este umbral, conectando el suministro al sistema. Para calcular el umbral de subtensión de entrada descendente, R _H está en paralelo con R _T ya que el interruptor está cerrado, dando el umbral de subtensión de entrada descendente como:V _T × (R _B + (R _T || R _H )) / R _B , donde R _T || R _H =R _T × R _H / (R _T + R _H ). Si el comparador en sí tuvo alguna histéresis, sustituya V _T con el umbral de comparación ascendente o descendente en las ecuaciones anteriores. Recuerde el ejemplo de la Figura 1, con V _T =1 V y R _T =10 × R _B , donde los umbrales ascendente y descendente son 11 V en ausencia de histéresis del comparador o R ​​ _H . Agregar una R _H =100 × R _B , como en la Figura 3, da un umbral de entrada ascendente de 11,1 V y un umbral descendente de 10,09 V; es decir, una histéresis de 1.01 V. Este método no funciona para OVLO porque una entrada ascendente apaga el interruptor de encendido, causando R _H para tirar de la entrada del comparador hacia abajo (que enciende el interruptor de nuevo) en lugar de hacia arriba.

Cambio de una resistencia (Figura 4):

Otro método de agregar histéresis es cambiar una resistencia que cambia el valor efectivo de la resistencia inferior. La resistencia conmutada puede estar en paralelo (Figura 4a) o en serie (Figura 4b). Considere la Figura 4a:cuando V _IN es baja, digamos, 0 V, la salida del comparador (nodo UV u OV) es alta, enciende el MOSFET M1 de canal N y conecta R _H en paralelo con R _B . Suponga que la resistencia activa de M1 es insignificante en comparación con R _H o está incluido en R _H Valor. El umbral de entrada ascendente es el mismo que en la Figura 3:V _T × ((R _B || R _H ) + R _T ) / (R _B || R _H ). Una vez que V _IN está por encima de este umbral, la salida del comparador es baja, apagando M1 y desconectando R _H desde el divisor. Por lo tanto, el umbral de entrada descendente es el mismo que en la Figura 1:V _T × (R _B + R _T ) / R _B . Continuando con nuestro ejemplo con V _T =1 V, R _T =10 × R _B y R _H =100 × R _B , el umbral de entrada ascendente es 11,1 V y el umbral descendente es 11 V; es decir, R _H produce una histéresis de 100 mV. Este y los siguientes métodos se pueden utilizar para el bloqueo por subtensión o sobretensión, ya que su propósito depende de cómo la salida del comparador enciende el interruptor de alimentación (no se muestra).

Figura 4. Adición de histéresis de umbral de bloqueo de sobretensión o subtensión con una (a) resistencia de derivación o corriente conmutada y (b) una resistencia en serie. (Fuente:Analog Devices)

La configuración de la Figura 4b da el umbral de entrada ascendente como V _T × (R _B + R _T ) / R _B y el umbral de entrada descendente como V _T × (R _B + R _H + R _T ) / (R _B + R _H ). R _H =R _B / 10 en la Figura 4, dando 11 V como el umbral de entrada ascendente y 10.091 V como el umbral descendente, es decir, 909 mV de histéresis. Esto muestra que la configuración de la Figura 4b necesita un R _H mucho más pequeño para producir una histéresis mucho mayor.

Cambio de corriente (figura 4a):

La resistencia R _H de la Figura 4a se puede reemplazar por una fuente de corriente I _H . Este método se utiliza en los controladores prioritarios LTC4417 y LTC4418. Cuando V _IN es baja, la salida alta del comparador habilita I _H . En el umbral de entrada ascendente, la entrada negativa del comparador está en V _T . Por lo tanto, la corriente en R _T ¿Soy _H + V _T / R _B , lo que arroja el umbral ascendente como V _T + (I _H + V _T / R _B ) × R _T =V _T × (R _B + R _T ) / R _B + I _H × R _T . Una vez que V _IN está por encima de este umbral, I _H se apaga por la salida baja del comparador. Por lo tanto, el umbral de caída es el mismo que en la Figura 1:V _T × (R _B + R _T ) / R _B , y la histéresis del umbral de entrada es I _H × R _T .

Corriente de sesgo del divisor resistivo

Las ecuaciones anteriores han asumido que la corriente de polarización de entrada de la entrada del comparador es cero, mientras que los ejemplos solo han considerado relaciones de resistencia en lugar de valores absolutos. Las entradas del comparador tienen voltaje de compensación de entrada (V _OS ), inexactitud de referencia (que se puede golpear con V _OS ) y polarización de entrada o corriente de fuga (I _LK ). La suposición de fuga cero funciona si la corriente de polarización del divisor, V _T / R _B en el punto de disparo de la Figura 1, es mucho mayor que la fuga de entrada. Por ejemplo, una corriente del divisor que es 100 veces la corriente de fuga de entrada mantiene el error de umbral de entrada causado por la fuga por debajo del 1%. Otro método consiste en comparar el error de umbral inducido por la fuga con el del voltaje de compensación. Las no ideales del comparador cambian la ecuación del umbral de subtensión de entrada de la Figura 1 para que sea:(V _T ± V _SO ) × (R _B + R _T ) / R _B ± I _LK × R _T (similar a la ecuación de corriente histéresica anterior), que se puede reescribir como (V _T ± V _SO ± I _LK × R _B × R _T / (R _B + R _T )) × (R _B + R _T ) / R _B . La fuga de entrada se muestra como un error en el voltaje de umbral del comparador y este error se puede minimizar en relación con el voltaje de compensación, es decir, I _LK × (R _B || R _T ) SO , mediante la selección adecuada de la resistencia.

Por ejemplo, el controlador de protección de subtensión y sobretensión LTC4367 tiene una fuga máxima de ± 10 nA para los pines UV y OV, mientras que el voltaje de compensación de umbral de 500 mV del comparador de pines UV / OV es ± 7,5 mV (± 1,5% de 500 mV). Presupuestar un error de umbral causado por una fuga de ± 3 mV (± 0,6% de 500 mV, o menos de la mitad de la compensación de 7,5 mV) da R _B || R _T <3 mV / 10 nA =300 kΩ. Para configurar un umbral de subtensión de entrada de 11 V con un umbral de comparación de 0,5 V se requiere R _T =R _B × 10,5 V / 0,5 V =21 × R _B . Por lo tanto, R _B || R _T =21 × R _B / 22 <300 kΩ, dando R _B <315,7 kΩ. El valor estándar del 1% más cercano para R _B es 309 kΩ, produciendo R _T a 6,49 MΩ. La corriente de polarización del divisor en el punto de disparo es 0,5 V / 309 kΩ =1,62 µA, que es 162 veces la corriente de fuga de 10 nA. Este tipo de análisis es importante cuando se minimiza la corriente del divisor sin aumentar el error de umbral debido a la corriente de fuga de entrada del comparador.

Conclusión

Los divisores resistivos permiten un fácil ajuste de los umbrales de bloqueo de subtensión y sobretensión de la fuente de alimentación con el mismo circuito de control basado en comparador. El ruido o la resistencia de la fuente requieren histéresis de umbral para evitar que el interruptor de encendido y apagado vibre cuando la fuente cruza el umbral. Se han mostrado algunos métodos diferentes para implementar histéresis de bloqueo por subtensión y sobretensión. El principio esencial es tener una retroalimentación positiva en el grifo divisor cuando el comparador se dispara. Al agregar o aumentar la histéresis de los circuitos integrados del controlador de protección, algunos métodos dependen de la disponibilidad de la salida del comparador o una señal similar en los pines de salida del circuito integrado. Al seleccionar valores de resistencia, se debe tener cuidado de que la fuga de entrada del comparador no se convierta en una fuente dominante de error de umbral. Se implementó un conjunto completo de ecuaciones relacionadas, incluidas las de este artículo, en una hoja de cálculo que está disponible para descargar.

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