원활한 저전압/과전압 차단을 위한 임계값 히스테리시스 추가

저항 분배기는 저전압 회로가 과구동되거나 손상되지 않고 수용할 수 있는 수준까지 고전압을 감쇠합니다. 전원 경로 제어 회로에서 저항성 분배기는 전원 공급 장치 저전압 및 과전압 잠금 임계값을 설정하는 데 도움이 됩니다. 이러한 공급 전압 검증 회로는 자동차 시스템, 배터리 구동식 휴대용 기기, 데이터 처리 및 통신 보드에서 볼 수 있습니다.

저전압 잠금(UVLO)은 다운스트림 전자 시스템이 비정상적으로 낮은 전원 공급 전압으로 작동하여 시스템 오작동을 일으킬 수 있는 것을 방지합니다. 예를 들어, 디지털 시스템은 공급 전압이 사양보다 낮을 때 비정상적으로 작동하거나 정지될 수도 있습니다. 전원 공급 장치가 충전식 배터리인 경우 저전압 잠금 기능은 심방전으로 인한 배터리 손상을 방지합니다. OVLO(과전압 차단)는 높은 공급 전압으로부터 시스템을 보호합니다. 저전압 및 과전압 임계값은 시스템의 유효한 작동 범위에 따라 달라지므로 저항성 분배기를 사용하여 동일한 제어 회로로 맞춤형 임계값을 설정합니다. 임계값 히스테리시스는 공급 노이즈 또는 저항이 있는 경우에도 원활하고 채터 없는 잠금 기능을 얻기 위해 필요합니다. 간단한 UVLO/OVLO 회로에 대해 논의한 후 이 기사에서는 기본값이 충분하지 않을 때 필요한 임계값 히스테리시스를 추가하는 몇 가지 간단한 방법을 제시합니다.

저전압 및 과전압 차단 회로

그림 1은 저전압 차단 회로(현재 히스테리시스 없음)를 보여줍니다. 양의 기준 전압(V_T ) 음의 입력에서. 비교기는 전원 공급 장치 입력과 다운스트림 전자 시스템 사이의 경로를 열거나 닫는 전원 스위치를 제어합니다. 비교기의 양의 입력은 입력의 저항 분배기에 연결됩니다. 전원이 켜지고 0V에서 상승하기 시작하면 비교기 출력은 처음에 낮고 전원 스위치는 꺼진 상태로 유지됩니다. 양의 입력이 V_T에 도달하면 비교기 출력이 트립됩니다. . 이 때 하단 저항의 전류는 V_T /R_B . R_T에 동일한 전류가 흐릅니다. 비교기에 입력 바이어스 전류가 없는 경우. 따라서 비교기가 트립될 때 공급 전압은 V_T + R_T × V_T /R_B =V_T × (R_B + R_T )/R_B . 이것은 저항성 분배기에 의해 설정된 공급 UVLO 임계값입니다. 예를 들어, V_T 1 V 및 R_T =10 × R_B 11V의 UVLO 임계값을 생성합니다. 이 임계값 아래에서 비교기 출력이 낮아 전원 스위치가 열립니다. 이 UVLO 임계값보다 높으면 스위치가 닫히고 전원이 공급되어 시스템에 전원이 공급됩니다. 임계값은 R_B 비율을 변경하여 쉽게 조정할 수 있습니다. 및 R_T . 절대 저항 값은 분배기에 할당된 바이어스 전류의 양으로 설정됩니다(나중에 자세히 설명). OVLO 임계값을 설정하려면 입력이 높을수록 비교기 출력이 낮아지고 스위치가 열리도록 비교기의 두 입력을 바꾸면 됩니다(예:그림 2의 아래쪽 비교기 참조).

그림 1. 저항성 분배기, 비교기 및 전원 스위치를 사용한 전원 공급 장치 저전압 잠금. (출처:Analog Devices)

이 기사의 초점은 아니지만 스위치는 N-채널 또는 P-채널 전력 MOSFET으로 구현할 수 있습니다. 이전 논의에서는 게이트 전압이 낮을 때(예:0V) 열리는(높은 저항) N-채널 MOSFET 스위치를 가정합니다. N-채널 MOSFET을 완전히 닫으려면(낮은 저항) 게이트 전압은 적어도 MOSFET 임계 전압만큼 공급 장치보다 높아야 하며 차지 펌프가 필요합니다. LTC4365, LTC4367 및 LTC4368과 같은 보호 컨트롤러는 비교기 및 차지 펌프를 통합하여 낮은 대기 전류를 소비하면서 N-채널 MOSFET을 구동합니다. P-채널 MOSFET은 차지 펌프가 필요하지 않지만 게이트 전압 극성은 반대입니다. 즉, 낮은 전압은 닫히고 높은 전압은 P-채널 MOSFET 스위치를 엽니다.

저항성 분배기로 돌아가기:3-저항 스트링은 저전압 및 과전압 잠금 임계값을 모두 설정하여(그림 2), 2개의 개별 2-저항 스트링을 사용하는 것과 비교하여 하나의 분배기의 바이어스 전류를 절약합니다. UVLO 임계값은 V_T입니다. × (R_B + R_M + R_T )/(R_B + R_M ) OVLO 임계값이 V_T인 동안 × (R_B + R_M + R_T )/R_B . AND 게이트는 두 비교기의 출력을 전원 스위치로 보내기 전에 결합합니다. 따라서 전원 스위치는 입력 전압이 저전압 임계값과 과전압 임계값 사이에 있을 때 시스템에 전원을 공급하기 위해 닫힙니다. 그렇지 않으면 스위치가 열려 시스템에서 공급이 차단됩니다. 분배기 전류 소비가 문제가 되지 않는 경우 별도의 저전압 및 과전압 분배기를 사용하여 각 임계값을 서로 독립적으로 조정할 수 있습니다.

그림 2. 단일 저항 분배기를 사용한 저전압 및 과전압 잠금. (출처:Analog Devices)

히스테리시스가 있는 저전압 및 과전압 잠금

그림 1에서 전원 공급 장치가 천천히 상승하고 노이즈가 있거나 전원 공급 장치에 부하 전류와 함께 전압을 떨어뜨리는 고유 저항(배터리와 같이)이 있는 경우 비교기의 출력은 입력으로 하이와 로우를 반복적으로 전환합니다. UVLO 임계값을 초과합니다. 비교기의 양수 입력이 V_T 위와 아래를 반복적으로 이동하기 때문입니다. 입력 노이즈로 인한 임계값 또는 공급 저항을 통한 부하 전류로 인한 강하. 배터리 구동 회로의 경우 이것은 끝없는 진동이 될 수 있습니다. 히스테리시스가 있는 비교기를 사용하면 이러한 채터가 제거되어 스위치 전환이 더 원활해집니다. 그림 3에서 볼 수 있듯이 히스테리시스 비교기는 상승에 대해 서로 다른 임계값을 나타냅니다(예:V_T + 100mV) 대 떨어지는 입력(예:V_T – 100mV). 비교기 수준의 히스테리시스는 R_B만큼 확대됩니다. 및 R_T ~ 200mV × (R_B + R_T )/R_B 공급 수준에서. 전원 입력에서의 노이즈 또는 드롭이 이 히스테리시스 미만이면 채터가 제거됩니다. 비교기에서 제공하는 히스테리시스가 없거나 충분하지 않은 경우 히스테리시스를 추가하거나 증가시키는 방법이 있습니다. 이러한 모든 방법은 분배기 탭에서 포지티브 피드백을 사용합니다. 예를 들어, 비교기가 트립될 때 상승하는 비교기 입력이 더 높게 점프합니다. 단순화를 위해 다음 방정식은 비교기에 고유한 히스테리시스가 없다고 가정합니다.

그림 3. 분배기 탭에서 전원 스위치 출력까지 저항을 사용하여 저전압 잠금 임계값 히스테리시스 추가. (출처:Analog Devices)

분배기에서 출력으로의 저항(그림 3):

저항 추가(R_H ) 분배기 탭(비교기의 양극 입력)에서 전원 스위치 출력으로. 전원이 0V에서 상승하기 시작하면 비교기의 양의 입력이 V_T 미만입니다. 비교기 출력이 낮아 전원 스위치를 끈 상태로 유지합니다. 시스템 부하로 인해 스위치 출력이 0V라고 가정합니다. 따라서 R_H R_B와 병렬입니다. 입력 임계값 계산용. 상승 입력 부족 전압 임계값은 V_T입니다. × ((R_B || R_H ) + R_T )/(R_B || R_H ), 여기서 R_B || R_H =R_B × R_H / (R_B + R_H ). 스위치는 이 임계값 이상에서 켜지고 공급 장치를 시스템에 연결합니다. 하강 입력 부족 전압 임계값을 계산하려면 R_H R_T와 병렬입니다. 스위치가 닫혀 있기 때문에 하강 입력 저전압 임계값을 V_T와 같이 제공합니다. × (R_B + (R_T || R_H ))/R_B , 여기서 R_T || R_H =R_T × R_H /(R_T + R_H ). 비교기 자체에 히스테리시스가 있는 경우 V_T로 대체하십시오. 이전 방정식의 상승 또는 하강 비교기 임계값으로. V_T가 있는 그림 1의 예를 생각해 보십시오. =1V 및 R_T =10 × R_B , 비교기 히스테리시스 또는 R_H가 없는 경우 상승 및 하강 임계값이 모두 11V인 경우 . R_H 추가 =100 × R_B , 그림 3에서와 같이 11.1V의 상승 입력 임계값과 10.09V의 하강 임계값을 제공합니다. 즉, 1.01V의 히스테리시스입니다. 상승 입력이 전원 스위치를 끄고 R_H를 유발하기 때문에 이 방법은 OVLO에서는 작동하지 않습니다. 비교기 입력을 높이지 않고 낮추기 위해(스위치를 다시 켭니다)

저항기 전환(그림 4):

히스테리시스를 추가하는 또 다른 방법은 하단 저항의 유효 값을 변경하는 저항을 전환하는 것입니다. 스위칭 저항은 병렬(그림 4a) 또는 직렬(그림 4b)일 수 있습니다. 그림 4a를 고려하십시오. V_IN일 때 낮음(예:0V) - 비교기의 출력(UV 또는 OV 노드)이 높고 N-채널 MOSFET M1을 켜고 R_H를 연결합니다. R_B와 병렬로 . M1의 온 저항이 R_H에 비해 무시할 수 있다고 가정합니다. 또는 R_H에 포함됩니다. 의 가치. 상승 입력 임계값은 그림 3과 동일합니다. V_T × ((R_B || R_H ) + R_T )/(R_B || R_H ). V_IN 한 번 이 임계값보다 높으면 비교기 출력이 낮아서 M1이 꺼지고 R_H 연결이 끊어집니다. 분배기에서. 따라서 하강 입력 임계값은 그림 1과 같습니다. V_T × (R_B + R_T )/R_B . V_T로 예제 계속하기 =1V, R_T =10 × R_B , 및 R_H =100 × R_B , 상승 입력 임계값은 11.1V이고 하강 임계값은 11V입니다. 즉, R_H 100mV의 히스테리시스를 생성합니다. 이 방법과 다음 방법은 비교기 출력이 전원 스위치(표시되지 않음)를 켜는 방법에 따라 목적이 달라지므로 저전압 또는 과전압 잠금에 사용할 수 있습니다.

그림 4. 스위칭된 (a) 션트 저항 또는 전류 및 (b) 직렬 저항을 사용하여 저전압 또는 과전압 잠금 임계값 히스테리시스 추가. (출처:Analog Devices)

그림 4b의 구성은 상승 입력 임계값을 V_T로 제공합니다. × (R_B + R_T )/R_B V_T로 떨어지는 입력 임계값 × (R_B + R_H + R_T )/(R_B + R_H ). R_H =R_B 그림 4에서 /10, 상승 입력 임계값으로 11V를 제공하고 하강 임계값으로 10.091V, 즉 909mV의 히스테리시스를 제공합니다. 이것은 그림 4b 구성이 훨씬 더 작은 R_H를 필요로 함을 보여줍니다. 훨씬 더 큰 히스테리시스를 생성합니다.

전류 전환(그림 4a):

저항 R_H 그림 4a의 전류 소스 I_H로 대체 가능 . 이 방법은 LTC4417 및 LTC4418 우선 순위 컨트롤러에서 사용됩니다. V_IN일 때 낮으면 비교기의 높은 출력이 I_H를 활성화합니다. . 상승 입력 임계값에서 비교기의 음의 입력은 V_T에 있습니다. . 따라서 R_T의 전류 나는_H입니까? + V_T /R_B , 상승 임계값을 V_T로 생성 + (I_H + V_T /R_B ) × R_T =V_T × (R_B + R_T )/R_B + 나_H × R_T . V_IN 한 번 이 임계값을 초과합니다. I_H 비교기의 낮은 출력에 의해 꺼집니다. 따라서 하강 임계값은 그림 1과 같습니다. V_T × (R_B + R_T )/R_B , 입력 임계값 히스테리시스는 I_H × R_T .

저항 분배기 바이어스 전류

이전 방정식은 비교기 입력의 입력 바이어스 전류가 0이라고 가정했지만 예제에서는 절대 값 대신 저항 비율만 고려했습니다. 비교기 입력에는 두 입력 오프셋 전압이 있습니다(V_OS ), 참조 부정확성(V_OS으로 곤봉될 수 있음) ), 입력 바이어스 또는 누설 전류(I_LK ). 제로 누설 가정은 분배기 바이어스 전류 V_T /R_B 그림 1의 트립 포인트에서 입력 누설보다 훨씬 큽니다. 예를 들어, 입력 누설 전류의 100배인 분배기 전류는 누설로 인한 입력 임계값 오류를 1% 미만으로 유지합니다. 또 다른 방법은 누설로 인한 임계값 오류를 오프셋 전압과 비교하는 것입니다. 비교기의 비이상성은 그림 1 입력 부족 전압 임계값 방정식을 다음과 같이 변경합니다. (V_T ± V_OS ) × (R_B + R_T )/R_B ± I_LK × R_T (이전 히스테리시스 전류 방정식과 유사), (V_T ± V_OS ± I_LK × R_B × R_T /(R_B + R_T )) × (R_B + R_T )/R_B . 입력 누설은 비교기의 문턱 전압의 오차로 나타나며 이 오차는 오프셋 전압, 즉 I_LK와 관련하여 최소화될 수 있습니다. × (R_B || R_T ) OS , 적절한 저항 선택에 의해.

예를 들어, LTC4367 저전압 및 과전압 보호 컨트롤러는 UV 및 OV 핀에 대해 ±10nA 최대 누설을 갖는 반면 UV/OV 핀 비교기의 500mV 임계값 오프셋 전압은 ±7.5mV(500mV의 ±1.5%)입니다. 임계값 오류로 인한 ±3 mV(500 mV의 ±0.6% 또는 7.5 mV 오프셋의 절반 미만) 누설을 예산화하면 R_B가 됩니다. || R_T <3mV/10nA =300kΩ. 0.5V 비교기 임계값으로 11V 입력 저전압 임계값을 설정하려면 R_T가 필요합니다. =R_B × 10.5V/0.5V =21 × R_B . 따라서 R_B || R_T =21 × R_B /22 <300kΩ, R_B 제공 <315.7kΩ. R_B에 대한 가장 가까운 1% 표준 값 R_T를 산출하는 309kΩ입니다. 6.49MΩ이 됩니다. 트립 지점의 분배기 바이어스 전류는 0.5V/309kΩ =1.62μA이며, 이는 10nA 누설 전류의 162배입니다. 이러한 종류의 분석은 비교기의 입력 누설 전류로 인한 임계값 오차를 증가시키지 않고 분배기 전류를 최소화할 때 중요합니다.

결론

저항 분배기를 사용하면 동일한 비교기 기반 제어 회로로 전원 공급 장치 저전압 및 과전압 잠금 임계값을 쉽게 조정할 수 있습니다. 전원 노이즈 또는 저항은 전원이 임계값을 넘을 때 전원 스위치 켜기 및 끄기 채터링을 방지하기 위해 임계값 히스테리시스가 필요합니다. 저전압 및 과전압 록아웃 히스테리시스를 구현하는 몇 가지 다른 방법이 나와 있습니다. 필수 원칙은 비교기가 트립될 때 분배기 탭에서 약간의 긍정적인 피드백을 갖는 것입니다. 보호 컨트롤러 IC의 히스테리시스를 추가하거나 증가시킬 때 일부 방법은 비교기 출력 또는 IC 출력 핀에서 유사한 신호의 가용성에 따라 달라집니다. 저항 값을 선택하는 동안 비교기의 입력 누설이 임계값 오류의 주요 원인이 되지 않도록 주의해야 합니다. 이 문서에 있는 것을 포함하여 관련 방정식의 포괄적인 세트는 다운로드할 수 있는 스프레드시트에 구현되었습니다.

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