系統電力循環用的高側 MOSFET 輸入開關選項

電力循環是確保電子應用不中斷運作的關鍵要角，對部署在偏遠地區且由電池供電的應用來說尤其重要。斷開並重新連接電源供應器的動作，可讓系統在持續無活動或系統當機後而沒有反應時，達到系統重置。有個有效且廣為使用的電力循環作法就是使用監控電路的低態動作輸出來驅動高側 MOSFET 輸入開關。

電壓監測器或監控電路可針對其邏輯位準輸出提供兩種選項：低態動作和高態動作輸出訊號。這適用於推挽式輸出拓撲或帶有上拉電阻的開汲極輸出拓撲。

• 在低態動作下，當滿足輸入條件時，輸出會進入低位，當輸入條件未滿足時，輸出則變高位
• 在高態動作下，當滿足輸入條件時，輸出會進入高位，當輸入條件未滿足時，輸出則變低位

監控電路會以追蹤電壓供應或使用監控設備計時器來偵測非活動狀態的方式，或同時採用兩種方式，來監測系統的活動。當這些保護措施偵測到問題時，電力循環會開啟，然後關閉電源供應器和下游系統之間的路徑，進而導致微控制器單元 (MCU) 進入重置流程。電路高側的輸入開關 (圖 1) 可用來控制下游電子系統的電源。

然而，挑選正確的元件並解決電力循環過程中可能產生的潛在難題 (例如發熱和切換雜訊) 至關重要。

圖 1：此應用電路使用高側開關來保護下游電子系統，以免在暫時低壓情況下出錯。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

然而，挑選正確的元件並解決電力循環過程中可能產生的潛在難題 (例如發熱和切換雜訊) 至關重要。

高側電源開關

電力循環可用於多種應用，以提高系統可靠性並減輕潛在損害，包括無線收發器、醫療裝置、智慧家庭裝置、電源供應器和消費性電子產品。

金屬氧化物半導體場效電晶體 (MOSFET) 具有低導通電阻、高切換速度和高輸入阻抗，因此廣泛用於電力循環。

監控電路的輸出可以控制 MOSFET 的閘極，因此可有效開啟或關閉，達到電力循環。此方法能讓系統重置並從無反應狀態中恢復，進而確保達到最佳系統可靠性。

採用此作法的開發人員可以選擇使用 N 通道或 P 通道 MOSFET，但許多人偏好 P 通道作法，因為其開啟和關閉所需的條件和電路，不像 N 通道 MOSFET 那樣複雜。

對於 P 通道 MOSFET，閘極電壓必須低於源極電壓才能導通，而對於 N 通道 MOSFET，閘極電壓必須高於源極電壓才能導通。

當 N 通道 MOSFET 當作高側輸入開關使用時，低閘極電壓會導致開關開路並斷開電源。雖然 N 通道 MOSFET 通常提供更好的效率和效能，但在此情況下，需要額外的電路 (如電荷幫浦) 來產生正閘極源極電壓 (V_GS)，以確保開關完全重新連接電源。

使用 P 通道 MOSFET 時就不需要額外的電路，因為 P 通道 MOSFET 可以透過負 V_GS 導通，因此可簡化應用設計，但代價是導通電阻較高且效率較低。

實作 P 通道高側開關

採用 P 通道作法時，用於控制 MOSFET 的閘極源極電壓，至少必須比電源的柵極源極臨界電壓 V_GS(th) 還低，以便電流從源極流向汲極。另一個考量因素是確保汲極和源極 (V_DS) 之間的電壓在指定的範圍內工作，以確保裝置不會受損。

當低態動作監控電路的輸出連接到 P 通道 MOSFET 的閘極時，若超過指定臨界值，OUT 引腳會將閘極拉低，進而啟動從電源電壓到負載的連接。當電壓降至臨界值以下時，OUT 引腳會拉高，P 通道 MOSFET 就會關閉，將負載從電源斷開。

開發人員可以將裝置的 OUT 引腳直接連接到 P 通道 MOSFET 的閘極，就可打造非常有效的過壓保護電路。這個穩健的作法採用 P 通道 MOSFET 當作接至 Analog Devices, Inc. MAX16052 電源管理 IC (圖 2) 的高側開關，藉此確保負載連接到電源電壓。

圖 2：P 通道 MOSFET 當作過壓保護用的高側開關。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

當開汲極 OUT 引腳處於高阻抗狀態時，受監控電壓和 P 通道 MOSFET 閘極之間的外部上拉電阻，會讓閘極保持高位。當受監測的電壓超過臨界值時，OUT 引腳會進入高阻抗狀態，因此會關閉 P 通道 MOSFET 並將負載從電源電壓斷開。相反地，當受監測電壓低於臨界值時，OUT 引腳則會將閘極引腳拉低。

MAX16052 搭配 ADI 的 MAX16053，就可構成一套具有時序控制功能的小型、低功率、高電壓監測電路，且兩者均採用緊湊的 6 引腳 SOT23 封裝。MAX16052 可提供高態動作開汲極輸出，而 MAX16053 則提供高態動作推挽輸出。兩者皆可針對低至 0.5 V 的輸入提供可調電壓監測，並使用具有內部固定 0.5 V 臨界值的高阻抗輸入 (IN) 來執行電壓監測。

使用監控設備計時器

在輸出訊號處於低位，且符合監測條件的情況下，監控設備計時器 (WDT) 可以增強監控電路的保護能力。在這些情況下，監控設備計時器可以在一段時間內 [即監控設備逾時 (t_WD)] 偵測是否缺乏脈衝或轉換，並可啟動微控制器重置或是啟動電力循環。

ADI 的 MAX16155 nanoPower 監控器具有監控設備計時器，當正電源電壓 (V_CC) 超過最小工作電壓時 (即使其小於重置臨界值)，就會啟動重置輸出。使用兩個 WDT 的應用 (圖 3) 可在無活動 32 秒後啟用微控制器緩重置，並在無活動 128 秒後啟用系統電力循環。

圖 3：在此配置中，監控設備計時器 1 會啟動緩重置，而監控設備計時器 2 會啟動系統電力循環。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

驅動 P 通道高側開關的一個作法是使用 NPN 雙極性接面電晶體 (BJT) 當作逆變器，將來自監控設備輸出的低位訊號 (會關閉 NPN 電晶體) 轉換成高位訊號，即可透過上拉電阻器關閉 P 通道 MOSFET。(圖 4)。當系統無活動時，監控設備輸出 (WDO) 處於高位，透過電阻將訊號發送到 NPN 電晶體的基極，就可將其開啟。

圖 4：NPN 雙極性接面電晶體 (Q1) 驅動 P 通道 MOSFET (Q2)。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

連接到 MOSFET 閘極和源極的電阻分壓器可用來控制 V_GS。當 NPN 電晶體導通時，會將電阻分壓器拉低，讓閘極電壓低於源極電壓，進而導通 P 通道 MOSFET 以供電給系統。

如果微處理器無回應或無法在 MAX16155 監控設備計時器的預先指定逾時期限內發送輸入脈衝，就會發生監控設備逾時事件，導致 WDO 引腳處於低位準。此操作會將 NPN 的基極拉至接地，將其關閉。當 NPN 電晶體關閉時，P 通道 MOSFET 的閘極和源極電壓會相同，進而關閉 MOSFET 並切斷微處理器的電源。

一旦監控設備計時器的 WDO 輸出返回高位，系統就會恢復正常操作。微處理器接著會向 WDI 引腳發送一般脈衝，避免進一步逾時。NPN 電晶體會導通，讓高側 MOSFET 維持導通，並確保持續供電給微處理器。

雙極性接面電晶體的低成本是 P 通道高側開關的一項設計優勢，但需要藉助額外的外部元件 (如電阻) 進行適當的調整。

使用 N 通道 MOSFET 的驅動電路

與雙極性電晶體相比，使用 N 通道 MOSFET 來控制高側 P 通道 MOSFET 具有幾項優勢。

N 通道 MOSFET 具有低導通電阻，可降低功率損耗並提高效率。還可以快速切換，進而縮短系統反應時間。具有較低的切換損耗，並且可以在更高的頻率下工作，因此是電池供電式裝置等節能型應用的理想選擇。此外，閘極驅動的要求比 BJT 的要求要低，因此可簡化驅動電路並減少元件數量。

監控設備輸出可以直接控制 N 通道 MOSFET 的閘極。WDO 的上拉電壓必須與 MOSFET 的閘極臨界值電壓 (V_GS(th)) 匹配才能正常運作。當系統有活動時，高位 WDO 訊號會開啟 N 通道 MOSFET (圖 5 中的 Q1)，然後開啟 P 通道 MOSFET (圖 5 中的 Q2)，以便供電給系統。在系統無活動時，低位 WDO 訊號會關閉 Q1，進而關閉 Q2，造成電源切斷。

圖 5：一個 N 通道 MOSFET (Q1) 驅動一個 P 通道 MOSFET (Q2)。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

結論

無論使用 N 通道或 P 通道 MOSFET 來驅動高側開關，都是可靠的系統電力循環作法。P 通道作法會搭配 NPN 雙極性電晶體和額外的元件，屬於較低成本的作法，而成本更高的 N 通道作法則較適合用於高頻切換。開發人員的設計偏好和應用要求將會決定最佳作法為何。