Ajout d'hystérésis de seuil pour un verrouillage en douceur des sous-tensions/surtensions

Les diviseurs résistifs atténuent les hautes tensions jusqu'à un niveau que les circuits basse tension peuvent supporter sans être surchargés ou endommagés. Dans les circuits de contrôle du chemin d'alimentation, les diviseurs résistifs aident à configurer les seuils de verrouillage de sous-tension et de surtension de l'alimentation. De tels circuits de qualification de tension d'alimentation se trouvent dans les systèmes automobiles, les instruments portables alimentés par batterie et les cartes de traitement de données et de communication.

Le verrouillage de sous-tension (UVLO) empêche le système électronique en aval de fonctionner avec des tensions d'alimentation anormalement basses, ce qui pourrait entraîner un dysfonctionnement du système. Par exemple, les systèmes numériques peuvent se comporter de manière erratique ou même se bloquer lorsque leur tension d'alimentation est inférieure aux spécifications. Lorsque l'alimentation est une batterie rechargeable, le verrouillage de sous-tension empêche les dommages de la batterie dus à une décharge profonde. Le verrouillage de surtension (OVLO) protège le système des tensions d'alimentation trop élevées. Étant donné que les seuils de sous-tension et de surtension dépendent de la plage de fonctionnement valide du système, des diviseurs résistifs sont utilisés pour configurer des seuils personnalisés avec le même circuit de commande. L'hystérésis de seuil est nécessaire pour obtenir une fonction de verrouillage fluide et sans vibration, même en présence de bruit d'alimentation ou de résistance. Après avoir discuté d'un simple circuit UVLO/OVLO, cet article présentera quelques méthodes simples pour ajouter un seuil d'hystérésis, ce qui est nécessaire lorsque la valeur par défaut est insuffisante.

Circuit de verrouillage de sous-tension et de surtension

La figure 1 montre un circuit de verrouillage de sous-tension (sans hystérésis pour l'instant). Il dispose d'un comparateur avec une tension de référence positive (V_T ) à son entrée négative. Le comparateur commande un interrupteur d'alimentation qui ouvre ou ferme le chemin entre l'entrée d'alimentation et le système électronique en aval. L'entrée positive du comparateur se connecte à un diviseur résistif de l'entrée. Si l'alimentation est allumée et commence à augmenter à partir de 0 V, la sortie du comparateur est initialement basse, gardant l'interrupteur d'alimentation éteint. La sortie du comparateur déclenche lorsque son entrée positive atteint V_T . A ce moment, le courant dans la résistance inférieure est V_T /R_B . Le même courant circule dans R_T si le comparateur n'a pas de courant de polarisation d'entrée. Par conséquent, la tension d'alimentation lorsque le comparateur déclenche est V_T + R_T × V_T /R_B =V_T × (R_B + R_T )/R_B . C'est le seuil UVLO d'alimentation mis en place par le diviseur résistif. Par exemple, un V_T de 1 V et R_T =10 × R_B donne un seuil UVLO de 11 V. En dessous de ce seuil, la sortie du comparateur est basse, ouvrant l'interrupteur d'alimentation; au-dessus de ce seuil UVLO, l'interrupteur est fermé et l'alimentation circule pour alimenter le système. Le seuil peut être facilement ajusté en changeant le rapport de R_B et R_T . La valeur absolue de la résistance est définie par la quantité de courant de polarisation budgétisée pour le diviseur (nous en parlerons plus tard). Pour configurer un seuil OVLO, il suffit d'intervertir les deux entrées du comparateur (par exemple, voir le comparateur inférieur de la figure 2) de telle sorte qu'une entrée haute force la sortie du comparateur bas et ouvre le commutateur.

Figure 1. Blocage de sous-tension d'alimentation à l'aide d'un diviseur résistif, d'un comparateur et d'un interrupteur d'alimentation. (Source :Appareils analogiques)

Bien que n'étant pas l'objet de cet article, le commutateur peut être implémenté avec un MOSFET de puissance à canal N ou P. La discussion précédente suppose un commutateur MOSFET à canal N qui s'ouvre (résistance élevée) lorsque sa tension de grille est faible (par exemple, 0 V). Pour fermer complètement (faible résistance) un MOSFET à canal N, la tension de grille doit être supérieure à l'alimentation d'au moins la tension de seuil du MOSFET, nécessitant une pompe de charge. Les contrôleurs de protection tels que LTC4365, LTC4367 et LTC4368 intègrent des comparateurs et des pompes de charge pour piloter les MOSFET à canal N tout en consommant un faible courant de repos. Les MOSFET à canal P ne nécessitent pas de pompe de charge, mais la polarité de la tension de grille est inversée ; c'est-à-dire qu'une basse tension se ferme alors qu'une haute tension ouvre un commutateur MOSFET à canal P.

Revenons aux diviseurs résistifs :une chaîne de 3 résistances définit à la fois les seuils de verrouillage de sous-tension et de surtension (Figure 2), économisant ainsi le courant de polarisation d'un diviseur par rapport à l'utilisation de deux chaînes séparées de 2 résistances. Le seuil UVLO est V_T × (R_B + R_M + R_T )/(R_B + R_M ) alors que le seuil OVLO est V_T × (R_B + R_M + R_T )/R_B . Une porte ET combine la sortie des deux comparateurs avant de l'envoyer à l'interrupteur d'alimentation. Par conséquent, l'interrupteur d'alimentation se ferme pour alimenter le système lorsque la tension d'entrée est comprise entre les seuils de sous-tension et de surtension ; sinon, l'interrupteur est ouvert, coupant l'alimentation du système. Si la consommation de courant du diviseur n'est pas un problème, des diviseurs de sous-tension et de surtension séparés offrent plus de flexibilité pour ajuster chaque seuil indépendamment l'un de l'autre.

Figure 2. Verrouillage de sous-tension et de surtension à l'aide d'un seul diviseur résistif. (Source :Appareils analogiques)

Verrouillage de sous-tension et de surtension avec hystérésis

Dans la figure 1, si l'alimentation augmente lentement et a du bruit ou si l'alimentation a une résistance inhérente (comme dans une batterie) qui fait chuter la tension avec le courant de charge, la sortie du comparateur passera en haut et en bas à plusieurs reprises comme l'entrée franchit son seuil UVLO. C'est parce que l'entrée positive du comparateur va à plusieurs reprises au-dessus et au-dessous du V_T seuil dû au bruit d'entrée ou à la chute due au courant de charge à travers la résistance d'alimentation. Pour les circuits alimentés par batterie, cela peut être une oscillation sans fin. L'utilisation d'un comparateur avec hystérésis élimine ce broutage, rendant la transition de commutation plus douce. Comme illustré sur la figure 3, un comparateur hystérétique présente différents seuils pour une montée (par exemple, V_T + 100 mV) par rapport à une entrée descendante (par exemple, V_T – 100mV). L'hystérésis au niveau du comparateur est augmentée par R_B et R_T à 200 mV × (R_B + R_T )/R_B au niveau de l'offre. Si le bruit ou la chute à l'entrée d'alimentation est inférieur à cette hystérésis, le broutage est éliminé. Il existe des moyens d'ajouter ou d'augmenter l'hystérésis si celle fournie par le comparateur est soit absente soit insuffisante. Toutes ces méthodes utilisent une rétroaction positive à la prise du diviseur - par exemple, une entrée de comparateur montante saute plus haut lorsque le comparateur se déclenche. Par souci de simplicité, les équations suivantes supposent qu'il n'y a pas d'hystérésis intrinsèque dans le comparateur.

Figure 3. Ajout d'une hystérésis de seuil de verrouillage de sous-tension avec une résistance de la prise du diviseur à la sortie de l'interrupteur d'alimentation. (Source :Appareils analogiques)

Résistance du diviseur à la sortie (Figure 3) :

Ajouter une résistance (R_H ) de la prise du diviseur (l'entrée positive du comparateur) à la sortie de l'interrupteur d'alimentation. Lorsque l'alimentation commence à monter de 0 V, l'entrée positive du comparateur est inférieure à V_T et la sortie du comparateur est faible, gardant l'interrupteur d'alimentation éteint. Supposons que la sortie du commutateur soit à 0 V en raison de la charge du système. Par conséquent, R_H est en parallèle avec R_B pour le calcul du seuil d'entrée. Le seuil de sous-tension d'entrée montant est V_T × ((R_B || R_H ) + R_T )/(R_B || R_H ), où R_B || R_H =R_B × R_H / (R_B + R_H ). L'interrupteur s'allume au-dessus de ce seuil, connectant l'alimentation au système. Pour calculer le seuil de sous-tension d'entrée décroissant, R_H est en parallèle avec R_T puisque l'interrupteur est fermé, donnant le seuil de sous-tension d'entrée décroissant comme :V_T × (R_B + (R_T || R_H ))/R_B , où R_T || R_H =R_T × R_H /(R_T + R_H ). Si le comparateur lui-même avait une certaine hystérésis, remplacez V_T avec le seuil du comparateur montant ou descendant dans les équations précédentes. Rappelez-vous l'exemple de la figure 1, avec V_T =1 V et R_T =10 × R_B , où les deux seuils montant et descendant sont de 11 V en l'absence d'hystérésis du comparateur ou de R_H . Ajout d'un R_H =100 × R_B , comme sur la figure 3, donne un seuil d'entrée montant de 11,1 V et un seuil descendant de 10,09 V; c'est-à-dire une hystérésis de 1,01 V. Cette méthode ne fonctionne pas pour OVLO car une entrée montante éteint l'interrupteur d'alimentation, provoquant R_H pour tirer l'entrée du comparateur plus bas (ce qui rallume l'interrupteur) au lieu de plus haut.

Commutation dans une résistance (Figure 4) :

Une autre méthode d'ajout d'hystérésis consiste à insérer une résistance qui modifie la valeur effective de la résistance inférieure. La résistance commutée peut être en parallèle (figure 4a) ou en série (figure 4b). Considérez la figure 4a :lorsque V_IN est faible, disons 0 V, la sortie du comparateur (nœud UV ou OV) est élevée, ce qui active le MOSFET M1 à canal N et connecte R_H en parallèle avec R_B . Supposons que la résistance à l'état passant de M1 soit négligeable par rapport à R_H ou est inclus dans R_H valeur. Le seuil d'entrée montant est le même que sur la figure 3 :V_T × ((R_B || R_H ) + R_T )/(R_B || R_H ). Une fois V_IN est au-dessus de ce seuil, la sortie du comparateur est basse, désactivant M1 et déconnectant R_H du diviseur. Par conséquent, le seuil d'entrée descendant est le même que dans la figure 1 :V_T × (R_B + R_T )/R_B . Continuons notre exemple avec V_T =1 V, R_T =10 × R_B , et R_H =100 × R_B , le seuil d'entrée montant est de 11,1 V et le seuil descendant est de 11 V; c'est-à-dire R_H donne une hystérésis de 100 mV. Cette méthode et les suivantes peuvent être utilisées pour le verrouillage de sous-tension ou de surtension, car leur objectif dépend de la façon dont la sortie du comparateur active l'interrupteur d'alimentation (non illustré).

Figure 4. Ajout d'une hystérésis de seuil de verrouillage de sous-tension ou de surtension avec une (a) résistance shunt ou courant commuté et (b) une résistance série. (Source :Appareils analogiques)

La configuration de la figure 4b donne le seuil d'entrée croissant comme V_T × (R_B + R_T )/R_B et le seuil d'entrée décroissant comme V_T × (R_B + R_H + R_T )/(R_B + R_H ). R_H =R_B /10 sur la figure 4, donnant 11 V comme seuil d'entrée montant et 10,091 V comme seuil descendant, c'est-à-dire 909 mV d'hystérésis. Cela montre que la configuration de la figure 4b a besoin d'un R_H beaucoup plus petit pour produire une hystérésis beaucoup plus grande.

Commutation dans un courant (Figure 4a) :

La résistance R_H de la figure 4a peut être remplacé par une source de courant I_H . Cette méthode est utilisée dans les contrôleurs prioritaires LTC4417 et LTC4418. Lorsque V_IN est faible, la sortie élevée du comparateur active I_H . Au seuil d'entrée montant, l'entrée négative du comparateur est à V_T . Par conséquent, le courant dans R_T est I_H + V_T /R_B , donnant le seuil croissant comme V_T + (I_H + V_T /R_B ) × R_T =V_T × (R_B + R_T )/R_B + I_H × R_T . Une fois V_IN est au-dessus de ce seuil, I_H est éteint par la faible sortie du comparateur. Par conséquent, le seuil de chute est le même que dans la figure 1 :V_T × (R_B + R_T )/R_B , et l'hystérésis du seuil d'entrée est I_H × R_T .

Resistive Divider Bias Current

Les équations précédentes ont supposé que le courant de polarisation d'entrée de l'entrée du comparateur est nul, tandis que les exemples n'ont pris en compte que les rapports de résistance au lieu des valeurs absolues. Les entrées du comparateur ont à la fois une tension de décalage d'entrée (V_OS ), inexactitude de référence (qui peut être matraquée avec V_OS ), et la polarisation d'entrée ou le courant de fuite (I_LK ). L'hypothèse de fuite nulle fonctionne si le courant de polarisation du diviseur, V_T /R_B au point de déclenchement de la figure 1, est beaucoup plus grande que la fuite d'entrée. Par exemple, un courant de diviseur 100 fois supérieur au courant de fuite d'entrée maintient l'erreur de seuil d'entrée causée par les fuites en dessous de 1 %. Une autre méthode consiste à comparer l'erreur de seuil induite par la fuite à celle de la tension de décalage. Les non-idéalités du comparateur modifient l'équation du seuil de sous-tension d'entrée de la figure 1 en :(V_T ± V_OS ) × (R_B + R_T )/R_B ± I_LK × R_T (similaire à l'équation de courant hystérétique précédente), qui peut être réécrite comme (V_T ± V_OS ± I_LK × R_B × R_T /(R_B + R_T )) × (R_B + R_T )/R_B . La fuite d'entrée apparaît comme une erreur dans la tension de seuil du comparateur et cette erreur peut être minimisée par rapport à la tension de décalage, c'est-à-dire I_LK × (R_B || R_T ) OS , par une sélection de résistance appropriée.

À titre d'exemple, le contrôleur de protection contre les sous-tensions et les surtensions LTC4367 a une fuite maximale de ±10 nA pour les broches UV et OV tandis que la tension de décalage de seuil de 500 mV du comparateur de broches UV/OV est de ±7,5 mV (±1,5 % de 500 mV). La budgétisation d'une erreur de seuil provoquée par une fuite de ±3 mV (±0,6% de 500 mV, ou moins de la moitié du décalage de 7,5 mV) donne R_B || R_T <3 mV/10 nA =300 kΩ. Pour configurer un seuil de sous-tension d'entrée de 11 V avec un seuil de comparateur de 0,5 V, il faut R_T =R_B × 10,5 V/0,5 V =21 × R_B . Par conséquent, R_B || R_T =21 × R_B /22 <300 kΩ, donnant R_B <315,7 kΩ. La valeur standard de 1 % la plus proche pour R_B est de 309 kΩ, ce qui donne R_T être de 6,49 MΩ. Le courant de polarisation du diviseur au point de déclenchement est de 0,5 V/309 kΩ =1,62 µA, soit 162 fois le courant de fuite de 10 nA. Ce type d'analyse est important pour minimiser le courant du diviseur sans augmenter l'erreur de seuil due au courant de fuite d'entrée du comparateur.

Conclusion

Les diviseurs résistifs permettent un réglage facile des seuils de verrouillage de sous-tension et de surtension d'alimentation avec le même circuit de commande basé sur un comparateur. Le bruit ou la résistance de l'alimentation nécessite une hystérésis de seuil pour éviter les vibrations de la mise sous tension et hors tension lorsque l'alimentation franchit le seuil. Quelques méthodes différentes pour mettre en œuvre l'hystérésis de verrouillage de sous-tension et de surtension ont été présentées. Le principe essentiel est d'avoir un retour positif au niveau du robinet diviseur lors du déclenchement du comparateur. Lors de l'ajout ou de l'augmentation de l'hystérésis des circuits intégrés du contrôleur de protection, certaines méthodes dépendent de la disponibilité de la sortie du comparateur ou d'un signal similaire sur les broches de sortie du circuit intégré. Lors de la sélection des valeurs de résistance, il convient de veiller à ce que la fuite d'entrée du comparateur ne devienne pas une source dominante d'erreur de seuil. Un ensemble complet d'équations connexes, y compris celles de cet article, a été implémenté dans une feuille de calcul téléchargeable.

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Pinkesh Sachdev est un ingénieur d'applications senior pour la gestion des systèmes d'alimentation chez Analog Devices. Il a reçu son B.Tech. diplôme de l'Indian Institute of Technology, Mumbai, Inde, et son M.S. diplôme de l'Université de Stanford, tous deux en génie électrique. Il peut être contacté à [email protected].

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