Améliorer la fiabilité de l'alimentation : Ajout d'hystérésis au verrouillage sous/sur-tension

Les diviseurs résistifs atténuent les hautes tensions à un niveau que les circuits basse tension peuvent accepter sans être surchargés ou endommagés. Dans les circuits de contrôle de chemin d'alimentation, les diviseurs résistifs aident à définir les seuils de verrouillage sous-tension (UVLO) et sur-tension (OVLO) 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 sous-tension (UVLO) empêche le système électronique en aval de fonctionner avec des tensions d'alimentation anormalement basses, ce qui pourrait causer un dysfonctionnement du système. Par exemple, les systèmes numériques peuvent se comporter de manière erratique ou même geler lorsque leur tension d'alimentation est en dessous des spécifications. Lorsque l'alimentation est une batterie rechargeable, le verrouillage sous-tension empêche les dommages à la batterie dus à une décharge profonde. Le verrouillage sur-tension (OVLO) protège le système des tensions d'alimentation dommageablement élevées. Puisque les seuils de sous-tension et sur-tension dépendent de la plage de fonctionnement valide du système, les diviseurs résistifs sont utilisés pour définir des seuils personnalisés avec le même circuit de contrôle. L'hystérésis de seuil est nécessaire pour obtenir une fonction de verrouillage lisse et sans cliquetis même en présence de bruit d'alimentation ou de résistance. Après avoir discuté un circuit UVLO/OVLO simple, cet article présentera quelques méthodes simples pour ajouter de l'hystérésis de seuil, nécessaire lorsque la valeur par défaut est insuffisante.

Circuit de verrouillage sous-tension et sur-tension

La Figure 1 montre un circuit de verrouillage sous-tension (sans hystérésis pour l'instant). Il comporte un comparateur avec une tension de référence positive (V_T) à son entrée négative. Le comparateur contrôle 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 depuis l'entrée. Si l'alimentation est activée et commence à monter depuis 0 V, la sortie du comparateur est initialement basse, maintenant l'interrupteur d'alimentation éteint. La sortie du comparateur bascule lorsque son entrée positive atteint V_T. À ce moment, le courant dans la résistance du bas est V_T/R_B. Le même courant circule dans R_T si le comparateur n'a pas de courant de biais d'entrée. Par conséquent, la tension d'alimentation lorsque le comparateur bascule est V_T + R_T × V_T/R_B = V_T × (R_B + R_T)/R_B. C'est le seuil UVLO d'alimentation défini 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 traverse 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 biais budgétée pour le diviseur (plus sur ce point plus tard). Pour définir un seuil OVLO, il suffit d'inverser les deux entrées du comparateur (par exemple, voir le comparateur inférieur dans la Figure 2) de sorte qu'une entrée montante force la sortie du comparateur basse et ouvre l'interrupteur.

Figure 1. Verrouillage sous-tension d'alimentation utilisant un diviseur résistif, comparateur et interrupteur d'alimentation. (Source : Analog Devices)

Bien que ce ne soit pas le sujet de cet article, l'interrupteur peut être implémenté avec un MOSFET de puissance N-channel ou P-channel. La discussion précédente suppose un interrupteur MOSFET N-channel qui s'ouvre (haute résistance) lorsque sa tension de grille est basse (par exemple, 0 V). Pour fermer complètement (faible résistance) un MOSFET N-channel, 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 comparateurs et pompes de charge pour piloter des MOSFET N-channel tout en consommant un faible courant de repos. Les MOSFET P-channel n'ont pas besoin de pompe de charge mais la polarité de la tension de grille est inversée ; c'est-à-dire qu'une tension basse ferme tandis qu'une tension haute ouvre un interrupteur MOSFET P-channel.

Revenant aux diviseurs résistifs : une chaîne de 3 résistances définit à la fois les seuils de verrouillage sous-tension et sur-tension (Figure 2), économisant le courant de biais d'un diviseur par rapport à l'utilisation de deux chaînes de 2 résistances séparées. Le seuil UVLO est V_T × (R_B + R_M + R_T)/(R_B + R_M) tandis 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 entre les seuils de sous-tension et sur-tension ; sinon, l'interrupteur est ouvert, déconnectant l'alimentation du système. Si la consommation de courant du diviseur n'est pas un problème, des diviseurs séparés pour sous-tension et sur-tension offrent plus de flexibilité pour ajuster chaque seuil indépendamment de l'autre.

Figure 2. Verrouillage sous-tension et sur-tension utilisant un diviseur résistif unique. (Source : Analog Devices)

Verrouillage sous-tension et sur-tension avec hystérésis

Dans la Figure 1, si l'alimentation monte lentement et a du bruit ou si l'alimentation a une résistance inhérente (comme dans une batterie) qui cause une chute de tension avec le courant de charge, la sortie du comparateur basculera haut et bas répétitivement alors que l'entrée franchit son seuil UVLO. C'est parce que l'entrée positive du comparateur passe répétitivement au-dessus et au-dessous du seuil V_T en raison du bruit d'entrée ou de 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 cliquetis, rendant la transition de l'interrupteur plus lisse. Comme illustré dans la Figure 3, un comparateur hystérétique présente des seuils différents pour une entrée montante (par exemple, V_T + 100 mV) vs. une entrée descendante (par exemple, V_T – 100 mV). L'hystérésis au niveau du comparateur est amplifiée par R_B et R_T à 200 mV × (R_B + R_T)/R_B au niveau de l'alimentation. Si le bruit ou la chute à l'entrée d'alimentation est en dessous de cette hystérésis, le cliquetis 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 au point de dérivation du diviseur — par exemple, une entrée montante du comparateur saute plus haut lorsque le comparateur bascule. Pour simplifier, les équations suivantes supposent aucune hystérésis intrinsèque dans le comparateur.

Figure 3. Ajout d'hystérésis au seuil de verrouillage sous-tension avec une résistance du point de dérivation du diviseur vers la sortie de l'interrupteur d'alimentation. (Source : Analog Devices)

Résistance du diviseur vers la sortie (Figure 3) :

Ajoutez une résistance (R_H) du point de dérivation du diviseur (l'entrée positive du comparateur) vers la sortie de l'interrupteur d'alimentation. Lorsque l'alimentation commence à monter depuis 0 V, l'entrée positive du comparateur est en dessous de V_T et la sortie du comparateur est basse, maintenant l'interrupteur d'alimentation éteint. Supposons que la sortie de l'interrupteur soit à 0 V en raison de la charge du système. Ainsi, 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 descendant, R_H est en parallèle avec R_T puisque l'interrupteur est fermé, donnant le seuil de sous-tension d'entrée descendant 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 de l'hystérésis, substituez V_T avec le seuil montant ou descendant du comparateur dans les équations précédentes. Rappelons l'exemple de la Figure 1, avec V_T = 1 V et R_T = 10 × R_B, où les seuils montant et descendant sont tous deux 11 V en l'absence d'hystérésis du comparateur ou de R_H. L'ajout d'un R_H = 100 × R_B, comme dans la Figure 3, donne un seuil d'entrée montant de 11,1 V et un seuil descendant de 10,09 V ; soit une hystérésis de 1,01 V. Cette méthode ne fonctionne pas pour OVLO car une entrée montante éteint l'interrupteur d'alimentation, faisant tirer l'entrée du comparateur plus bas par R_H (ce qui rallume l'interrupteur) au lieu de plus haut.

Commutation d'une résistance (Figure 4) :

Une autre méthode pour ajouter de l'hystérésis est de commuter une résistance qui change la valeur effective de la résistance du bas. La résistance commutée peut être en parallèle (Figure 4a) ou en série (Figure 4b). Considérez la Figure 4a : lorsque V_IN est bas — disons 0 V — la sortie du comparateur (nœud UV ou OV) est haute, allumant le MOSFET N-channel M1 et connectant R_H en parallèle avec R_B. Supposons que la résistance d'allumage de M1 soit soit négligeable comparée à R_H soit incluse dans la valeur de R_H. Le seuil d'entrée montant est le même que dans la Figure 3 : V_T × ((R_B || R_H) + R_T)/(R_B || R_H). Une fois V_IN au-dessus de ce seuil, la sortie du comparateur est basse, éteignant 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. Continuant notre exemple avec V_T = 1 V, R_T = 10 × R_B, et R_H = 100 × R_B, le seuil d'entrée montant est 11,1 V et le seuil descendant est 11 V ; soit R_H produisant une hystérésis de 100 mV. Cette méthode et les suivantes peuvent être utilisées pour le verrouillage sous-tension ou sur-tension car leur but dépend de la façon dont la sortie du comparateur allume l'interrupteur d'alimentation (non montré).

Figure 4. Ajout d'hystérésis au seuil de verrouillage sous-tension ou sur-tension avec une résistance (a) shunt commutée ou courant et (b) une résistance série. (Source : Analog Devices)

La configuration de la Figure 4b donne le seuil d'entrée montant comme V_T × (R_B + R_T)/R_B et le seuil d'entrée descendant comme V_T × (R_B + R_H + R_T)/(R_B + R_H). R_H = R_B/10 dans la Figure 4, donnant 11 V comme seuil d'entrée montant et 10,091 V comme seuil descendant — soit 909 mV d'hystérésis. Cela montre que la configuration Figure 4b nécessite un R_H beaucoup plus petit pour produire une hystérésis beaucoup plus grande.

Commutation d'un courant (Figure 4a) :

La résistance R_H de la Figure 4a peut être remplacée par une source de courant I_H. Cette méthode est utilisée dans les contrôleurs à priorité LTC4417 et LTC4418. Lorsque V_IN est bas, la sortie haute 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 montant 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 au-dessus de ce seuil, I_H est éteint par la sortie basse du comparateur. Par conséquent, le seuil descendant 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.

Courant de biais du diviseur résistif

Les équations précédentes ont supposé que le courant de biais d'entrée du comparateur est nul alors que les exemples n'ont considéré que les rapports de résistance au lieu des valeurs absolues. Les entrées de comparateur ont à la fois une tension de décalage d'entrée (V_OS), une inexactitude de référence (qui peut être regroupée avec V_OS), et un courant de biais ou de fuite d'entrée (I_LK). L'hypothèse de fuite nulle fonctionne si le courant de biais du diviseur, V_T/R_B au point de basculement de la Figure 1, est beaucoup plus grand que la fuite d'entrée. Par exemple, un courant de diviseur 100 fois le courant de fuite d'entrée maintient l'erreur de seuil causée par la fuite 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 changent 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 précédente du courant hystérétique), ce qui peut être réécrit 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) < V_OS, par une sélection appropriée des résistances.

Comme exemple, le contrôleur de protection sous-tension et sur-tension LTC4367 a une fuite maximale de ±10 nA pour les broches UV et OV tandis que le comparateur de seuil 500 mV UV/OV a une tension de décalage de ±7,5 mV (±1,5 % de 500 mV). Budgétiser une erreur de seuil causée par la 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 définir un seuil de sous-tension d'entrée de 11 V avec un seuil de comparateur de 0,5 V nécessite 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 1 % la plus proche pour R_B est 309 kΩ, donnant R_T à 6,49 MΩ. Le courant de biais du diviseur au point de basculement est 0,5 V/309 kΩ = 1,62 µA, soit 162 fois le courant de fuite de 10 nA. Ce type d'analyse est important lors de la minimisation du courant du diviseur sans augmenter l'erreur de seuil due au courant de fuite d'entrée du comparateur.

Conclusion

Les diviseurs résistifs permettent un ajustement facile des seuils de verrouillage sous-tension et sur-tension de l'alimentation avec le même circuit de contrôle basé sur comparateur. Le bruit d'alimentation ou la résistance nécessite une hystérésis de seuil pour empêcher le cliquetis de l'interrupteur d'alimentation alors que l'alimentation franchit le seuil. Quelques méthodes différentes pour implémenter l'hystérésis de verrouillage sous-tension et sur-tension ont été montrées. Le principe essentiel est d'avoir une rétroaction positive au point de dérivation du diviseur lorsque le comparateur bascule. Lors de l'ajout ou de l'augmentation de l'hystérésis des IC de contrôleur de protection, certaines méthodes dépendent de la disponibilité de la sortie du comparateur ou d'un signal similaire aux broches de sortie de l'IC. Lors du choix des valeurs de résistance, il faut 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 un tableur disponible en téléchargement.

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Pinkesh Sachdev est ingénieur applications senior pour la gestion de systèmes d'alimentation chez Analog Devices. Il a reçu son diplôme B.Tech. de l'Institut indien de technologie, Mumbai, Inde, et son M.S. de l'Université Stanford, tous deux en génie électrique. Il peut être contacté à pinkesh.sachdev@analog.com.

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