Транзисторная схема отключения нагрузки для микроконтроллеров

Журнал РАДИОЛОЦМАН, декабрь 2013

Didier Juges

EDN

Очень многие устройства на микроконтроллерах предназначены для управления питанием таких силовых устройств, как, например, электродвигатели или пускатели. Обычно для этого используются биполярные транзисторы или MOSFET, которыми управляет микроконтроллер, возможно, через дополнительную схему сдвига уровней.

Подобным схемам управления питанием, основанным на микроконтроллерах, присущ один потенциальный недостаток. Если управляемое устройство неисправно или функционирует неправильно, перегружая источник питания системы, напряжение питания микроконтроллера может снизиться до критического уровня, вызвав его перезагрузку. Типичное состояние по умолчанию, в которое процессор переходит после перезагрузки, как правило, одно – отключение питания управляемого устройства. Таким образом создается иллюзия того, что все заработало снова, но это лишь до тех пор, пока на устройство снова не поступит питание.

Подобный механизм самоустранения неисправности, как правило, усложняет процедуры поиска и устранения неполадок в системе. Избежать такой ситуации можно, позаботившись о постоянном питании микроконтроллера, чтобы, с одной стороны, упростить выявление неисправностей, а с другой, защитить управляемое устройство от чрезмерных токов.

Типичное решение этой задачи заключается в использовании одной из специализированных микросхем, разработанных для горячего подключения (называемых контроллерами горячей замены). Из всех распространенных микросхем такого назначения можно выделить драйвер верхнего плеча с интегрированной схемой защиты LT1910, выпускаемый компанией Linear Technology. Микросхемы интересны широким диапазоном напряжений питания (не только 3 В или 5 В), функцией автоматического перезапуска и наличием вывода управления. Тем не менее, по мнению автора, есть несколько причин отказаться от их использования:

• микросхемы питаются от одного источника;
• приборы недешевы;
• количество необходимых внешних компонентов достаточно велико;
• для управления микросхемой и контроля ее статуса (определения момента возникновения неисправности) потребуются две линии ввода/вывода микроконтроллера (хотя LT1910 может быть настроена на использование только одной).

Рисунок 1.	Принципиальная схема выключателя нагрузки для микроконтроллеров, созданная в симуляторе LT Spice.

Автор разработал свою транзисторную схему выключателя нагрузки, обладающую рядом преимуществ. В схеме используются два биполярных транзистора, один P-канальный MOSFET и несколько пассивных элементов. На схеме, созданной в симуляторе LT Spice, указаны номиналы элементов для напряжения питания 12 В, максимального тока нагрузки 700 мА и логического интерфейса для микроконтроллера с 5 В логическими уровнями (Рисунок 1). Для других напряжений питания или логических уровней достаточно изменить сопротивления резисторов R4 и R8, а настроить схему на другой ток нагрузки можно заменой резистора R1. (Обратите внимание, что компоненты V2, D1, R6 и R7 предназначены для моделирования нагрузки в симуляторе и не являются частью реальной схемы).

Основным недостатком предлагаемой схемы по сравнению с интегральным контроллером горячей замены является относительно большое падение напряжения на резисторе датчика тока R1, которое при токе, равном порогу отключения, составляет примерно 0.7 В. Еще один недостаток – непостоянство порога отключения. Объясняется это температурной зависимостью напряжения VBE транзистора Q1, которое изменяется с крутизной 1.8 мВ/К (0.25%/К). Если для вашего приложения это несущественно, то такая схема будет оптимальным решением благодаря ее дешевизне и гибкости, а также широкой доступности компонентов.

Преимуществом перед большинством интегральных решений является однопроводный интерфейс управления и контроля статуса (вывод Ctrl_Status). После включения схемы микроконтроллер настраивает вывод Ctrl_Status на вход и периодически проверяет его состояние, чтобы убедиться, что выключатель нагрузки не сработал.

Схема работает следующим образом. Линия Ctrl_Status подключается к порту ввода/вывода любого микроконтроллера. Если вы не хотите, чтобы контролируемая нагрузка включалась автоматически при подаче питания, сделайте так, чтобы в начальный момент на этой линии был установлен высокий логический уровень. «Лог. 1» на линии Ctrl_Status гарантирует, что транзисторы Q1 и Q2 будут включены, и потенциал затвора M1 будет близок к потенциалу стока, удерживая MOSFET закрытым во время подачи питания.

Для включения схемы и подачи напряжения питания на нагрузку микроконтроллер на короткое, но достаточное для разряда конденсатора C1 время устанавливает на линии Ctrl_Status уровень «лог. 0», а затем настраивает линию ввода/вывода как вход (состояние высокого импеданса). Импульс низкого логического уровня выключает транзистор Q2, который, в свою очередь, выключает транзистор Q1, в результате чего затвор транзистора M1 оказывается подключенным к «земле», и MOSFET включается, оставаясь открытым все время, пока вывод Ctrl_Status удерживается в высокоимпедансном состоянии, а транзисторы Q1/Q2, соответственно, выключены.

При возникновении перегрузки по току транзистор Q1 включается, открывая транзистор Q2. Оба транзистора Q1/Q1 будут удерживать друг друга во включенном состоянии (а MOSFET в выключенном) до тех пор, пока на выводе Ctrl_Status снова не появится низкий логический уровень.

В случаях, когда в нагрузке используются фильтрующие конденсаторы, во время подачи на нее питания выходной ток на мгновение может превысить пороговое значение срабатывания схемы. Для предотвращения таких паразитных явлений необходимо только увеличить длительность импульса низкого уровня на выводе Ctrl_Status. Пока на этом выводе присутствует низкий уровень, транзистор Q1 будет удерживать MOSFET в режиме ограничения тока, а Q1 не сможет его закрыть. Использование режима ограничения позволит избежать больших скачков тока в источнике питания.

Конденсатор C1 обеспечивает дополнительную фильтрацию в случаях, когда нагрузка в обычном режиме создает короткие импульсы токовых помех. В момент появления таких импульсов транзистор Q1 ограничит ток, но схема не отключит нагрузку, если длительность импульсной помехи не превысит время, определяемое конденсатором C1.

Выходные данные симулятора LT Spice позволяют продемонстрировать работу схемы (Рисунок 2). Вы видите, что потребляемый нагрузкой ток I(R6) нарастает, и при значении около 750 мА выходное напряжение падает до нуля.

Рисунок 2.	Результат работы схемы выключателя нагрузки в симуляторе LT Spice.

Схема хорошо зарекомендовала себя в различных проектах автора.