172. Ключи: верхний и нижний, драйвер затвора, полумост и мёртвая пауза, плавный пуск, аналоговый ключ

Раздел 52 разобрал выбор ключа под нагрузку, обвязку затвора и реле, раздел 171 — сам полевой транзистор. Здесь — схемы вокруг него: как поставить ключ в плюсовой провод, зачем драйвер, что происходит в полумосте без мёртвой паузы, как не спалить ключ броском тока на ёмкостную нагрузку и чем аналоговый ключ отличается от силового.

Все числа ниже — модели ngspice с явно заданными параметрами транзисторов (N-канальный с логическим уровнем, P-канальный, биполярные для сдвига уровня).

Как это называется в документации

Оригинал	Перевод
low-side / high-side switch	нижний / верхний ключ
level shifter	сдвиг уровня
gate driver	драйвер затвора
totem-pole / push-pull output	двухтактный выход
half bridge	полумост
dead time	мёртвая пауза
shoot-through / cross conduction	сквозной ток
inrush current	пусковой ток
soft start / slew rate control	плавный пуск
load switch	ключ питания нагрузки
analog switch / transmission gate	аналоговый ключ
on-resistance flatness	разброс сопротивления по входному напряжению

172.1 Нижний ключ и верхний ключ

Нижний ключ — транзистор между нагрузкой и землёй: исток на земле, напряжение затвор-исток равно напряжению вывода МК, и всё просто. Минус — нагрузка постоянно под напряжением, коммутируется её «минус»; для питания модулей это не годится, а для мотора или лампы — сойдёт.

Верхний ключ — транзистор между питанием и нагрузкой: им отключают питание совсем. N-канальный здесь не откроется — его исток поднимается вслед за нагрузкой, и напряжения на затворе относительно истока не остаётся. Вариантов два: P-канальный, который открывается низким уровнем относительно питания, или N-канальный с вольтодобавкой.

172.2 Верхний P-ключ со сдвигом уровня

Питание 12 В, нагрузка 12 Ом, управление от вывода 3,3 В. Затвор P-канального подтянут к 12 В резистором 100 кОм; открывает его биполярный ключ снизу, притягивая затвор к земле:

Падение на открытом ключе — 57,9 мВ при 0,995 А, то есть сопротивление канала 58,2 мОм. Цена схемы — ток подтяжки 120 мкА, пока ключ открыт: 12 В на 100 кОм. Для устройства с батарейным питанием это много, и резистор берут больше — но тогда ключ медленнее закрывается: открывает его транзистор, быстро притягивая затвор к земле, а заряжает затвор обратно до питания только подтяжка. В модели открытие занимает 0,28 мкс при любом резисторе, а закрытие — 0,52 мс при 100 кОм и 5,2 мс при 1 МОм. Медленное закрытие — это долгий проход через линейную область с нагревом (раздел 52.3); если это важно, ставят активную подтяжку (второй транзистор) или драйвер.

⚠️ Предел напряжения затвор-исток смотрят в документации транзистора. У силовых он обычно ±20 В, а у малых в SOT-23 бывает ±12 В и даже ±8 В — тогда и в этой схеме на 12 В затвор, притянутый к 0,01 В, уже на пределе или за ним. Если питание близко к пределу или выше, затвор к земле напрямую не тянут: ставят делитель или стабилитрон между затвором и истоком — на напряжение с запасом ниже предела.

172.3 Драйвер затвора: зачем он нужен

Тот же N-канальный ключ на 12 Ом от 12 В, управляемый двумя способами: прямо от вывода 3,3 В через 470 Ом и через двухтактный повторитель на NPN и PNP от 5 В.

Разница в 19 раз по времени и в 8 раз по энергии. Драйвер не «мощнее» — он отдаёт большой ток на время фронта (раздел 52.2), а на плато Миллера (раздел 171.4) именно ток решает всё. Двухтактный повторитель из пары биполярных — самый дешёвый усилитель тока для затвора. Напряжение он не поднимает: выход повторяет вход минус 0,7 В (раздел 170.5), и в модели база от вывода 3,3 В даёт затвору около 2,8 В, хотя повторитель питается от 5 В. Когда затвору нужно 10 В, а у МК только 3,3 В, перед повторителем ставят сдвиг уровня (транзистор с подтяжкой, как в 172.2) или берут драйвер затвора со входом под логику 3,3 В.

172.4 Полумост: мёртвая пауза

Полумост — верхний и нижний ключи последовательно, нагрузка со средней точки. Если оба откроются одновременно даже на десятки наносекунд, питание окажется замкнутым на землю через два открытых канала. Модель: 12 В, нагрузка 12 Ом, фронты управления 20 нс.

Без паузы пик сквозного тока — 127 А: столько даёт замкнутая на себя пара N-канальных ключей, открытых на перекрытии фронтов: 12 В / 127 А ≈ 94,5 мОм на двоих. В среднем от питания уходит 1,13 А при нагрузке 0,61 А: лишние 0,52 А, то есть 6,3 Вт, греют транзисторы. С паузой 200 нс средний ток питания равен току нагрузки — сквозного тока нет.

Мёртвую паузу задаёт таймер МК (раздел 46.3) или сам драйвер полумоста. Она же — причина, по которой на время паузы ток нагрузки идёт через паразитные диоды (раздел 171.6).

172.5 Плавный пуск на ёмкостную нагрузку

Ключ питания включает модуль, у которого на входе 100 мкФ. Пока конденсатор пустой, он ведёт себя как короткое замыкание. Тот же верхний P-ключ от 5 В, разница — только в ёмкости на затворе:

Энергия, которую рассеивает ключ, одна и та же — C · U² / 2 = 1,25 мДж (раздел 166.3). Но в первом случае она выделяется за 0,05 мс — средняя мощность 23,6 Вт, а во втором за 0,80 мс — 1,6 Вт. Медленное открытие растягивает нагрев во времени и снижает пик тока, который иначе просаживает питание и роняет соседние модули.

172.6 Аналоговый ключ: сопротивление зависит от сигнала

Силовой ключ коммутирует питание, аналоговый — сигнал, и у него другая беда: сопротивление канала зависит от напряжения на сигнале, потому что от него зависит напряжение затвор-исток. Питание 3,3 В, через ключ течёт 1 мА:

Одиночный N-канальный ключ закрывается у верхней шины (890 Ом), одиночный P-канальный — у нижней (655 Ом). Поэтому аналоговый ключ и мультиплексор внутри — это пара N и P параллельно: там, где один слабеет, второй открыт. У пары сопротивление 16,8…20,6 Ом во всём диапазоне, максимум — 20,6 Ом при 0,71 В, где P-канальный ещё только открывается.

Что из этого следует на плате: сопротивление ключа складывается с сопротивлением источника и вместе с ёмкостью входа АЦП образует RC-цепочку (раздел 50.6), а его зависимость от сигнала — это нелинейность, то есть искажение измерения.

172.7 Грабли

N-канальный ключ в плюсовом проводе не открывается. Исток поднялся за нагрузкой; нужен P-канальный или вольтодобавка.

Верхний P-ключ сгорел при питании 24 В. Затвор притянули к земле: напряжение затвор-исток выше предельных ±20 В — делитель или стабилитрон.

Малый P-ключ в SOT-23 сгорел уже при 12 В. Его предел затвор-исток — ±12 или ±8 В, а затвор притянули к земле.

Батарейное устройство ест лишние сотни микроампер. Подтяжка затвора верхнего ключа: 12 В на 100 кОм — 120 мкА, пока ключ открыт.

Транзисторы полумоста греются, хотя нагрузка мала. Нет мёртвой паузы: сквозной ток в пике 127 А и лишние 6,3 Вт в среднем.

Питание просаживается при включении модуля. Пусковой ток на ёмкостную нагрузку: 15,2 А вместо 3,34 — нужен плавный пуск.

Показания АЦП через аналоговый ключ «плывут» по шкале. Сопротивление одиночного ключа зависит от сигнала: 18 Ом у одной шины и 890 Ом у другой.

172.8 Итоги

• Верхний P-ключ со сдвигом уровня: падение 57,9 мВ при 0,995 А — 58,2 мОм, но подтяжка затвора ест 120 мкА, пока ключ открыт.
• Двухтактный драйвер вместо 470 Ом: полное открытие за 59 нс вместо 1141 нс, энергия за то же окно 0,18 против 1,46 мкДж.
• Полумост без мёртвой паузы: пик сквозного тока 127 А, лишние 0,52 А — 6,3 Вт; пауза 200 нс убирает его полностью.
• Плавный пуск на 100 мкФ: пик 3,34 А вместо 15,2 А; энергия та же 1,25 мДж, но средняя мощность 1,6 Вт вместо 23,6 Вт.
• Аналоговый ключ: одиночные N и P дают 890 и 655 Ом у «своих» шин, пара параллельно — 16,8…20,6 Ом во всём диапазоне.

Дальше: раздел 173 «Защита питания и входов».