高端和低端电源切换之间的区别?


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高侧和低侧开关之间有什么真正的区别?

假设:

  • 开关用于对象的开/关控制(我的案例RPi)
  • 基极/栅极可驱动至Vcc和GND

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如果要在连接了IO引脚的情况下切换数字设备,则这些引脚可能会用作另一个接地,并且低端切换将不起作用。在这种情况下,您将需要高端开关或缓冲器。
geometrikal

Answers:


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唯一真正的区别是地平面和最大可用电流:

  • 低侧开关意味着两个子电路将具有不同的接地电平,因为开关元件将具有(小的)非零电压降。
  • 高侧开关将具有较低的最大电流限制,因为P型(高侧)开关元件通常比N型(低侧)开关元件具有更高的导通电阻。

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当然会有区别,否则不会有两种不同的方法使用不同的名称。

如果负载是浮动的,例如电动机或螺线管,则高端或低端开关对负载没有影响。这是因为,按照浮动的定义,该节点仅“看到”其两端的差分电压,而对共模电压没有反应。

即使在浮动负载下,高端和低端开关对驱动电路的差异也可能很大。按照惯例,我们通常认为接地是驱动控制电路的电源的负极,然后电源为正极。由于接地是负极,而我们可能需要与之交互的连接到世界其他地方的其他信号都将以该接地为参考,因此控制电路也将以接地为参考。例如,即使您正在驱动24 V螺线管,产生PWM脉冲的微控制器也将由3.3 V电源轨和地供电。

由于控制电路位于电源(地)的低端,因此驱动低端开关通常比驱动高侧开关容易。因此,在浮动负载中,不管我们切换低端还是高端,我们通常都切换低端。

使用低压侧开关的另一个原因是,负载的一侧已经连接到我们无法控制的正电源上。我们唯一的选择是使负载的低端悬空以关闭负载,或将其接地将其打开。将某些负载预先连接到一侧可以很方便,以简化整个系统的接线。

在某些情况下,负载确实很重要。如果负载还有其他必须参考的接地参考信号,则通常需要保持其接地节点接地。在这种情况下,无论您是否喜欢,都必须将正功率切换到负载。同样,这通常比驱动低压侧开关更复杂,但又不过分,因此需要较长的长度来避免。

当使用低侧控制电路切换低侧时,很明显,您想要使用NPN晶体管或N沟道FET。但是,对于高端开关,您必须考虑更多选择。N沟道FET通常具有更好的开关特性,但使用一个沟道存在两个问题:栅极必须在开关范围加上栅极导通/截止范围内进行压摆,并且在导通时需要高于电源轨的电压。有些驱动器芯片大多数时候都可以处理这些事情,但是仍然存在一些问题。

AP沟道FET更易于切换,因为对于大多数FET,栅极电压的范围只需从电源电压降低到大约10V。PNP晶体管甚至更容易,因为您只需从基极汲取一些电流即可将它们导通。但是,快速关闭它们可能是一个挑战。

因此,像往常一样,没有通用的答案,并且必须针对每个应用程序分别权衡取舍。


您可以将上拉电阻用于高端,并在Z / L(而不是H / L)之间切换
Alexander M

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@Alex:当然,有很多方法可以驱动高端开关,每种方法都有其自身的优缺点。上拉电阻关闭高侧开关的一个问题是,这会缓慢关闭它们。例如,对于诸如降压转换器之类的设备而言,这可能是一个严重的问题。
奥林·拉斯罗普

@AlexanderM:即使您忽略开关速度,也经常会在负载电压低于MOSFET可以承受的最大Vds(显然)但高于其可以承受的最大Vgs(这要低得多)的应用中使用MOSFET。例如20V在100V MOSFET上),在这种情况下,您不仅需要上拉电阻:books.google.com/books?id = FSpC6yNyNWcC&pg = PA297
Fizz,

此外,使用高端开关PNP时,您通常不得不担心其基准电压会升高(高),特别是当驱动器是逻辑级电路时jeelabs.org/2012/11/12/high-侧面切换
Fizz,2015年

@OlinLathrop,感谢您的精彩解释。如果我们确实使用低压侧开关进行直流电动机控制,那么电压反馈电路如何布置?在SCR驱动器中,我们采用V +和V-总线,并通过适当减小(隔离,差分放大,精密整流等)来获得电压反馈值。在这里,V +侧始终连接至全电源,并且由于我们的控制电路均以地为参考,因此电压反馈电路的+ ve端将显示全电压,而-ve将在低电压时显示-ve浮动电压。侧面开关关闭,对不对?该怎么办?
维沙尔

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对于隔离电路,高端和低端开关之间没有太大区别。对于更高的负载电流,低端半导体开关(例如NPN晶体管和N沟道MOSFET)的损耗通常比其高端等效开关的损耗小,因此是首选。

但是,如果电路通过自己的电源连接到外部设备,则会变得模糊。如果这些外部设备提供了与电路电源相同的接地参考,并且您将其切换到内部和外部,则外部设备将提供一条替代的接地路径,您的切换将无效,并且可能会损坏某些设备一路没有额定适当的电流。

同样,如果外部设备提供的V +电源与要切换的电源参考的地线相同,则最终可能会通过外部电源设备对正电压轨进行反向供电,这同样会产生不良结果。


仅在他是第一位的情况下接受了Ignacio的回答
Alexander M

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@Alex:如果我知道问问题后仅18分钟您就会接受任何答案,那么我就不会费心编写一个答案,更不用说进入某些背景了​​。对于您将来提出的问题,我会牢记在心。
奥林·拉斯罗普

抱歉,奥林。我应该说您的答案与Ignacio的答案非常相似。这也是为什么
Alexander M

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@AlexanderM:看起来和我不太相似。Olin涵盖了许多在实践中很重要的细节,而您接受的答案却完全忽略了这些细节。
嘶嘶声

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选择一种切换类型有很多原因。

如果您的电路/负载可以承受在切换负载时产生的接地电流。通常,低压侧切换更容易,更便宜。

如果您的电路不能忍受这一点(对较敏感/较低电压的处理器/逻辑电路的接地层有太多干扰)..最好使用高压侧方法来切换负载,则可以使负载的返回电流为单独管理(更高的功率负载通常需要更高的电压电源轨。仍然与单独的返回路径共享公共的“接地”电位)。

高压侧开关的另一个常见原因(由Olin提到)..最容易获得的负载返回电流路径是负电源轨。示例:汽车底盘用作继电器等的“接地”(DC返回路径)。(此示例具有许多其他优点和风险)。

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