电源的高侧和低侧开关之间的区别?

电器工程 开关 开关损耗
2022-01-14 13:55:33

高边和低边开关之间有什么真正的区别吗?

认为:

  • 切换是为了对对象进行开/关控制(我的案例 RPi)
  • 基极/栅极可驱动至 Vcc 和 GND
4个回答

当然是有区别的,否则就不会有两种不同名称的不同方法。

如果负载是浮动的,例如电机或螺线管,则高侧或低侧切换对负载没有影响。这是因为,根据浮动的定义,节点仅“看到”其上的差分电压,而不会对共模电压做出反应。

即使使用浮动负载,驱动电路的高侧和低侧开关的差异也可能很大。按照惯例,我们通常认为将驱动控制电路的电源的负极接地,然后电源为正极。由于接地是负极,我们可能需要与之交互的其他信号连接到世界其他地方将参考这个接地,然后控制电路也参考接地。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 轨和接地供电。

由于控制电路位于电源的低端(接地),驱动低端开关通常比驱动高端开关更容易。因此,对于一个不关心我们切换低端还是高端的浮动负载,我们通常会切换低端。

使用低压侧开关的另一个原因是负载的一侧已经连接到超出我们控制范围的正电源。我们唯一的选择是让负载的低端悬空以关闭负载,或将其接地以将其打开。一些负载可以方便地在一侧预先连接到电源,以简化整个系统的布线。

在某些情况下,负载确实很重要。如果负载有其他必须连接的接地参考信号,则通常需要将其接地节点保持接地。在这种情况下,无论您喜欢与否,都必须将正电源切换到负载。同样,这通常比驱动低侧开关更复杂,但并不过分,因此需要很长的时间才能避免。

当用低压侧控制电路切换低压侧时,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,但使用一个会带来两个问题:栅极必须在开关范围加上栅极开/关范围内转换,并且在开启时需要高于电源轨的电压。大多数时候都有驱动芯片可以处理这些事情,但仍然存在问题。

AP 通道 FET 更容易切换,因为对于大多数 FET 而言,栅极电压只需从电源电压降低到大约 10 V。PNP 晶体管可以更容易,因为您只需要从基极汲取一些电流即可将它们打开。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,必须为每个应用单独考虑权衡。

唯一真正的区别是地平面和可用的最大电流:

  • 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。
  • 由于 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,因此高侧开关将具有较低的最大电流限制。

对于隔离电路,高侧和低侧开关之间没有太大区别。对于更高的负载电流,低侧半导体开关(例如 NPN 晶体管和 N 沟道 MOSFET)的损耗通常低于其高侧等效物,因此是首选。

但是,如果电路通过自己的电源连接连接到外部设备,则会变得模糊。如果这些外部设备提供与电路电源相同的接地参考的连接,并且您将其切换进出,则外部设备将提供另一条接地路径,您的切换将无效,您最终可能会损坏某些东西一路上没有额定适当的电流。

同样,如果外部设备提供的 V+ 电源与您正在切换的电源以相同的地为参考,您最终可能会通过外部供电设备为正电压轨反向供电,这同样会产生不良结果。

选择一种切换类型的原因有很多。

如果您的电路/负载可以承受切换负载时产生的接地电流。通常低侧切换更容易且更便宜。

如果您的电路不能容忍这种情况(更敏感/更低电压处理器/逻辑的接地层干扰太大).. 最好使用高端方法切换负载,这允许负载的返回电流单独管理(通常更高的功率负载需要更高电压的电源轨..仍然与单独的返回路径共享公共“接地”电位)。

高端开关的另一个常见原因(由 Olin 提到)......负载最容易获得的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”(直流回路)。(此示例具有许多其他优点和风险)。