Differenza tra commutazione di potenza alta e bassa?


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C'è qualche reale differenza tra commutazione high-side e low-side?

Assumere:

  • La commutazione è per il controllo on / off di un oggetto (My case RPi)
  • Base / Gate può essere guidato su Vcc e GND

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Se si commuta un dispositivo digitale con pin IO collegati, questi pin potrebbero agire come un'altra terra e la commutazione lato basso non funzionerà. In questo caso avrai bisogno di switch o buffer lato alto.
geometrikal,

Risposte:


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Le uniche differenze reali sono il livello del suolo e la corrente massima disponibile:

  • La commutazione lato basso significa che i due circuiti secondari avranno livelli di terra diversi poiché l'elemento di commutazione avrà una (piccola) caduta di tensione diversa da zero.
  • La commutazione lato alto avrà un limite di corrente massima inferiore poiché gli elementi di commutazione di tipo P (lato alto) di solito hanno una resistenza di resistenza superiore rispetto agli elementi di commutazione di tipo N (lato inferiore).

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Naturalmente c'è una differenza, altrimenti non ci sarebbero due metodi diversi con nomi diversi.

Se il carico fluttua, come ad esempio un motore o un solenoide, la commutazione lato alto o basso non fa differenza per il carico. Questo perché, per definizione di floating, il nodo "vede" solo la tensione differenziale che attraversa e non reagisce alla tensione di modo comune.

Anche con un carico flottante, le differenze rispetto al circuito di pilotaggio per la commutazione lato alto contro lato basso possono essere significative. Per convenzione, di solito consideriamo a terra il lato negativo dell'alimentatore che guida i circuiti di controllo, con l'alimentazione quindi positiva. Poiché la terra è il lato negativo e altri segnali con cui potremmo aver bisogno di interagire con quelli che si collegano al resto del mondo verranno referenziati a questa terra, i circuiti di controllo verranno anch'essi referenziati a terra. Ad esempio, anche se stai guidando un solenoide da 24 V, il microcontrollore che produce gli impulsi PWM sarà alimentato da una guida da 3,3 V e da terra.

Poiché i circuiti di controllo sono posizionati sul lato inferiore dell'alimentazione (terra), guidare gli interruttori laterali bassi è di solito più facile che azionare gli interruttori laterali alti. Pertanto, con un carico fluttuante a cui non importa se cambiamo il lato basso o alto, di solito commutiamo il lato basso.

Un altro motivo per utilizzare un interruttore laterale basso è quando un lato del carico è già collegato all'alimentazione positiva al di fuori del nostro controllo. L'unica scelta che abbiamo è quella di lasciare il lato inferiore del carico flottante per spegnere il carico o collegarlo a terra per accenderlo. Può essere conveniente che alcuni carichi siano pre-collegati all'alimentazione su un lato per semplificare il cablaggio generale del sistema.

In alcuni casi il carico si preoccupa. Se il carico ha altri segnali con riferimento a terra a cui deve connettersi, di solito è necessario mantenere il suo nodo di terra collegato a terra. In tal caso, devi commutare la potenza positiva sul carico, che ti piaccia o no. Ancora una volta, questo di solito è più complicato rispetto alla guida di un interruttore laterale basso, ma non eccessivamente, quindi richiede lunghezze da evitare.

Quando si commuta la parte bassa con i circuiti di controllo della parte bassa, è abbastanza ovvio che si desidera utilizzare un transistor NPN o FET canale N. Tuttavia, con un interruttore laterale alto devi considerare più opzioni. I FET a canale N generalmente hanno caratteristiche migliori come interruttori, ma l'utilizzo di uno presenta due problemi: il gate deve oscillare sulla gamma di commutazione più la gamma on / off della porta e ha bisogno di una tensione sopra la barra di alimentazione quando è acceso. Ci sono chip driver che possono richiedere queste cose la maggior parte del tempo, ma ci sono ancora problemi.

Il FET del canale AP è più facile da cambiare poiché la tensione del gate deve variare dalla tensione di alimentazione a circa 10 V in meno per la maggior parte dei FET. I transistor PNP possono essere ancora più semplici poiché devi solo estrarre un po 'di corrente dalla base per accenderli. Tuttavia, disattivarli rapidamente può essere una sfida.

Quindi, come al solito, non esiste una risposta universale e i compromessi devono essere considerati separatamente per ogni applicazione.


Puoi usare i pull-up per il lato alto e passare da Z / L invece a H / L
Alexander M

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@Alex: Certo, ci sono molti modi per guidare gli interruttori laterali alti, ognuno con il proprio set di vantaggi e svantaggi. Un problema con i pullup per disattivare gli interruttori laterali alti è che ciò li spegne lentamente. Questo può essere un problema serio per qualcosa come un convertitore buck, per esempio.
Olin Lathrop,

@AlexanderM: Anche se ignori la velocità di commutazione, abbastanza spesso utilizzerai un MOSFET in un'app in cui la tensione di carico è inferiore ai Vds massimi che il MOSFET può prendere (ovviamente) ma al di sopra dei Vgs massimi può richiedere (che è molto più basso, ad es. 20 V su un MOSFET da 100 V), nel qual caso hai bisogno di qualcosa di più del semplice resistore pull-up: books.google.com/books?id=FSpC6yNyNWcC&pg=PA297
Fizz

Inoltre, con un PNP di commutazione high-side spesso devi preoccuparti della (alta) tensione alla quale la sua base verrà elevata, specialmente quando il driver è un circuito a livello logico jeelabs.org/2012/11/12/high- side-switching
Fizz,

@OlinLathrop, grazie per la meravigliosa spiegazione. Se utilizziamo un interruttore laterale basso per il controllo del motore a corrente continua, come è organizzato il circuito di feedback della tensione? In un azionamento SCR, prendiamo i bus V + e V- e otteniamo il valore di feedback della tensione riducendo in modo appropriato (isolato, amplificato in modo differenziato, rettificato con precisione, ecc.). Qui, il lato V + è sempre collegato alla piena alimentazione e poiché i nostri circuiti di controllo sono riferiti a terra, + ve fine del circuito di feedback della tensione mostrerà piena tensione, mentre -ve mostrerà una certa tensione fluttuante quando il basso l'interruttore laterale è OFF, giusto? Cosa fare?
Vishal,

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Per un circuito isolato, no non c'è grande differenza tra commutazione high e low-side. Per correnti di carico più elevate, gli interruttori a semiconduttore lato basso (ad esempio transistor NPN e MOSFET a canale N) sono spesso meno dispersivi rispetto ai loro equivalenti lato alto, e quindi sono preferiti.

Tuttavia, se il circuito è collegato a dispositivi esterni con i propri collegamenti di alimentazione, questo diventa sfocato. Se questi dispositivi esterni forniscono una connessione allo stesso riferimento di terra dell'alimentazione del circuito e si attiva e disattiva questa opzione, i dispositivi esterni forniranno un percorso alternativo verso terra, la commutazione sarà inefficace e si potrebbe finire per danneggiare qualcosa non valutato per la corrente appropriata lungo la strada.

Allo stesso modo, se i dispositivi esterni forniscono un'alimentazione V + che fa riferimento alla stessa terra dell'alimentazione che si sta commutando, è possibile finire per alimentare nuovamente la rotaia di tensione positiva tramite i dispositivi alimentati esternamente, sempre con risultati indesiderati.


Accettò la risposta di Ignacio solo perché era il primo
Alexander M

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@Alex: Se avessi saputo che avresti accettato una risposta solo 18 minuti dopo aver posto la domanda, non mi sarei preso la briga di scriverne una, figuriamoci andare in un contesto. Lo terrò a mente per le domande future che farai.
Olin Lathrop,

Mi dispiace, Olin. Avrei dovuto dire che le tue risposte erano molto simili a quelle di Ignacio. Questo era anche il motivo per cui
Alexander M

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@AlexanderM: non sembra così simile a me. Olin ha coperto molti dettagli che contano in pratica, che sono stati completamente ignorati nella risposta che hai accettato.
Fizz,

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Esistono numerosi motivi per scegliere un tipo di passaggio rispetto all'altro.

Se il tuo circuito / carico è in grado di tollerare le correnti di terra create quando si commuta il carico .. in genere la commutazione laterale bassa è più semplice ed economica.

Se il tuo circuito non può tollerarlo (troppi disturbi nel piano di massa del processore / logica più sensibile / a bassa tensione) .. è meglio commutare il carico usando metodi high side, questo consente alla corrente di ritorno del carico di essere gestite separatamente (spesso carichi di potenza più elevati richiedono una barra di alimentazione a tensione più elevata .. condividono ancora un potenziale comune di "terra" con percorsi di ritorno separati).

L'altro motivo comune per la commutazione lato alto (menzionato da Olin). Il percorso della corrente di ritorno più facilmente disponibile per il carico è la barra di alimentazione negativa. Esempio: telaio automobilistico utilizzato come "massa" (percorso di ritorno CC) per un relè / ecc. (Questo esempio presenta numerosi vantaggi e rischi aggiuntivi).

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