Unterschied zwischen High- und Low-Side-Umschaltung der Leistung?

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Gibt es einen wirklichen Unterschied zwischen High- und Low-Side-Switching?

Annehmen:

  • Das Schalten dient zum Ein- und Ausschalten eines Objekts (My Case RPi)
  • Base / Gate kann auf Vcc und GND geschaltet werden
Alexander M
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Wenn Sie ein digitales Gerät mit angeschlossenen E / A-Pins schalten, fungieren diese Pins möglicherweise als andere Masse, und die Low-Side-Schaltung funktioniert nicht. In diesem Fall benötigen Sie High-Side-Switching oder Puffer.
geometrikal

Antworten:

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Die einzigen wirklichen Unterschiede sind das Bodenniveau und der maximal verfügbare Strom:

  • Low-Side-Schalten bedeutet, dass die beiden Teilschaltungen unterschiedliche Massepegel aufweisen, da das Schaltelement einen (kleinen) Spannungsabfall ungleich Null aufweist.
  • Das High-Side-Schalten hat eine niedrigere maximale Stromgrenze, da P-Schaltelemente (High-Side-Schaltelemente) normalerweise einen höheren Einschaltwiderstand haben als N-Schaltelemente (Low-Side-Schaltelemente).
Ignacio Vazquez-Abrams
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Natürlich gibt es einen Unterschied, sonst gäbe es keine zwei unterschiedlichen Methoden mit unterschiedlichen Namen.

Wenn die Last schwimmt, wie zum Beispiel ein Motor oder ein Elektromagnet, spielt das Schalten auf der High- oder Low-Seite keine Rolle für die Last. Das liegt daran, dass der Knoten per Definition von Floating nur die Differenzspannung über ihm "sieht" und nicht auf die Gleichtaktspannung reagiert.

Sogar bei einer schwebenden Last können die Unterschiede zur Treiberschaltung für das Schalten auf der Hoch- und der Niederspannungsseite erheblich sein. Üblicherweise betrachten wir Masse als die negative Seite der Stromversorgung, die die Steuerschaltung antreibt, wobei die Leistung dann positiv ist. Da Masse die negative Seite ist und andere Signale, mit denen wir möglicherweise interagieren müssen, um die Verbindung zum Rest der Welt herzustellen, auf diese Masse bezogen werden, wird die Steuerschaltung ebenfalls auf Masse bezogen. Selbst wenn Sie beispielsweise ein 24-V-Solenoid ansteuern, wird der Mikrocontroller, der die PWM-Impulse erzeugt, von einer 3,3-V-Schiene und Erde mit Strom versorgt.

Da sich die Steuerschaltung auf der unteren Seite der Stromversorgung (Masse) befindet, ist das Ansteuern von Schaltern auf der unteren Seite normalerweise einfacher als das Ansteuern von Schaltern auf der oberen Seite. Daher wechseln wir bei einer schwebenden Last, bei der es egal ist, ob wir die niedrige oder die hohe Seite wechseln, normalerweise die niedrige Seite.

Ein weiterer Grund für die Verwendung eines Low-Side-Schalters ist, dass eine Seite der Last bereits an die positive Versorgung angeschlossen ist, die sich unserer Kontrolle entzieht. Die einzige Wahl, die wir haben, ist, die untere Seite der Last schwimmend zu lassen, um die Last auszuschalten, oder sie mit Masse zu verbinden, um sie einzuschalten. Es kann praktisch sein, dass einige Lasten auf einer Seite vorinstalliert sind, um die gesamte Systemverdrahtung zu vereinfachen.

In einigen Fällen kümmert sich die Last. Wenn die Last andere massebezogene Signale hat, an die sie angeschlossen werden muss, müssen Sie normalerweise ihren Masseknoten mit Masse verbinden. In diesem Fall müssen Sie die positive Leistung auf die Last umschalten, ob Sie möchten oder nicht. Auch dies ist in der Regel komplizierter als das Betreiben eines Low-Side-Schalters, jedoch nicht übermäßig, so dass große Längen erforderlich sind, um dies zu vermeiden.

Wenn Sie die Low-Side mit einer Low-Side-Steuerschaltung schalten, ist es ziemlich offensichtlich, dass Sie einen NPN-Transistor oder einen N-Kanal-FET verwenden möchten. Bei einem High-Side-Schalter müssen Sie jedoch mehr Optionen in Betracht ziehen. N-Kanal-FETs haben im Allgemeinen bessere Eigenschaften als Schalter, aber die Verwendung eines FETs bringt zwei Probleme mit sich: Das Gate muss über den Schaltbereich plus den Ein / Aus-Bereich des Gates schwenken und benötigt im eingeschalteten Zustand eine Spannung über der Stromschiene. Es gibt Treiber-Chips, die die meiste Zeit diese Dinge aufnehmen können, aber es gibt immer noch Probleme.

Der AP-Kanal-FET ist einfacher zu schalten, da die Gate-Spannung bei den meisten FETs nur zwischen der Versorgungsspannung und etwa 10 V niedriger liegen muss. PNP-Transistoren können sogar noch einfacher sein, da Sie nur etwas Strom aus der Basis ziehen müssen, um sie einzuschalten. Ein schnelles Ausschalten kann jedoch eine Herausforderung sein.

Daher gibt es wie üblich keine allgemeingültige Antwort, und die Kompromisse müssen für jede Anwendung separat berücksichtigt werden.

Olin Lathrop
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Sie können Klimmzüge für die hohe Seite verwenden und zwischen Z / L anstelle von H / L wechseln
Alexander M
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@Alex: Sicher, es gibt viele Möglichkeiten, High-Side-Schalter anzusteuern, von denen jeder seine eigenen Vor- und Nachteile hat. Ein Problem bei Pullups zum Ausschalten von High-Side-Schaltern besteht darin, dass diese langsam ausgeschaltet werden. Dies kann zum Beispiel für einen Buck-Konverter ein ernstes Problem sein.
Olin Lathrop
@AlexanderM: Auch wenn Sie die Schaltgeschwindigkeit ignorieren, wird in einer App oft genug ein MOSFET verwendet, bei dem die Lastspannung unter den maximalen Vds liegt, die der MOSFET (offensichtlich) aufnehmen kann, aber über den maximalen Vgs (was viel niedriger ist). Beispiel: 20 V bei einem 100-V-MOSFET). In diesem Fall benötigen Sie mehr als nur den Pull-up-Widerstand: books.google.com/books?id=FSpC6yNyNWcC&pg=PA297
Fizz
Bei einem High-Side-Switching-PNP muss man sich außerdem oft Sorgen machen, auf welche (Hoch-) Spannung die Basis angehoben wird, insbesondere wenn der Treiber eine Schaltung auf Logikebene ist. Seitenwechsel
Fizz
@OlinLathrop, Danke für die wundervolle Erklärung. Wenn wir einen Low-Side-Schalter für die Steuerung des Gleichstrommotors verwenden, wie ist die Spannungsrückkopplungsschaltung angeordnet? In einem SCR-Antrieb nehmen wir den V + - und V- -Bus und erhalten den Spannungsrückkopplungswert, indem wir ihn entsprechend reduzieren (isoliert, differenziell verstärkt, genau gleichgerichtet usw.). Hier ist die V + -Seite immer mit der vollen Versorgung verbunden, und da unsere Steuerkreise auf Masse bezogen sind, zeigt das + ve Ende des Spannungsrückkopplungskreises die volle Spannung an, während das -ve eine schwebende Spannung anzeigt, wenn es niedrig ist Seitenschalter ist AUS, richtig? Was ist zu tun?
Vishal
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Bei einer isolierten Schaltung gibt es keinen großen Unterschied zwischen High- und Low-Side-Schaltung. Für höhere Lastströme sind niederseitige Halbleiterschalter (zum Beispiel NPN-Transistoren und N-Kanal-MOSFETs) oft weniger verlustbehaftet als ihre hochseitigen Äquivalente und werden daher bevorzugt.

Wenn die Schaltung jedoch an externe Geräte mit eigenen Stromanschlüssen angeschlossen ist, wird dies unscharf. Wenn diese externen Geräte eine Verbindung zu derselben Erdungsreferenz wie die Stromversorgung des Stromkreises herstellen und Sie diese ein- und ausschalten, stellen die externen Geräte eine alternative Erdungsroute zur Verfügung. Ihre Umschaltung ist ineffektiv und kann zu Schäden führen nicht für den entsprechenden Strom auf dem Weg bewertet.

Wenn die externen Geräte eine V + -Versorgung bereitstellen, die sich auf dieselbe Erdung bezieht wie die Versorgung, die Sie schalten, können Sie die positive Spannungsschiene auch über die extern versorgten Geräte mit Strom versorgen, was wiederum zu unerwünschten Ergebnissen führt.

stefandz
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Akzeptierte Ignacios Antwort nur b / c er war zuerst
Alexander M
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@Alex: Wenn ich gewusst hätte, dass Sie eine Antwort nur 18 Minuten nach dem Stellen der Frage akzeptieren würden , hätte ich mir nicht die Mühe gemacht, eine zu schreiben, geschweige denn in den Hintergrund zu treten. Ich werde dies bei zukünftigen Fragen berücksichtigen.
Olin Lathrop
Entschuldigung, Olin. Ich hätte sagen sollen, dass Ihre Antworten denen von Ignacio sehr ähnlich waren. Das war auch der Grund
Alexander M
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@AlexanderM: Es sieht mir nicht so ähnlich. Olin behandelte viele Details, die in der Praxis wichtig sind und die in der von Ihnen akzeptierten Antwort völlig ignoriert wurden.
Fizz
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Es gibt zahlreiche Gründe, eine Art der Umschaltung auf die andere zu wählen.

Wenn Ihr Stromkreis / Ihre Last die beim Schalten der Last entstehenden Erdströme verträgt, ist das Schalten auf der niedrigen Seite im Allgemeinen einfacher und billiger.

Wenn Ihre Schaltung dies nicht tolerieren kann (zu viel Störung in der Masseebene des empfindlicheren Prozessors / der Logik mit niedrigerer Spannung), ist es besser, die Last mit High-Side-Methoden zu schalten. Dadurch kann der Rückstrom der Last erhöht werden Getrennt verwaltet (häufig erfordern höhere Leistungslasten eine Stromschiene mit höherer Spannung. Sie teilen sich immer noch ein gemeinsames "Masse" -Potential mit getrennten Rückleitungen).

Der andere häufige Grund für das High-Side-Schalten (von Olin erwähnt) ... ist die negative Stromschiene. Beispiel: Kfz-Chassis, das als "Masse" (DC-Rückleitung) für ein Relais usw. verwendet wird (dieses Beispiel hat zahlreiche zusätzliche Vorteile und Risiken).

John
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