P-Channel MOSFET Ограничение пускового тока

10

Я искал EESE и Google уже несколько недель, чтобы найти решение этой проблемы, и хотя я нашел несколько предложений, которые казались многообещающими, реальная реализация не оправдала ожиданий.

У меня есть регулятор напряжения на плате с входной емкостью 10 мкФ, чтобы помочь защитить от условий отключения. У меня есть плавкий предохранитель последовательно с источником питания, рассчитанным на 125 мА, по разным причинам, и, чтобы было ясно, я не нашел ни одной версии с замедленной подачей, которая отвечала бы моим требованиям. Источник питания может быть от 5 до 15 В постоянного тока, скорее всего, от свинцово-кислотной батареи. Когда батарея подключена в первый раз, я вижу пусковой ток с пиком примерно 8 А на 8 с, который очень быстро перегорает с предохранителем 125 мА. Итак, мне нужно ограничить пусковой ток. Ничего страшного, правда?

Я испробовал несколько разных вариантов, но это тот, который показался мне наиболее перспективным:

введите описание изображения здесь

R1 и R2 образуют делитель напряжения, который ограничивает Vgs, чтобы предотвратить повреждение MOSFET, и вместе с конденсатором образуют задержку RC, которая позволяет VET Vgs расти медленнее, удерживая FET в его омической области в течение более длительного периода времени. , Имеет смысл. Более высокая емкость = медленное включение = меньший пусковой ток.

Ну, все в порядке, за исключением того, что после увеличения конденсатора с 1 мкФ до 4,7 мкФ до 10 мкФ я понял, что достиг дна с пусковым током около 1,5 Апк в течение 2 мкс. После достижения этой точки, независимо от того, какую емкость я добавил для С1 (я пробовал до 47 мкФ), пусковой ток не упадет ниже 1,5Апк. Очевидно, этот ток все еще был слишком велик, и он мог бы мгновенно перегореть. Я не могу увеличить текущий рейтинг предохранителя, поэтому мне нужно найти способ сделать эту работу.

Моя текущая гипотеза заключается в следующем:

введите описание изображения здесь

Cgs и Cgd являются собственными емкостными затворами MOSFET и затвором-затвором, и, хотя они относительно очень малы (50–700 пФ), моя теория заключается в том, что они действуют как сквозной канал при первом применении Vin. Поскольку эти емкости не могут быть уменьшены, они (особенно Cgd) являются ограничивающими факторами, которые мешают мне снизить пусковой ток ниже 1,5 Апк.

Какие есть еще варианты ограничения пускового тока? Я нашел различные однокристальные решения для приложений с «горячей» заменой, но они имеют топологию, аналогичную описанной выше схеме, и я думаю, что они будут иметь аналогичные недостатки.

Vin может составлять всего 5 вольт, поэтому, если принять во внимание защиту от обратной полярности, обеспечиваемую диодом Шоттки, падение напряжения на предохранителе, падение сопротивления на МОП-транзисторе и падение из-за кабеля (может быть довольно долго) при подключении этой платы к источнику питания падение напряжения становится довольно значительным (для правильного регулирования требуется напряжение питания, равное приблизительно 4,1 В для стабилизатора напряжения). К сожалению, резистор, ограничивающий ток, не подходит.

Другое ограничение у меня есть пространство. У меня есть примерно 4,5 х 4,5 квадратных миллиметров для работы. Вышеприведенная схема едва уместилась, поэтому добавить еще больше компонентов на самом деле не вариант. В противном случае это было бы немного легче решить.

DerStrom8
источник
3
Если бы пространство не было проблемой, я бы сказал «NTC». вздох!
Рохат
Это был мой первоначальный план, но, увы, нет никаких маленьких SMD NTC, отвечающих моим требованиям. Они также немного непредсказуемы
DerStrom8
Я считаю, что ваш конденсатор должен быть между затвором, а не затвором. Вот пример: mosaic-industries.com/embedded-systems/microcontroller-projects/…
Саджив Ранасингхе
@SajeevRanasinghe оба распространены, но размещение его между затвором и источником является предпочтительным для этого приложения из-за того, что он находится на стороне питания транзистора. Я пробовал оба метода, но ни один не работал. В конце концов я полностью отказался от этой идеи ограничения тока.
DerStrom8
Для полевых МОП-транзисторов требуется перепад напряжения между затвором и источником. Размещение конденсатора на стороне стока гораздо менее надежно
DerStrom8

Ответы:

5

У вас есть правильная идея:

Но конденсатор не в том месте. Для контроля скорости нарастания она должна быть между стоком и затвором, а не истоком и затвором, как вы это показываете. Помещение его между стоком и затвором вызывает обратную связь, поэтому, когда сток быстро поднимается, он больше отключает FET.

Просто крышка между стоком и источником может быть достаточно хорошей. Синхронизация зависит от некоторых параметров, которые обычно плохо известны, и ограничение наклона не срабатывает, пока затвор не достигнет своего порогового напряжения.

Вот более сложная схема ввода мощности с ограничением наклона, которую я использовал несколько раз.

Это устройство подключается к остальной части системы через две линии шины CAN, заземление и питание 24 В. Он может быть подключен в любое время. Нельзя допускать, чтобы при подключении внезапно появлялся большой импульс тока.

CANPWR - это прямое подключение к шине питания 24 В, а 24 В - это внутреннее питание 24 В этого устройства. Целью этой схемы является достаточно медленное нарастание напряжения 24 В для ограничения пускового тока до приемлемого уровня. После этого он должен как можно больше убираться с дороги.

Повышение наклона напряжения на 24 В вызывает ток через C2, который включает Q3, который включает Q1, который пытается отключить привод затвора для Q2, элемента передачи мощности. Обратите внимание, что это срабатывает при напряжении менее 1 В на 24 В.

Обратная связь ограничения наклона возникает, когда на R4 достаточно напряжения для включения Q3. На рисунке примерно 1,5 В, учитывая падение на R5, необходимое для включения Q1. Следовательно, предел наклона - это то, что требуется для прохождения (1,5 В) / (10 кОм) = 150 мкА через C2. (150 мкА) / (1 мкФ) = 150 В / с. Поэтому для поднятия 24 В потребуется около 150 мс. Я помню, как измерял несколько сотен мс времени нарастания с помощью прицела, чтобы все проверялось.

Как только сеть 24 В поднялась, R3 удерживает Q2 включенным, а D2 поддерживает напряжение своего затворного источника в допустимом диапазоне.

Олин Латроп
источник
Есть несколько конструкций, которые предлагают разные места для конденсатора, и я попробовал их оба безуспешно. Я испробовал большое разнообразие значений компонентов, все они рассчитывались на основе формул из различных примечаний к приложениям для этого типа схемы, но начальный скачок тока при включении питания был слишком велик, и я уверен, что это было связано с паразитами FET. К сожалению, из-за нехватки места я не смог перейти к более сложной схеме, подобной той, что вы видите на втором изображении.
DerStrom8
4

Низкотехнологичные решения:

  • Установите предохранитель ПОСЛЕ заглушки. Добавьте крышку 100 нФ на входе регулятора, чтобы обеспечить его стабильность.
  • Замените предохранитель на Polyswitch (который будет иметь меньшее время реакции).
  • Положите конденсатор параллельно с предохранителем

Мое предпочтительное решение будет первым или вторым.

Среднее техническое решение:

Добавить резистор последовательно с входной крышкой параллельно с диодом Шоттки. Резистор замедлит заряд конденсатора, а диод позволит быстро разрядиться, если LDO нужен ток. Немного странного решения ...

Высокотехнологичное решение: ограничитель тока с использованием ...

  • истощение МОП-транзистора, как DN2540.
  • ограничитель тока на стороне высокого напряжения
peufeu
источник
1
Если плавкий предохранитель идет после кепки, что, если кепка терпит неудачу как короткий? Обычно это нет в автомобильных приложениях
KyranF
1
Да, это проблема. Вы можете нанести 2 ампер медленный удар перед крышкой. Я бы лучше использовал полисвитч.
peufeu
старый приятель говорит, что он вообще не может заменить предохранитель, а это отстой. 125 мА с таким быстрым откликом довольно раздражает. Конечно, это причиняет больше боли, чем стоит.
KyranF
Существует также TVS-диод, который может выйти из строя, который должен быть как можно ближе к шине. Таким образом, предохранитель должен сработать до остальной цепи. Полисвитчи считались, но были очень ненадежными и непоследовательными. Также рассматривал заглушку параллельно с предохранителем, но думал, что это скорее взлом, чем реальное решение.
DerStrom8
1
Итак, я думаю, что регулятор и его выходные крышки не могут быть обвинены в броске! По какой причине вы не можете использовать более медленный предохранитель? Кроме того, какой ток фактически использует ваша схема?
peufeu
3

Любая "супервизорная" схема, основанная на практической логике, не поместится в имеющемся у вас пространстве. Простой NTC-резистор, вероятно, тоже окажется слишком большим. конечно, посмотрите на них, хотя, может быть, есть крошечный, который соответствует вашей цели.

Если бы у вас было больше места, я бы использовал ограничитель постоянного тока, который прерывает выход, вроде тока ШИМ, до тех пор, пока крышка не зарядится. Используйте сенсорный резистор, компаратор и другой PFET перед колпачками. Но это абсолютно не вписывается в вашу схему. Вы МОЖЕТЕ спроектировать модуль, который я описал, как встроенное устройство, прежде чем оно попадет на VIN вашей цепи от батареи. То же самое относится и к резистору NTC, может быть что-то перед печатной платой с вашей схемой.

Лучшее, дискретное решение может быть следующим: 2-омный резистор последовательно, до того, как ваши конденсаторы / полевые транзисторы, безусловно, по-прежнему доступны. Если у вас есть предохранитель, рассчитанный на 125 мА, вы, очевидно, имеете очень низкую мощность нагрузки в нормальных условиях. Чтобы учесть запас по напряжению, вместо диода Шоттки следует использовать обратный PFET (сток-исток будет противоположен обычной конфигурации для переключателя на стороне высокого уровня) с заземленной базой. Это чрезвычайно низкое V-прямое решение для защиты от обратной полярности. 2 Ом при номинальном токе предохранителя 125 мА (плохая идея для работы, которая близка к току удержания) может потерять только 250 мВ, меньше, чем ваш Шоттки, и все равно будет достаточно места для кабеля и падения PFET. Сопротивление для PFET будет порядка 30-90 миллиом, если вы получите хорошие. Лучшее, что вы можете сделать, это создать прототип схемы и протестировать ее. Резистор и обратный PFET не должны занимать много места вообще! я думаю, что в 4,5 мм х 4,5 мм вы могли бы установить PFET в корпусе SOT23 (или SC-70) и пакетный резистор 0805 0,25 Вт.

Полевой транзистор, подобный этому, MTM231232LBF будет отлично работать, но для него требуется зажим стабилитрона на затворе, чтобы заземлить устройство. см. изображение ниже для примера схемы, но напряжение Зенера должно быть очевидно <10 В, чтобы защитить затвор. Напряжение стабилитрона между 5-7 В будет работать.

PFET защита от обратной полярности и стабилитрон

Комбинация стабилитрона и резистора может быть наименьшим из возможных пакетов. Они почти ничего не делают, кроме как убедиться, что ваш FET не появляется.

Таким образом, комбинация последовательного резистора и защиты от полярности на основе PFET для обеспечения необходимого запаса напряжения поможет избежать появления короткого замыкания от ваших конденсаторов в нисходящем направлении при нагрузке. Сам МОП-транзистор также не включается мгновенно, поэтому он действует как ограничитель тока только в своем нелинейном поведении при включении.

KyranF
источник
Я смотрю на это, я просто еще не смог его собрать и протестировать. Дам тебе знать.
DerStrom8
Я думал об этом решении, и, предполагая, что предохранитель 3,4 Ом (как тот, который я выбрал), сопротивление полевого транзистора 90 мОм и резистор 9,5 Ом, я все равно получу необходимое напряжение на регуляторе, игнорируя падение кабеля. Тем не менее, предполагаемый мгновенный ток во время запуска может превышать 1 А, поэтому предохранитель по-прежнему перегорает. Я установил его на скамейке, и мои подозрения подтвердились.
DerStrom8
@ DerStrom8, есть ли причина, по которой предохранитель не может быть заменен предохранителем большего номинала? или это физически невозможно изменить? Я думаю, что вы могли бы хотеть резистор NTC как последний запасной вариант здесь. Этот твой предохранитель очень быстрый.
KyranF
@ DerStrom8 Вы рассматривали возможность использования индуктора в качестве дросселя? Это, конечно, сняло бы остроту нынешнего всплеска.
KyranF
Размер предохранителя должен быть таким, какой он есть, потому что один из компонентов на передней панели (диод TVS) может выйти из строя, частично закороченный - десятки Ом - и снять всю шину. Предохранитель ДОЛЖЕН иметь такой размер, чтобы в случае отказа диода TVS до нескольких десятков Ом предохранитель все равно перегорел. Значение, которое он установил сейчас, является абсолютным максимумом, который он может иметь, и он все равно отключится, если диод выйдет из строя. И снова резисторы NTC уже рассматривались, но они слишком ненадежны и непредсказуемы. Они не всегда работают желаемым образом, и их сопротивление может значительно различаться.
DerStrom8
2

Я пытаюсь сделать что-то похожее, и в этой заметке по применению есть довольно четкие указания о том, как разметить вашу схему, а также как рассчитать соответствующие значения: http://www.onsemi.com/pub/Colalendar/AND9093-D.PDF

схематический

смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab

Рэй Экли
источник
Это была одна из заметок приложения, которые я использовал для справки, и я до сих пор не получил нужные результаты, даже после вычисления правильных значений. Это было слишком медленно, и текущий всплеск был слишком большим. Я закончил тем, что переделал переднюю часть своей платы, чтобы выдерживать большие пики тока при включении питания, а не устранять их.
DerStrom8
1

Примечание На AND9093 ссылаются на переключатели нагрузки, поэтому в вашей схеме без дополнительного Fet, тянущего ворота к земле, вы мгновенно включитесь и не будете контролировать пусковой ток. Значения, которые вы рассчитываете по AND9093, должны быть очень близки, но вам нужно добавить дополнительную крышку от источника к вентилю, чтобы при повороте вентиль немного подтягивался, чтобы позволить дополнительному вентилю истощить емкость, чтобы удерживать Mosfet в линейная область по мере необходимости, чтобы подавить ток.

Попробуйте эту схему ниже, которую я использовал в прошлом, и она будет работать по мере необходимости. Смоделируйте это, и вы также увидите, что это работает очень хорошо. Убедитесь, что вы используете правильные параметры из таблицы данных Fet, чтобы получить свои значения в парке событий.

InRush Circuit

Scotter
источник