P-Kanal-MOSFET-Einschaltstrombegrenzung

Ich habe seit einigen Wochen bei EESE und Google nach einer Lösung für dieses Problem gesucht, und obwohl ich einige Vorschläge gefunden habe, die vielversprechend erschienen, blieb die Implementierung in der Praxis hinter den Erwartungen zurück.

Ich habe einen Spannungsregler auf einer Platine mit einer Eingangskapazität von 10 uF, um mich vor Stromausfällen zu schützen. Ich habe aus verschiedenen Gründen eine Sicherung in Reihe mit einem Netzteil mit einer Größe von 125 mA. Um ganz klar zu sein, habe ich keine Slow-Blow-Versionen gefunden, die meinen Anforderungen entsprechen. Die Stromversorgung kann zwischen 5 und 15 Volt Gleichstrom liegen, höchstwahrscheinlich eine Blei-Säure-Batterie. Wenn die Batterie zum ersten Mal angeschlossen wird, sehe ich einen Einschaltstrom mit einer Spitze von ungefähr 8 Ampere über 8us, der die 125-mA-Sicherung sehr schnell durchbrennt. Okay, also muss ich den Einschaltstrom begrenzen. Keine große Sache, oder?

Ich habe verschiedene Optionen ausprobiert, aber diese schien mir am vielversprechendsten:

R1 und R2 bilden einen Spannungsteiler, der die Vgs begrenzt, um eine Beschädigung des MOSFET zu verhindern, und bilden zusammen mit dem Kondensator eine RC-Verzögerung, die es dem FET Vgs ermöglicht, langsamer anzusteigen, wodurch der FET für einen längeren Zeitraum in seinem ohmschen Bereich bleibt . Macht perfekt Sinn. Höhere Kapazität = langsameres Einschalten = weniger Einschaltstrom.

Nun, das ist alles in Ordnung und gut, außer dass ich nach dem Erhöhen des Kondensators von 1 uF auf 4,7 uF auf 10 uF feststellte, dass ich bei einem Einschaltstrom von etwa 1,5 Apk über 2 us einen Tiefpunkt erreicht hatte. Nach Erreichen dieses Punktes würde der Einschaltstrom unabhängig von der Kapazität, die ich für C1 hinzugefügt habe (ich habe versucht, bis zu 47 uF), nicht unter 1,5 Apk fallen. Offensichtlich war dieser Strom immer noch viel zu hoch und würde meine Sicherung sofort durchbrennen. Ich kann die Stromstärke der Sicherung nicht erhöhen, daher muss ich einen Weg finden, damit dies funktioniert.

Meine aktuelle Hypothese lautet:

Cgs und Cgd sind die intrinsischen Gate-Source- und Gate-Drain-Kapazitäten des MOSFET, und obwohl sie relativ klein sind (50pF-700pF), ist meine Theorie, dass sie beim ersten Anlegen von Vin als Durchgang wirken. Da diese Kapazitäten nicht reduziert werden können, sind sie (insbesondere Cgd) die begrenzenden Faktoren, die mich daran hindern, den Einschaltstrom unter 1,5 Apk zu senken.

Welche anderen Möglichkeiten gibt es, um den Einschaltstrom zu begrenzen? Ich habe verschiedene Ein-Chip-Lösungen für Hot-Swap-Anwendungen gefunden, aber sie haben eine ähnliche Topologie wie die obige Schaltung und ich stelle mir vor, dass sie ähnliche Nachteile haben würden.

Vin kann so niedrig wie 5 Volt sein. Wenn ich also den Verpolungsschutz einer Schottky-Diode berücksichtige, fallen der Spannungsabfall über der Sicherung, der Abfall über dem Einschaltwiderstand des MOSFET und die Abfälle aufgrund des Kabels ab (können angemessen sein Wenn ich diese Karte an die Stromversorgung anschließe, wird mein Spannungsabfall ziemlich signifikant (der Spannungsregler, in den dies eingespeist wird, benötigt ungefähr 4,1 V, um richtig zu regeln). Ein Serienstrombegrenzungswiderstand ist leider keine Option.

Die andere Einschränkung, die ich habe, ist Platz. Ich habe ungefähr 4,5 x 4,5 Quadratmillimeter zum Arbeiten. Die obige Schaltung würde kaum passen, so dass das Hinzufügen von noch mehr Komponenten nicht wirklich eine Option ist. Andernfalls wäre dies ein etwas einfacher zu lösendes Problem gewesen.

Sie haben irgendwie die richtige Idee:

Der Kondensator befindet sich jedoch am falschen Ort. Für die Steuerung der Anstiegsgeschwindigkeit sollte sie sich zwischen dem Drain und dem Gate befinden, nicht zwischen der Source und dem Gate, wie Sie es zeigen. Das Platzieren zwischen Drain und Gate bewirkt eine Rückkopplung, sodass der FET mehr ausgeschaltet wird, wenn der Drain schnell ansteigt.

Nur eine Kappe zwischen Drain und Source kann gut genug sein. Das Timing hängt von einigen Parametern ab, die normalerweise wenig bekannt sind, und die Steigungsbegrenzung setzt erst ein, wenn sich das Gate seiner Schwellenspannung nähert.

Hier ist eine komplexere Eingangsschaltung zur Begrenzung der Steigung, die ich einige Male verwendet habe.

Dieses Gerät wird über zwei CAN-Bus-Leitungen, Masse und 24-V-Stromversorgung mit dem Rest des Systems verbunden. Es kann jederzeit heiß angeschlossen werden. Es darf nicht erlaubt werden, plötzlich einen großen Stromimpuls zu ziehen, wenn es eingesteckt ist.

CANPWR ist die direkte Verbindung zum 24-V-Strombus und 24 V ist die interne 24-V-Stromversorgung in diesem Gerät. Der Zweck dieser Schaltung besteht darin, 24 V langsam genug ansteigen zu lassen, um den Einschaltstrom auf ein akzeptables Niveau zu begrenzen. Danach sollte es so weit wie möglich aus dem Weg gehen.

Eine ansteigende Spannungssteigung bei 24 V bewirkt einen Strom durch C2, der Q3 einschaltet, der Q1 einschaltet, der versucht, den Gate-Antrieb zu Q2, dem Leistungsdurchlaufelement, auszuschalten. Beachten Sie, dass dies bei 24 V mit weniger als 1 V einsetzt.

Eine Steigungsbegrenzungsrückkopplung tritt auf, wenn an R4 genügend Spannung anliegt, um Q3 einzuschalten. Abbildung, die ungefähr 1,5 V beträgt, wenn man den Abfall über R5 berücksichtigt, der zum Einschalten von Q1 erforderlich ist. Die Steigungsgrenze ist daher die Voraussetzung für den Durchgang von (1,5 V) / (10 kΩ) = 150 µA durch C2. (150 uA) / (1 uF) = 150 V / s. Das Ansteigen von 24 V sollte daher ca. 150 ms dauern. Ich erinnere mich, dass ich einige 100 ms Anstiegszeit mit einem Oszilloskop gemessen habe, damit alle auschecken.

Sobald das 24-V-Netz angestiegen ist, hält R3 Q2 eingeschaltet und D2 hält seine Gate-Source-Spannung innerhalb des zulässigen Bereichs.

Low-Tech-Lösungen:

• Montieren Sie die Sicherung NACH der Eingangskappe. Fügen Sie am Reglereingang eine 100-nF-Kappe hinzu, um die Stabilität zu gewährleisten.
• Ersetzen Sie die Sicherung durch einen Polyswitch (der eine langsamere Reaktionszeit hat).
• Schalten Sie den Kondensator parallel zur Sicherung

Meine bevorzugte Lösung wäre die erste oder zweite.

Mittlere technische Lösung:

Fügen Sie einen Widerstand in Reihe mit der Eingangskappe parallel zu einer Schottky-Diode hinzu. Der Widerstand verlangsamt die Kondensatorladung und die Diode ermöglicht eine schnelle Entladung, wenn LDO Strom benötigt. Eine wackelige Lösung ...

Hightech-Lösung: Strombegrenzer mit ...

• ein Verarmungs-MOSFET wie DN2540.
• Strombegrenzter High-Side-Lastschalter

Eine praktische logikbasierte "Überwachungs" -Schaltung passt nicht in den verfügbaren Raum. Ein einfacher NTC-Widerstand wäre wahrscheinlich auch zu groß. Schauen Sie sich diese an, vielleicht gibt es eine winzige, die zu Ihrem Zweck passt.

Wenn Sie mehr Platz hätten, würde ich einen Konstantstrombegrenzer verwenden, der den Ausgang, ähnlich wie die aktuelle PWM, zerhackt, bis die Kappe aufgeladen ist. Verwenden Sie vor den Kappen einen Messwiderstand, einen Komparator und einen anderen PFET. Dies passt aber absolut nicht in Ihre Schaltung. Sie KÖNNTEN das Modul, das ich als Inline-Gerät beschrieben habe, entwerfen, bevor es von der Batterie zur VIN Ihres Stromkreises gelangt. Gleiches gilt für den NTC-Widerstand, könnte etwas vor der Platine mit Ihrer gezeigten Schaltung sein.

Die bessere, diskrete Lösung könnte folgende sein: Ein 2-Ohm-Leistungswiderstand in Reihe vor Ihren Kondensatoren / FET ist definitiv noch eine Option. Wenn Sie eine Sicherung mit einer Nennleistung von 125 mA haben, haben Sie unter normalen Bedingungen offensichtlich eine sehr geringe Leistungslast. Um den Spannungsspielraum zu berücksichtigen, sollten Sie anstelle einer Schottky-Diode einen umgekehrten PFET verwenden (die Drain-Source würde der normalen Konfiguration für einen High-Side-Schalter entgegengesetzt sein), wobei die Basis geerdet ist. Dies ist eine extrem niedrige V-Vorwärtslösung zum Verpolungsschutz. 2 Ohm bei einem Sicherungsstrom von 125 mA (eine schlechte Idee, um so nahe am Haltestrom zu arbeiten) verlieren nur 250 mV, weniger als Ihr Schottky verlieren würde, und dennoch viel Platz für Kabel- und PFET-Abfall. Der Widerstand für die PFETs liegt in der Größenordnung von 30 bis 90 Milliohm, wenn Sie die guten erhalten. Das Beste, was Sie tun können, ist, die Schaltung zu prototypisieren und zu testen. Ein Widerstand und ein umgekehrter PFET sollten überhaupt nicht viel Platz beanspruchen! In 4,5 mm x 4,5 mm könnten Sie einen SOT23- (oder SC-70-) Gehäusepfad und einen 0,25 W 0805-Gehäusewiderstand einsetzen, denke ich.

Ein FET wie dieser MTM231232LBF würde gut funktionieren, benötigt jedoch eine Zenerdiodenklemme am Gate, um nach dem Gerät zu erden. siehe Abbildung unten für eine Schaltung, aber die Zenerspannung muss offensichtlich <10 V sein, um das Gate zu schützen. Eine Zenerspannung zwischen 5-7V würde funktionieren.

Die Kombination aus Zener und Widerstand kann das kleinstmögliche Paket sein, das Sie finden können. Sie tun kaum etwas anderes, als sicherzustellen, dass Ihr FET nicht knallt.

Eine Kombination des Vorwiderstands und eines PFET-basierten Polaritätsschutzes, um Ihnen den erforderlichen Spannungsspielraum zu bieten, verhindert das Auftreten eines Kurzschlusses von Ihren Kondensatoren stromabwärts an der Last. Der MOSFET selbst schaltet sich auch nicht sofort ein, so dass er nur in seinem nichtlinearen Einschaltverhalten als Strombegrenzer fungiert.

Ich versuche, etwas Ähnliches zu tun, und dieser Anwendungshinweis enthält ziemlich genaue Anweisungen zum Layout Ihrer Schaltung sowie zur Berechnung der entsprechenden Werte: http://www.onsemi.com/pub/Collateral/AND9093-D.PDF

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}

Hinweis AND9093 wird für Lastschalter verwendet. In Ihrem Schaltplan werden Sie also sofort einschalten und den Einschaltstrom nicht in Schach halten, ohne dass der zusätzliche Fet das Gate auf Masse zieht. Die Werte, die Sie aus AND9093 berechnen, sollten sehr nahe beieinander liegen. Sie müssen jedoch eine zusätzliche Kappe von der Quelle zum Gate hinzufügen, damit das Gate beim Einschalten nur ein wenig nach oben gezogen wird, damit das zusätzliche Gate die Kapazität entleeren kann, um den Mosfet im Gate zu halten linearer Bereich nach Bedarf, um den Strom niedrig zu halten.

Versuchen Sie diese Schaltung, unter der ich in der Vergangenheit verwendet habe, und es wird nach Bedarf funktionieren. Simulieren Sie es und Sie werden auch sehen, dass es auch sehr gut funktioniert. Stellen Sie sicher, dass Sie die richtigen Parameter aus dem Fet-Datenblatt verwenden, um Ihre Werte im Ballpark abzurufen.