Limitazione della corrente di spunto MOSFET a canale P

Ho cercato EESE e Google per diverse settimane per una soluzione a questo problema, e mentre ho trovato alcune proposte che sembravano promettenti, l'implementazione nel mondo reale è stata inferiore alle aspettative.

Ho un regolatore di tensione su una scheda con capacità di ingresso 10uF, per aiutare a proteggere dalle condizioni di esaurimento. Ho un fusibile in serie con l'alimentatore dimensionato a 125mA per vari motivi e, per essere chiari, non ho trovato versioni a lenta combustione che soddisfino i miei requisiti. L'alimentazione può essere compresa tra 5 e 15 volt DC, molto probabilmente una batteria al piombo. Quando la batteria viene connessa per la prima volta, vedo una corrente di spunto con un picco di circa 8 ampere su 8us, che fa saltare rapidamente il fusibile da 125mA. Va bene, quindi devo limitare la corrente di spunto. Nessun grosso problema, vero?

Ho provato diverse opzioni, ma questa è quella che mi è sembrata più promettente:

R1 e R2 formano un divisore di tensione che limita i Vgs per prevenire danni al MOSFET e insieme al condensatore forma un ritardo RC che consente al FET Vgs di aumentare più lentamente, mantenendo il FET nella sua regione ohmica per un periodo di tempo più lungo . Ha perfettamente senso. Maggiore capacità = accensione più lenta = meno corrente di spunto.

Bene, tutto bene e dandy, tranne che dopo aver aumentato il condensatore da 1uF a 4.7uF a 10uF, mi sono reso conto di aver toccato il fondo con una corrente di spunto di circa 1,5Apk oltre 2us. Dopo aver raggiunto quel punto, indipendentemente dalla capacità che ho aggiunto per C1 (ho provato fino a 47uF), la corrente di spunto non scenderà più in basso di 1,5Apk. Ovviamente questa corrente era ancora troppo alta e avrebbe bruciato la mia miccia in un istante. Non riesco ad aumentare la potenza attuale del fusibile, quindi devo trovare un modo per farlo funzionare.

La mia attuale ipotesi è questa:

Cgs e Cgd sono le capacità intrinseche gate-source e gate-drain del MOSFET, e mentre sono relativamente molto piccole (50pF-700pF), la mia teoria è che agiscono come pass-through quando Vin viene applicato per la prima volta. Poiché queste capacità non possono essere ridotte, esse (in particolare Cgd) sono i fattori limitanti che mi impediscono di ridurre la corrente di spunto al di sotto di 1,5Apk.

Quali altre opzioni ci sono per limitare la corrente di spunto? Ho trovato varie soluzioni a un chip per applicazioni hot-swap, ma hanno una topologia simile al circuito sopra e immagino che avrebbero svantaggi simili.

Il Vin può arrivare a 5 volt, quindi se tengo conto della protezione da inversione di polarità fornita da un diodo Schottky, la caduta di tensione sul fusibile, la caduta sul MOSFET sulla resistenza e le cadute dovute al cavo (possono essere abbastanza lungo) collegando questa scheda all'alimentazione, la mia caduta di tensione sta diventando abbastanza significativa (il regolatore di tensione a cui si sta alimentando richiede circa 4,1 V per regolare correttamente). Sfortunatamente un resistore limitatore di corrente in serie non sarà un'opzione.

L'altra restrizione che ho è lo spazio. Ho circa 4,5 x 4,5 millimetri quadrati con cui lavorare. Il circuito di cui sopra stava per adattarsi a malapena, quindi aggiungere ancora più componenti non è davvero un'opzione. Altrimenti questo sarebbe stato un problema leggermente più facile da risolvere.

Hai una sorta di idea giusta:

Ma il condensatore è nel posto sbagliato. Per il controllo della velocità di risposta, dovrebbe essere tra il drain e il gate, non la sorgente e il gate mentre lo mostri. Mettendolo tra drain e gate si ottiene un feedback in modo tale che quando lo drain sale rapidamente, il FET si spenga di più.

Solo un limite tra drain e source può essere abbastanza buono. La tempistica si basa su alcuni parametri che di solito sono poco conosciuti e la limitazione della pendenza non interviene finché il gate non raggiunge la sua soglia di tensione.

Ecco un circuito di ingresso più sofisticato per limitare la pendenza che ho usato alcune volte.

Questo dispositivo si collega al resto del sistema tramite due linee del bus CAN, terra e alimentazione a 24 V. Può essere collegato a caldo in qualsiasi momento. Non è possibile prelevare improvvisamente un grande impulso di corrente quando è collegato.

CANPWR è la connessione diretta al bus di alimentazione a 24 V e 24 V è la potenza interna a 24 V in questo dispositivo. Lo scopo di questo circuito è far salire 24 V abbastanza lentamente da limitare la corrente di spunto a un livello accettabile. Successivamente, dovrebbe togliersi di mezzo il più possibile.

Una pendenza di tensione crescente su 24 V provoca corrente attraverso C2, che attiva Q3, che attiva Q1, che tenta di spegnere il gate drive su Q2, l'elemento passante di potenza. Si noti che questo si inserisce con meno di 1 V su 24 V.

Il feedback di limitazione della pendenza si verifica quando c'è abbastanza tensione su R4 per attivare Q3. Figura che è di circa 1,5 V, considerando la caduta su R5 richiesta per attivare Q1. Il limite di pendenza è quindi quello che serve per passare (1,5 V) / (10 kΩ) = 150 µA attraverso C2. (150 µA) / (1 µF) = 150 V / s. L'aumento di 24 V dovrebbe quindi richiedere circa 150 ms. Ricordo di aver misurato alcuni 100 ms di tempo di salita con un ambito, in modo che tutto si verificasse.

Una volta che la rete a 24 V è aumentata, R3 mantiene attivo Q2 e D2 mantiene la tensione di gate-source nell'intervallo consentito.

Soluzioni a bassa tecnologia:

• Montare il fusibile DOPO il cappuccio di ingresso. Aggiungi un tappo da 100nF all'ingresso del regolatore per assicurarne la stabilità.
• Sostituire il fusibile con il Polyswitch (che avrà un tempo di reazione più lento).
• Mettere il condensatore in parallelo con il fusibile

La mia soluzione preferita sarebbe la prima o la seconda.

Soluzione di media tecnologia:

Aggiungi un resistore in serie con il cappuccio di ingresso in parallelo con un diodo schottky. Il resistore rallenterà la carica del condensatore e il diodo consentirà una scarica rapida se LDO necessita di corrente. Un po 'di una soluzione traballante ...

Soluzione high-tech: limitatore di corrente che utilizza ...

• un MOSFET a svuotamento come DN2540.
• interruttore di carico lato alto limitato in corrente

Qualsiasi circuito di "supervisione" basato sulla logica pratica non si adatta allo spazio che hai a disposizione. Un semplice resistore NTC probabilmente finirebbe anche per essere troppo grande. sicuramente guardali però, forse ce n'è uno piccolo che si adatta al tuo scopo.

Se avessi più spazio, userei un limitatore di corrente costante che taglia l'uscita, un po 'come la corrente PWM, fino a quando il tappo non viene caricato. Utilizzare un resistore di rilevamento, un comparatore e un altro PFET prima dei tappi. Ma questo non si adatterà assolutamente al tuo circuito. POTREBBE progettare il modulo che ho descritto come un dispositivo in linea prima che arrivi alla VIN del circuito, dalla batteria. Lo stesso vale per il resistore NTC, potrebbe essere qualcosa prima del PCB con il circuito mostrato.

La soluzione migliore e discreta potrebbe essere questa: un resistore di potenza da 2 ohm in serie prima che i condensatori / FET siano ancora un'opzione. Se hai un fusibile valutato a 125 mA, ovviamente hai un carico di potenza molto basso in condizioni normali. Per tenere conto dell'altezza libera della tensione, dovresti invece utilizzare un diodo schottky, utilizzare un PFET invertito (la sorgente di drain sarebbe opposta alla normale configurazione per un interruttore high-side), con la base messa a terra. Questa è una soluzione V-forward estremamente bassa per invertire la protezione dalla polarità. 2 ohm alla corrente nominale del fusibile di 125 mA (una cattiva idea di operare così vicino alla corrente di mantenimento tra l'altro) perderà solo 250mV, meno di quanto il tuo Schottky avrebbe perso, e ancora molto spazio per la caduta di cavi e PFET. La resistenza per i PFET sarà dell'ordine di 30-90 milliohm se si ottengono quelli buoni. Il meglio che puoi fare è prototipare il circuito e testarlo. Un resistore e un PFET invertito non dovrebbero occupare molto spazio! in 4.5mm x 4.5mm potresti montare un PFET SOT23 (o SC-70) e un resistore a pacchetto 0805 da 0,25 W, credo.

Un FET come questo MTM231232LBF funzionerebbe alla grande, ma ha bisogno di un morsetto a diodi zener sul cancello per mettere a terra dopo il dispositivo. vedi immagine sotto per esempio circuito, ma la tensione di Zener deve essere ovviamente <10 V per proteggere il gate. Una tensione di zener tra 5-7V funzionerebbe.

La combinazione zener e resistore può essere il pacchetto più piccolo possibile. Praticamente non fanno altro che assicurarsi che il FET non salti.

Quindi una combinazione del resistore serie e una protezione da polarità basata su PFET per darti la tensione di tensione di cui hai bisogno, aiuteranno a evitare la comparsa di un corto circuito dai condensatori a valle del carico. Il MOSFET stesso non si accende neanche all'istante, quindi funge da limitatore di corrente solo nel suo comportamento di accensione non lineare.

Sto cercando di fare qualcosa di simile e questa nota applicativa ha indicazioni piuttosto precise su come strutturare il circuito e sul calcolo dei valori appropriati: http://www.onsemi.com/pub/Collateral/AND9093-D.PDF

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

Nota AND9093 è indicato per gli interruttori di carico, quindi nel tuo schema senza il Fet aggiuntivo che tira il cancello a terra ti accenderai istantaneamente e non manterrai la corrente di spunto sotto controllo. I valori calcolati da AND9093 dovrebbero essere molto vicini, ma è necessario aggiungere un ulteriore cappuccio dalla sorgente al gate, quindi all'accensione il gate viene tirato su per un po 'per consentire al gate aggiuntivo di scaricare la capacità per trattenere il Mosfet nel regione lineare in base alle esigenze per mantenere bassa la corrente.

Prova questo circuito sotto il quale ho usato in passato e funzionerà secondo necessità. Simula e vedrai anche che funziona molto bene. Assicurati di utilizzare i parametri giusti dalla scheda tecnica Fet per ottenere i tuoi valori nel parco palla.