P-Channel MOSFET Ограничение пускового тока

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:

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:

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.

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.

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

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.

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.

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

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

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.