Переключатель MOSFET PWM заедает - почему?

Схема

Представленная здесь схема рассчитана на коммутацию 100 Вт при минимальной ширине импульса, соответствующей 250 Гц. Но на самом деле в настоящее время его просят переключаться только на 10-20 Вт. Нагрузка представляет собой массив светодиодов. Q1 и Q2 также имеют небольшие радиаторы для дополнительной меры.

Входная цепь фактически включает еще один BC557 (что делает вход активным-низким) и управляется выходом Atmega328P PWM @ 3,3 В.

В одном корпусе находятся две такие схемы (два канала), которые управляют удаленными светодиодными лампами.

Фонари являются частью системы освещения, работающей от солнечных батарей, и фонари часто включают в течение дня, чтобы регулировать напряжение зарядки аккумулятора.

Когда эта схема работает (что обычно и бывает), она работает очень хорошо.

Проблема в том, что иногда светодиоды заедают, в конечном итоге полностью разряжая аккумулятор.

Я почти уверен, что проблема в этой схеме (а не в коде), потому что:

  • состояние кажется физически очень хрупким. Кажется, что достаточно открыть (обычно запечатанный) корпус, чтобы светодиоды погасли, как и поднять его и встряхнуть! Затрудняет диагностику цепи!

  • Но я могу сказать (по беспроводной связи), что Atmega не перезагружается.

  • И поскольку оба канала имеют одинаковую неисправность, это заставляет меня думать, что это ошибка конструкции, а не неисправность компонента или плохое соединение.

  • Кроме того, засовывание пальцев по всей цепи (мой быстрый тест на схему с высоким импедансом) не вызывает реакции светодиодов.

  • И Q1 и Q2 не кажутся очень горячими в таком состоянии, по крайней мере, не после того, как они находились в этом состоянии в течение достаточного количества времени - я никогда не замечал его в действии...

Если подумать, R3 также может быть меньше. Но мне тоже трудно поверить, что проблема в этом.

Одной из возможных ошибок является отсутствие снаббинг-диода на нагрузке, так как длины проводов довольно большие. Но если бы это было проблемой, ожидал бы я, что он включится на полную мощность?

Другая ошибка может заключаться в том, что я занижал R1 + R2 для подавления каких-то колебаний?

Другой ошибкой может быть неучет влияния какого-либо теплового события на Q1 и Q2? Возможно, усугубляется нахождением на солнце?

Я уверен, что кто-то здесь может сказать мне, что происходит :)

Если отрицательное (0 В) питание плохое (и расположение транзисторов слабое), он может защелкнуться из-за падения напряжения в этом питании.
У меня есть относительно толстый провод, идущий прямо к земле MOSFET, а все остальное слаботочное. Так что я думаю, что я это прикрыл - но это интересная возможность...
Я думаю, что проблема, вероятно, в том, что я летаю слишком близко к проводу где-то в цепи - возможно, меня поймал какой-то паразитный или тепловой эффект, который я наивно не рассматриваю, но кто-то более опытный в переключении сильноточных нагрузок мог бы. ..
Я думаю, вы должны решить это в первую очередь: «состояние кажется физически очень хрупким. Простого открытия (обычно запечатанного) корпуса, кажется, достаточно, чтобы светодиоды выключились, как и поднятие его и встряхивание! Затрудняет выполнение любой схемы. диагностика!"
@diverger Я бы хотел сначала решить это :) Но я думаю, что это все одно и то же. Например, если проблема связана с паразитной емкостью, то это также является причиной физической хрупкости — открытие корпуса изменяет паразитную емкость, что приводит к краху неправильного поведения.
Мне очень любопытно, почему встряхивание/поднятие может привести к тому, что это не сработает? У тебя болтается провод в замке?
@diverger Это «прототипная» сборка, но я бы не сказал, что что-то болтается или находится под угрозой короткого замыкания. Это все спаяно. Сама плата на этом этапе еще не прикручена.
Может быть связано с заземлением или проблемой ПЧ. Вся ваша система плавает, верно?
@diverger Да, система плавает. Корпуса пластиковые. Какой сценарий вы имеете в виду?
Вы говорите, что это «управление дистанционными светодиодными фонарями», там длинный кабель? Если есть, пробовали ли вы их сломать, посмотрите, хорошо ли работает ваша «коробка» без светодиодов.
@diverger Да, один канал - это около 10 м светодиодной ленты. Другой управляет светодиодным прожектором на 5-10 м кабеля. Я не пытался вмешиваться в свет, когда он был включен. Он джемовал всего несколько раз - так что воспроизвести его тоже сложно!
Моя идея состоит в том, чтобы найти причину неисправности. Если это ведомая часть, это может привести к неисправности привода. Или в самом драйвере какая-то ошибка.
@diverger Эти две нагрузки имеют очень разное производство, но ведут себя очень похоже. Общей чертой является то, что они находятся на достаточной длине кабеля, поэтому там будет немного индукции. Хммм, я думаю, один канал может даже индуцировать напряжение на другом канале...
Покажите изображение конструкции и то, как именно питание подается на схему и как вход точно подается на схему, а также все контуры заземления, которые у вас могут быть, которые могут потреблять ток светодиода, когда они не должны быть.
@Andyaka, наверное, непрактично все это передавать. Это прототип, поэтому сборка не очень строгая и не задокументирована.
@DavidSainty - тогда у тебя есть ответ! Отправьте +50 баллов на благотворительность LOL! PS Я думаю, что это проблема макета.
Есть ли у кого-нибудь мысли о том, может ли неисправность быть вызвана индуктивной составляющей нагрузки, индукцией между каналами или, возможно, нагрузками являются примерно небольшая катушка индуктивности, включенная последовательно с диодом? Я могу представить, что проблема может быть там, но я не могу понять, почему эти аспекты могут привести к очевидному запирающему поведению (т.е. решение может состоять в том, чтобы добавить снаббирующий диод к каждому каналу, но я все же хотел бы понять причины, по которым это происходит).
«И поскольку оба канала имеют одинаковую неисправность, это заставляет меня думать, что это конструктивный недостаток, а не неисправность компонента или плохое соединение». Один раз выведя мосфеты за пределы их SOA, можно было бы повредить оба одинаково. Кроме того, вы управляете обоими с одной и той же парой BJT, поэтому, если какой-либо из них сломан ... В любом случае, все, что люди могут здесь сделать, это догадываться, чтобы действительно сделать больше, необходимо провести некоторые измерения. Поскольку вы говорите, что это прототип, вы, возможно, сможете припаять несколько кабелей, которые будут выходить наружу, и когда это произойдет, вы сможете прикрепить прицел?
@PlasmaHH Я должен уточнить - каждый канал является полной и независимой копией вышеуказанной схемы.
@PlasmaHH На данный момент я недостаточно использую полевые МОП-транзисторы, поэтому я был бы удивлен, если бы они вышли за рамки своего SOA. Они также не повреждены явно — проблема носит периодический характер, и в целом система работает так, как было задумано.
Мой текущий план состоит в том, чтобы в следующий раз оценить внешние нагрузки и посмотреть, не выявит ли это что-нибудь. Но этого уже давно нет...
Где именно и как подключен ваш "еще один BC557"? Он висит на источнике питания +12 В или на источнике питания 3,3 В вашего Atmega?
@brhans Хех, да, с рельса 3,3 В. Я, вероятно, должен был включить его в принципиальную схему, но я обрезал его, чтобы улучшить отношение сигнал/шум (я так думаю).
Спасибо всем за участие в разборе моей проблемы! Схема была стабильной с тех пор, как я поднял вопрос, вероятно, потому, что она является частью солнечной системы, а погода не очень солнечная. Без конкретного диагноза трудно решить, кому отдать награду. Я действительно хотел бы дать его нескольким людям, так как я на самом деле еще не знаю, кто будет ближе всего к правильному, но мне дали несколько возможностей, на которые нужно обратить внимание, и четкое представление о том, где не смотреть. . Так что я награждаю его за очень разумное предложение включить в схему диагностические светодиоды.

Ответы (6)

При использовании параллельных МОП-транзисторов в выходном каскаде вам следует установить небольшие балластные резисторы (0,2 Ом) на каждую клемму источника для заземления. Это гарантирует, что МОП-транзисторы распределяют ток поровну.

... Это работает следующим образом: если один полевой МОП-транзистор начинает потреблять больше тока, это приведет к снижению Vgs этого МОП-транзистора, что немного отключит МОП-транзистор и перебалансирует ток между МОП-транзисторами.

Кроме того, лучше всего дать каждому MOSFET собственный независимый резистор затвора, это может устранить любые колебания потенциала (по крайней мере, это рекомендуется в схемах усилителя с параллельными выходными транзисторами).

Я бы просто поместил их на общий радиатор и позволил естественному положительному температурному коэффициенту Rdson позаботиться о балансировке. Мне кажется, что использование резисторов на 200 мОм для балансировки тока через полевые МОП-транзисторы с сопротивлением 36 мОм кажется большой тратой энергии, особенно если полевые МОП-транзисторы справляются с этой задачей даже при дисбалансе.

Проблема может быть в коде. Когда есть перенапряжение, вы говорите ему разрядить аккумулятор, но когда он находится под напряжением, вы не говорите ему прекратить разрядку . Если вы говорите ему остановиться, то, скорее всего, вход плавает (вверх или вниз), в результате чего светодиоды остаются включенными.

Это наиболее очевидная причина, но я не думаю, что это код, потому что очень незначительные физические воздействия (например, открытие корпуса) вызывают восстановление схемы. Я не могу думать о том, почему код будет реагировать на такие взаимодействия, поэтому я отклонил эту возможность как (вероятно) маловероятную.
Что касается точки входа с плавающей запятой, то здесь есть подтягивающие резисторы вверх/вниз.

Я бы сделал несколько вещей.

1) Забудьте о паразитах. На тех уровнях привода, которые вы используете, это не будет проблемой.

2) Ради всего святого, поставьте какую-нибудь развязывающую емкость! 10 - 100 мкФ электролитические и 0,1 мкФ керамические.

3) Поместите светодиод последовательно с R1 и установите его так, чтобы он был виден снаружи корпуса. Когда возникает неисправность, вы можете определить, связана ли она с полевыми МОП-транзисторами или схемой привода затвора.

4) Когда вы говорите, что встряхивание может решить проблему, это встряхивание? Или это трогательный случай, когда берешь в руки? Если это последнее, это говорит о том, что у вас нет надлежащего заземления обратно к источнику команд.

5) Замените R6 на 1k и замените R3 на 10k. Но это незначительные.

6) Вместо R5, управляющего обоими затворами, подключите к каждому затвору отдельный резистор. В данном случае это не должно быть критично, но это хорошая практика.

На цепи 3.3В конечно есть некоторая развязка - но не так сильно возле этих транзисторов. Нагрузки питаются +12 В напрямую от батареи, поэтому развязка на шине +12 В в первую очередь предназначена для питания Q3. Вы видите в этом возможную причину?
Мне нравится идея со светодиодом - я должен сделать это постоянным :)
4. Я думаю, что это было больше, чем прикосновение к делу. Проблема не повторялась ни разу с момента поднятия этого вопроса, поэтому у меня не было возможности получить больше «тестовых данных».

Я бы изменил положение R1, чтобы оно было справа от R2, а не слева, как показано на прилагаемых схемах, и изменил его значения на 1k.

Таким образом, когда PNP включен, напряжение MOSFET на затворе будет 6 В (12/2), чего достаточно для полного включения. В исходной схеме это 12 В, и при этом большем напряжении нет никакой дополнительной выгоды, наоборот, во входной емкости MOSFET будет храниться больше заряда.

Когда PNP выключен, емкость МОП-транзистора может разряжаться через 1 кОм и, следовательно, будет быстрее разряжаться, чем через 1 кОм8+180 в исходной схеме. Кроме того, любой ток утечки от PNP, «пытающийся» зарядить емкость MOSFET, будет вести себя лучше, чем в исходных схемах, как я попытаюсь уточнить ниже.

схематический

смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab

Пусть Ileak будет током утечки от PNP. Если мы проведем эквивалентный анализ Thevenin от затвора MOSFET с предложенной схемой, напряжение Thevenin будет Ileak·1k, а сопротивление Thevenin 1000 Ом. При исходной схеме напряжение будет Iтечь·1к8 и эквивалентное сопротивление 1980 Ом. Если, например, ток утечки составляет 500 мкА, новая схема будет заряжать конденсатор до 0,5 В (недостаточно для его включения). В оригинале, хотя и медленнее, заряжал бы его до 0,9 (близко к включению).

Причина, по которой я разместил R1 и R2 таким образом, заключалась в том, чтобы уменьшить сопротивление на пути «включено», оставив неизменным сопротивление пути «выключено». По этой причине это казалось лучшим выбором. Однако, когда я занимался математикой, я не думаю, что учел ток утечки, который я должен был учитывать. Тем не менее, должно быть что-то еще, чтобы превратить это в историю о том, почему это заедает. Возможно, какое-то тепловое состояние, при котором ток утечки остается постоянно повышенным, или порог затвора остается постоянно пониженным...
На самом деле, начиная с 1 В или около того, МОП-транзисторы начинают включаться, поэтому я думаю, что путь «выключения» должен быть предпочтительным. Не могли бы вы измерить, какое значение будет иметь ток от PNP к МОП-транзисторам, если микроконтроллер зафиксирует вход схемы на 0 В?
Это хороший момент. Я могу проверить напряжение «выключено» на воротах завтра (если не идет дождь :) и посмотреть, что делает типичная утечка. Я бы сказал, однако, что светодиоды выглядят довольно яркими, когда он включен, это не похоже на нижний предел линейной области...

Пара наблюдений:

1) Общее ли заземление во всей конструкции, включая ATMega? или вы позволяете большому обратному току течь через землю? Падение напряжения из-за протекания сильного тока сдвинет напряжение этой цепи относительно контроллера.

2) Вы переборщили с базами на всех транзисторах. Просто посмотрите на нижнюю часть Q3. Через R1 будет протекать ~ 1 мА, для этого требуется только Ib на Q3 50 мкА, чтобы достичь 10 мА Ic. Но вы сильно заземляете базу Q3 через R4 (2K) => ~ 6 мА. Посмотрите на значения из техпаспорта Moto, стр. 3, рис. 3. Это, безусловно, замедлит его (но не приведет к зависанию). Пока вы находитесь, пересчитайте значения для R4 и R6 и нормализуйте R3 и R5 до значения 11K.

3) То, что встряхивание его меняет состояние, может говорить о том, что у вас перемежающееся короткое замыкание.

1. Да, включая ATMega.
2. Мне пришлось бы вернуться назад и проверить свои математические расчеты, но жесткое управление базами сделано намеренно для того, чтобы, в конечном счете, жестко управлять полевыми МОП-транзисторами. Когда канал включен, это означает, что я полностью потребляю ток. Но далеко не так сильно, как нагрузка в 100 Вт, для которой я его разработал :) Думаю, я ничего не выбил из спецификации?
3. Я действительно уверен, что это не так... Оба канала имеют одинаковую проблему. Если бы не работал только один канал, я бы купил его...
Что касается вашего первого замечания, я почти уверен, что заземление ATMega достаточно прочное, потому что я использую его АЦП для получения текущего напряжения батареи. В прошлом у меня были проблемы, когда земля ATMega тянула ток, и в этих случаях я видел очень запутанные показания напряжения батареи. В таком дизайне напряжение батареи выглядит вменяемым. Земля MOSFET, во всяком случае, должна быть немного выше, чем, скажем, земля на R1. Но это должно облегчить отключение МОП-транзистора, поэтому трудно понять, в чем может быть проблема?

Как уже было сказано ранее, я бы еще раз проверил точки смещения BJT, так как они работают довольно жестко, но это не должно быть проблемой. Есть очень, очень, очень малая вероятность того, что их паразитные соединения будут включены, но схема не восстановится, если она не будет отключена, и к этому моменту BJT, вероятно, уже будут бывшими BJT.

Было бы целесообразно взять затворы МОП-транзисторов и снабдить их отдельными резисторами затвора (т. е. по 180 Ом каждый), а затем подключить к R1, чтобы опустить их. Хотя это обычно не проявляется с таким уровнем мощности или стандартными полевыми МОП-транзисторами, вполне возможно, что затворы «звонят» (т. Е. Вы можете видеть, как Q1 и Q2 включаются вперед и назад во время «зависания»). ситуация) между собой с их C и L вместе с любой индуктивностью, лежащей вокруг соединений и цепи, действующей как реактивные элементы.

Как я уже сказал, это небольшой шанс, но его легко попробовать, и с точки зрения хорошей практики я бы просто не стал делить резисторы затвора между полевыми МОП-транзисторами.

Должен признаться, что я построил это на плате в виде полосовой доски, что упрощает создание двух параллельных MOSFET, но два MOSFET с независимыми резисторами затвора несколько сложнее механически :) Я всегда чувствовал, что объединенные 2k (R1 + R2) вытягивание для полевых МОП-транзисторов должно быть достаточно маленьким, чтобы подавить любой звон - если не сразу, то, по крайней мере, в конце концов. Как вы думаете, моя интуиция неверна?
@DavidSainty Честно говоря, да, я думаю, ты в порядке. Если бы я строил что-то подобное и очень волновался, я бы обычно вытягивал по 1 КБ каждый, но даже 10 КБ было бы достаточно. В вашем случае следует помнить, что путь подтяжки для этих ворот довольно сильный, и вам нужно всего ~ 3 мА через Q3 (и, следовательно, R1), прежде чем вы начнете включать оба полевых транзистора. Нестабильность состояния и то, как легко, по вашим словам, вы можете его нарушить, по-прежнему заставляет меня думать, что это какая-то емкостная проблема (т.е. прикосновение к парам в дополнительной емкости).