Почему DC/DC с внешним МОП-транзистором имеют ограниченный номинальный ток?

Причина текущего ограничения может быть деловой, а не инженерной.

Дизайн мог быть заказан конкретным заказчиком по конкретному брифу (сопровождаемому крупным и прибыльным заказом) - вероятно, в автомобильной промышленности, судя по спецификации валидации продукта. Затем параметры в брифе стали неотъемлемой частью спецификации продукта. Учитывая, что Infineon — немецкая компания, первоначальным заказчиком, скорее всего, был немецкий производитель автомобилей. Кроме того, ваша догадка так же хороша, как и моя.

Точно так же первый микропроцессор, когда-либо созданный Intel, был создан по заказу компании-заказчика для рынка настольных калькуляторов.

То, как компания реализует это задание, менее важно для клиента: в этом случае использование внешнего резистора Isense было предположительно приемлемым и, по крайней мере теоретически, позволяет любому другому покупателю соответствовать другим спецификациям ограничения тока, заменив измерительный резистор. Внутренняя логика просто определяет напряжение на этом резисторе: у нее нет возможности узнать, каково значение этого резистора.

@DKNguyen прав в том, что устройство имеет ограничения привода затвора - как по ограниченному току, так и по довольно медленному времени нарастания/спада - и этого достаточно для исходного описания с исходным рекомендуемым МОП-транзистором. Хорошо, что они четко указаны в техническом описании, но это техническое описание в первую очередь написано для поддержки клиента при реализации исходного брифа.

Использование устройства для других целей (например, источник питания 10 А), вероятно, будет возможно, если вы спроектируете его с учетом всех других заявленных ограничений (например, выберите полевой транзистор с приемлемой емкостью затвора и подходящую катушку индуктивности).

Но я бы не ожидал, что Infineon одобрит или поддержит такую ​​конструкцию — ВЫ САМОСТОЯТЕЛЬНЫ, особенно если ваша конструкция критична для безопасности, — если только вы не получите от Infineon специального отказа после рассмотрения вашей конструкции одним из их FAE. (Связаться с ними было бы хорошей идеей для любого серьезного использования продукта ... они могут, по крайней мере, подтвердить (или исправить) эту гипотезу. Но я сомневаюсь, что они пересмотрят ваш дизайн менее чем на сто тысяч единиц.) Это может быть или может не иметь значения для ваших целей, но следует иметь в виду, если вы используете его вне краткого описания таблицы.

Заявленный предел в 2,3 А не является пределом того, что может выдержать контроллер, это предел, который применяется контроллером для защиты остальной части цепи. Значение 2,3 А основано на эталонной цепи.

Вы можете изменить этот лимит. См. раздел 7.10.2 в техпаспорте. В нем говорится: «Пиковый ток, который может обеспечить понижающий преобразователь, определяется пороговым напряжением ограничения пикового тока VLIM и измерительным резистором RSENSE». Затем он дает формулу для расчета нового RSENSE для нового предельного значения.

Если вы хотите найти ожидаемый пиковый ток для данной конструкции, вы можете смоделировать схему. Или используйте удобный калькулятор, такой как калькулятор доллара на http://schmidt-walter-schaltnetzteile.de/smps_e/smps_e.html . Если вы обнаружите, что вам нужен более высокий предел тока на основе симуляции, отрегулируйте RSENSE.

Возможности управления затвором микросхемы контроллера не безграничны, поэтому вы не можете просто подключить к выходу бесконечно большой полевой МОП-транзистор. Могут быть и другие ограничивающие факторы, но я знаю только об этом.

РЕДАКТИРОВАТЬ: Было указано, что указание тока вместо предела заряда затвора было бы окольным способом, поскольку «нет надежного способа соотнести заряд затвора с текущей емкостью».

Это правда, что надежной корреляции нет. Так откуда же тогда номинальный ток 2,3 А на первой полосе? Конечно, надежной корреляции для инженерных целей не существует , но вы можете использовать существующие технологии, если ваша цель — маркетинговые цели.

Учтите, что аналогичные значения тока указаны для МОП-транзисторов на первой странице, но вы не можете добиться их на практике (по крайней мере, я никогда не смогу), в то время как$R_{dson}$, полезный параметр спрятан глубже в даташите.

Вместо ограничения заряда затвора (что потребовало бы знания слишком большого количества неизвестных об условиях работы полевого МОП-транзистора конечного пользователя) эти DC-DC контроллеры, как правило, прячут ток возбуждения затвора, а не предел заряда затвора глубже в таблице данных.

Устройства, которые управляют внешними полевыми МОП-транзисторами, могут иметь широкий спектр приложений, каждое из которых имеет свои требования к выходному напряжению и току.

Может быть требование, чтобы в случае короткого замыкания нагрузки выходной ток не превышал определенного установленного максимума, который может защитить саму печатную плату (от чрезмерного тока, повреждающего цепь питания), полевой МОП-транзистор (который будет иметь некоторый максимально допустимый ток) и индуктор (для защиты от чрезмерного$I^2R$потери меди.

Мы можем установить внешнее ограничение тока для некоторых частей, которые имеют внутреннее ограничение тока (обычно для тепловой защиты, но не всегда).

Установка предела тока, который не превышает требования конкретного приложения, также позволяет использовать катушки индуктивности меньшего размера, чем это может быть необходимо в противном случае (поскольку ограничение предотвратит насыщение).

Максимальное ограничение тока в вашем приложении необходимо, так как внутренний диод полевого МОП-транзистора будет продолжать проводить ток, даже если МОП-транзистор выключен.

Почему преобразователи постоянного тока в постоянный с внешним MOSFET имеют ограничение по току?

При проектировании силового преобразователя любого типа целесообразно ограничивать ток, чтобы предотвратить условия перегрузки, создающие возможный риск возгорания.

если через компонент протекает слишком большой ток, он рискует слишком сильно нагреться и превысить температуру перехода.

Многие приличные регуляторы будут контролировать температуру своего перехода и отключаться - ограничение тока используется для сценариев перегрузки по току, когда температура компонентов не обязательно такая высокая, но схема может сбрасывать мощность на нагрузку, что создает риск возгорания.

Существуют ограничения на слияние, которые необходимо предотвратить. Существуют также ограничения на ток, применяемый при использовании катушек индуктивности (например,$L_1$на твоей картинке). Вы же не хотите, чтобы оно насыщалось магнитным полем.

Итак, рассматриваемая микросхема позволяет использовать$R_{SENSE}$резистор, и это, конечно, не нужно использовать, но не использовать его обычно не очень хорошая идея.

Во-первых, ограничение тока — это встроенная защита вашего внешнего полевого транзистора на случай, если полевой транзистор испытает опасный уровень тока во время какого-то редкого переходного процесса. Например, если ваш полевой транзистор рассчитан на 20 А, а ваш нормальный рабочий ток через измерительный резистор составляет 10 А, похоже, вы можете использовать полевой транзистор на 20 А. Но кто защитит вас, если ток чувствительного резистора внезапно поднимется до 30 А при переходных режимах или неисправностях? На плате преобразователя постоянного тока нет предохранителя, который защитил бы вас.

Во-вторых, напряжение на чувствительном резисторе усиливается внутренним усилителем с фиксированным коэффициентом усиления. Если напряжение очень велико, оно может насытить внутренний усилитель. Конечно, вы всегда можете выбрать меньший резистор, чтобы обеспечить меньшее падение напряжения на чувствительном резисторе, но ограничение тока также требует точности. Производитель не хочет рисковать выходом за рамки спецификации, не указывая, какие типы резисторов и ограничения тока можно использовать.

В-третьих, максимальная нагрузка, которую может выдержать контроллер постоянного/постоянного тока, тесно связана с требованиями к стабильности контроллера. Контроллер становится менее стабильным (работает хуже при ступенчатом изменении нагрузки или изменении питания), когда ток нагрузки очень высок. При этом вы можете предсказать максимальный ток, проходящий через измерительный резистор, используя наихудшее соотношение vin/vout. По какой причине ток выше установленного предела? Если это связано с тем, что ваша нагрузка увеличивается, то я бы сказал, что изменения полевого транзистора недостаточно, поскольку у контроллера могут быть проблемы со стабильностью при нагрузке, превышающей спецификацию.

На самом деле я довольно хорошо знаю это устройство и хотел бы вам помочь: приложение Autmotive не выступает против ограничения того, как и где вы можете использовать это устройство, оно просто определяет, как оно квалифицировано и проверяется надежность (посмотрите AEC- Q100).

Первая очевидная причина, по которой контроллер не справляется с произвольными токами нагрузки, уже упоминалась. Именно ограниченная способность управления током/напряжением драйвера затвора не позволит вам использовать полевые МОП-транзисторы с более низким RDSON, потому что они будут иметь более высокий заряд затвора...

Вторая причина до сих пор не упоминалась, но она очень важна. Этот контроллер использует так называемую схему управления «режим пикового тока». Это основная причина, по которой имеется чувствительный резистор, который возвращает ток переключателя в контроллер. Вы можете прочитать о принципах «управления режимом пикового тока» в некоторых приложениях или в «Основах силовой электроники» Эриксона. Преимущество этого метода заключается в том, что вы получаете управление первого порядка для выходной передаточной функции, которую легче компенсировать. Во-вторых, вам в любом случае нужно измерение тока, если вы хотите защитить свое устройство и переключить от условий короткого замыкания. Однако этот метод управления ограничивает возможные значения индуктивности, которые вы можете выбрать, по сравнению с резистором датчика и установленным выходным напряжением.

В разделе 7.10.1 вы можете увидеть это ограничение на выбираемую катушку индуктивности. Когда вы сделаете математику для желаемых условий работы, вы увидите, что при выборе катушки индуктивности в соответствии с данной формулой ваши пульсации выйдут за пределы «запаса» до верхнего предела тока.