Рекомендации по выбору источника питания P-Channel MOSFET

Я знаю, что уже есть вопросы и ответы о P-Channel MOSFET и выборе источника питания, но я все еще нахожусь в замешательстве, так как многие из них сложнее, чем моя схема, или просто подключены по-другому. Я выложу свой дизайн, а затем перечислю несколько вопросов. Любые мысли будут очень признательны!

Я питаю ATMEGA328P примерно от 5 В (так что он может работать на частоте 16 МГц). Обычно он будет работать от 3 последовательно соединенных ААА (всего 4,5 В). Когда я подключаю 5-вольтовую плату FTDI USB-to-serial для ее программирования, я бы хотел, чтобы питание от батареи было отключено, чтобы не повредить батарею (я не хочу ставить туда диод). Я планирую использовать P-Channel MOSFET логического уровня. Я ожидаю потреблять около 50 мА максимум, но могу запланировать 100 мА, чтобы быть в безопасности.

схематический

смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab

Анализ:

Vusb range: [4.75V, 5.25V] (per USB standards)
Vbat range: [3.8V, 4.8V] (min needed for 16MHz and max from 1.6V AAA estimated max voltage)

USB Connected:

Vusb    Vbat    Vgs    Expected MOSFET State
--------------------------------------------
4.75V   3.8V    0.95V  OFF
4.75V   4.8V   -0.05V  OFF
5.25V   3.8V    1.45V  OFF
5.25V   4.8V    0.45V  OFF

USB Disconnected:

Vusb    Vbat    Vgs    Expected MOSFET State
--------------------------------------------
0V      3.8V   -3.8V   ON
0V      4.8V   -4.8V   ON

Вопросы:

  • Есть ли явные ошибки в этом дизайне?
  • Каков наилучший способ предотвратить случайное открытие MOSFET? Я подключил ворота к земле через R1, что кажется правильным.
  • Я подключил Vusb (затвор) к VCC (сток), затем добавил диод, чтобы полевой МОП-транзистор не всегда был открыт. Это правильное предположение?
  • Нужны ли мне какие-либо другие диоды на двух линиях питания? Я бы предпочел, чтобы их напряжение не падало (иначе я бы просто использовал простую диодную схему ИЛИ, чтобы получить то, что я хочу). Какие обстоятельства могут привести к обратному току в аккумулятор или USB?
  • Я часто видел P-канальные МОП-транзисторы, подключенные наоборот, с нагрузкой, подключенной к истоку, а не к стоку. Что с этим делать? Может ли ток течь в обе стороны? Какой самый обычный?
  • Я планирую, возможно, использовать FQP27P06 , хотя кажется, что большинство логических уровней имеют совместимый диапазон Vgs(th). Есть предложения лучше/дешевле?

Еще раз спасибо! Я задавал много вопросов на этом форуме, и вы всегда так полезны.

При отключенном USB напряжение на затворе транзистора не будет равно 0, оно будет равно Vcc процессора. Поскольку вы хотите, чтобы Vcc был близок к Vbat, результатом будет то, что Vgs близок к нулю, поэтому PMOS никогда не проводит. Вы просто не можете подключить Vcc к затвору транзистора.
Транзистор, который вы подключили, имеет диод от стока к истоку, поэтому, если Vusb на 1,45 В выше Vbat, вы получите значительный ток, возвращающийся к батарее.
@ElliotAlderson Я как раз исправлял это, когда вы, должно быть, опубликовали. Не могли бы вы взглянуть еще раз? Я просто удалил R1, потому что не знаю, куда его положить...
Вам нужно вытягивание, чтобы включить транзистор, когда Vusb уходит. Хуже того, ваша модифицированная схема не имеет пути для тока от Vusb к Vcc. Этот вопрос задают здесь снова и снова, попробуйте выполнить более тщательный поиск.
@ElliotAlderson, а, хороший улов. Я пропустил это. Кажется, что все это просто отключено, потому что я не могу подключить USB к VCC без негативных побочных эффектов (т.е. MOSFET никогда не проводит). Я сделаю еще один удар по этому позже сегодня. Возможно, это как раз тот ответ, который мне был нужен, что в оригинальном дизайне есть вопиющая ошибка. Я верну R1 просто для ясности.
@ElliotAlderson Я вернулся и решил добавить диод D1 между затвором и стоком. Это должно решить проблему, когда МОП-транзистор никогда не проводит ток, верно?
Да, я думаю, это должно сработать. Теперь вам просто нужно подумать о токе, протекающем обратно от Vusb к Vbat через новый диод и диод сток-исток MOSFET. Вы, вероятно, начнете видеть значительный ток, когда Vusb будет примерно на 1 В больше, чем Vbat. Извините, у меня нет решения для этого.
@ElliotAlderson Понятно ... Думаю, мне просто нужно найти шоттки и поставить его на линию батареи. Если это так, я мог бы просто использовать хорошую старую конфигурацию диодов ORing. Я хотел избежать диодов на линии аккумулятора, но, похоже, это невозможно.
@ElliotAlderson Полагаю, я мог бы добавить второй полевой МОП-транзистор в линию батареи, следуя методике этого парня: youtube.com/watch?v=IrB-FPcv1Dc . На данный момент это анализ затрат и выгод от использования диодов ИЛИ.
Да, и всего с 3 или 4 вольтами для работы с Vgs падение напряжения на MOSFET может быть сравнимо с диодом Шоттки. Удачи.
Я думаю, что смогу использовать схему распределения нагрузки из примечания к приложению MCP73831/2, на которое есть ссылка в этом вопросе SO: electronics.stackexchange.com/questions/293353/… . Похоже, это подключает нагрузку к другой стороне MOSFET.
Также @ElliotAlderson относительно комментария о падении напряжения MOSFET, который вы сделали: не будет ли диод корпуса MOSFET работать, пока MOSFET проводит? (поскольку сопротивление падает до RDSon).
Нет, анод диода находится на стоке транзистора, поэтому при нормальных условиях он смещен в обратном направлении. Ток будет протекать через внутренний диод только в том случае, если напряжение стока выше напряжения истока.
@ElliotAlderson, не могли бы вы взглянуть на ответ, который я опубликовал?

Ответы (1)

Я был близок, но это, кажется, рабочая схема, основанная на этом примечании к приложению для схемы распределения нагрузки и этом вопросе SO . По сути, мне нужно было поменять местами полевой МОП-транзистор, с какой стороны идет нагрузка. См. ниже:

схематический

смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab

Анализ этой схемы...

При подключении USB , Vs = Vg - Vf1 ==> Vg - Vs = Vf1 = Vgsгде Vf1прямое падение напряжения на D1. Затем D1можно выбрать такое, чтобы его прямое напряжение падало ниже напряжения Vgs(th)МОП-транзистора, оставляя его открытым. Если Vgs(th)это примерно от -2 В до -4 В (на основе типичного логического уровня P-Channel MOSFET), то нам просто нужен диод с падением напряжения менее 2 В, что очень просто. Нам также необходимо поддерживать как можно более близкое к 5 В значение для микросхемы ATMEGA, поэтому лучше всего использовать схему Шоттки, так как она может обеспечить падение менее 1 В.

Когда USB отключен, Vgвытягивается до 0 В и Vs = Vcc = Vbat - Rds(on)*50mA(приблизительно для тока 50 мА). Таким образом , Vsблизко к 4,5 В Vgs ~= -4.5Vи MOSFET будет проводить. Выбор полевого МОП-транзистора с низким значением Rds(on)предотвратит слишком большие потери напряжения. Диод D1удерживает затвор Vgот равенства Vsв этой точке, так как он будет смещен в обратном направлении.

Навязчивые вопросы...

  • Одна часть, в которой я не совсем уверен, - это сценарий, когда USB отключен: как я могу предположить, что MOSFET проводит? Кажется, что если я начну с этого предположения, то не столкнусь с какими-либо противоречиями. Тем не менее, если я предполагаю, что MOSFET открыт и Vs = Vg = 0V, то я также не сталкиваюсь с противоречиями. Что Vsбыло бы, когда в этом втором случае? Может быть, кто-нибудь прояснит? В противном случае я предполагаю, что люди, написавшие заметку о приложении, о которой я говорю, знают, что делают.

    ОБНОВЛЕНИЕ - Ответ: когда USB отключен, Vg = 0Vа также Vs = Vd - Vfгде Vd = Vbatи Vfнаходится прямое падение напряжения на диоде MOSFET, обычно около 0.65V(обратите внимание, что это обычно указывается Vsdв таблице данных и обычно указывается как отрицательное число). Это ставит Vs ~= 3.85V, в результате чего Vgs = Vg - Vs = -3.85V. Для P-Channel MOSFET с напряжением Vgs(th)от -2 В до -4 В это активирует MOSFET и заставит его проводить. Как только МОП-транзистор включается, падение напряжения на корпусном диоде исчезает и заменяется падением напряжения на внутреннем сопротивлении, называемом , Rds(on)поэтому Vs = Vd - Rds(on)*iгде iожидаемый ток через МОП-транзистор.

    Боковое примечание: пусть вас не смущает тот факт, что Vgs(th)в таблицах часто указывается диапазон, а не одно значение. Это совершенно нормально, и часто желательно, чтобы диапазон был более отрицательным, чем «максимум» (например, -4 В в нашем случае), конечно, в пределах абсолютных максимальных значений, указанных в таблице данных.

  • Необходимо D2? Если я правильно понимаю, то он не дает обратному току попасть в аккумулятор. В примечании к приложению это изображено и упоминается, что вы можете купить полевой МОП-транзистор со встроенным (Шоттки). Я вручную добавил его в свою схему, но это уже предполагается? т.е. он такой же или отличается от паразитного корпуса диода?

    ОБНОВЛЕНИЕ - Ответ: это то же самое, что и внутренний диод полевого МОП-транзистора, и не требуется в качестве «дополнительного» диода. Тем не менее, некоторые рекомендуют не использовать его в качестве единственного диода для защиты от обратного тока .

Источник PMOS должен подключаться к более высокому напряжению (Vbat), а не к более низкому напряжению (Vcc). Символ отображается правильно, но ваши метки для Vs и Vd поменялись местами. Когда USB подключен, Vg=Vusb, поэтому Vgs=Vusb-Vbat. Когда USB не подключен, Vg=0 и Vgs=-Vbat. Вы тратите много энергии на R1... Я бы использовал 1k Ом или так.
@ElliotAlderson Ах, ты прав. Я также хотел сделать резистор 10K. Сегодня утром я немного торопился с публикацией... Спасибо.
@ElliotAlderson Это исправлено. Любые комментарии приветствуются!
D2 — внутренний диод МОП-транзистора; вам не нужно добавлять его как отдельную часть. Кстати, этот же диод может быть важен для правильной работы схемы в момент отключения питания USB. Для рассеивания заряда затвора через R1 потребуется некоторое незначительное время (вероятно, несколько микросекунд), но в это время MCU будет получать питание только от Vbatt через D2. Когда Vg достигает 0 В, P-MOS будет вести себя, как и ожидалось. Убедитесь, что на контактах питания микроконтроллера имеется дополнительная емкость, 1 мкФ или около того, чтобы справиться с такими переходными процессами.
Спасибо @anrieff! Есть мысли по поводу первой пули? А именно почему я могу предположить, что Vs не равен нулю при отключенном USB.
По той же причине: Vd = Vbat, тогда Vs = Vd - 0,65 В (Vf внутреннего диода).
@anrieff Это имеет смысл. Однако это только для того, чтобы определить, закроется ли полевой МОП-транзистор? После закрытия и проведения падение напряжения на канале SD определяется Rds(on), верно?
Правильно. Обязательно выберите полевой МОП-транзистор с достаточно низким Rds (on) при Vgs, который у вас будет - около -4,5 В.
@anrieff Я смотрю на FQP27P06 от On/Fairchild, поскольку он кажется популярным для приложений логического уровня. Что-нибудь выскакивает, что может быть неподходящим? Меня беспокоит то, что он говорит, что Vds до -4,0 В! Если я правильно понимаю, это может привести к тому, что Vs будет около 0,5 В, и МОП-транзистор не закроется, верно? (поскольку это дало бы Vgs -0,5 В, и это намного ниже заявленного Vgs (th) от -2 В до -4 В ...). Мне также было бы любопытно узнать, понадобится ли для этого дополнительный конденсатор, о котором вы упомянули, поскольку он заявлен как быстрый для приложений, подобных моему.
FQP27P06 на самом деле не является логическим уровнем, он оптимизирован для работы при Vgs = -10 В. Вероятно, это сработает, но Rds (on) будет выше по сравнению с полевым МОП-транзистором с истинным логическим уровнем. Существуют лучшие альтернативы (например, IRLML6402). Согласно крышке на MCU - вам все равно нужно иметь немного, например, 100 нФ, но было бы лучше иметь больше, когда вы знаете, что источник питания может иметь небольшие переходные процессы, подобные этому.
@anrieff Откуда вы взяли падение 0,65 В несколькими комментариями выше? Не могли бы вы уточнить, откуда в таблице данных он взялся? Если это был график, я немного сбит с толку, поскольку график не совпадает с 4 В, указанными в таблице для Vsd при испытанном токе. (Кроме того, полевой МОП-транзистор, о котором я упоминал, на самом деле имеет довольно низкий Rds(on), по крайней мере, для меня).
Кремниевый диод имеет типичное прямое напряжение около 0,65 В, и, конечно, это зависит от тока через него и температуры. Внутренний диод (D2) представляет собой один кремниевый диод. Его точные характеристики в FQP27P06 можно увидеть на рисунке 4 в техническом описании («Изменение прямого напряжения корпусного диода»). Но дело в том, что если ваш P-MOS выключен, Vs не может быть меньше (Vd - 0,65В) (если оно есть, то диод корпуса проводит). Если P-MOS включен, то Vs ≅ Vd (остаются только резистивные потери).
Это, конечно, все сильно упрощено и делается много допущений. Я бы порекомендовал вам приобрести хороший инструмент для моделирования цепей (Circuit Lab на этом сайте; или Falstad, или LTspice) и смоделировать все это целиком, я считаю, что многие вещи станут более понятными, когда вы увидите их в действии и визуализируете. напряжения в различных узлах.
Рекомендации по выбору источника питания P-Channel MOSFET
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v