Выбор NMOS FET для защиты от обратной полярности

Я работаю над схемой защиты от обратной полярности, аналогичной той, что показана на рисунке 2 SLVA139: схемы защиты от обратного тока/батареи . Вот моя схема:

входная цепь

Мой случай немного сложнее из-за возможного входного напряжения в диапазоне 5-40В. Большинство полевых МОП-транзисторов имеют максимальное напряжение затвор-исток V GS , равное 20 В, поэтому мне нужен зажим Зенера на затворе (или очень большой/дорогой полевой транзистор). Максимальный входной ток будет около 6А.

Мне интересно, какие характеристики FET действительно важны в этой конфигурации? Я знаю, что определенно хочу, чтобы напряжение пробоя сток-исток BV DSS было достаточно высоким, чтобы выдерживать полное входное напряжение в условиях обратной полярности. Я также почти уверен, что хочу минимизировать R DS(on) , чтобы не вводить импеданс в цепь заземления. Fairchild AN-9010: Основы МОП-транзисторов говорят о работе в омическом диапазоне:

«Если напряжение сток-исток равно нулю, ток стока также становится равным нулю независимо от напряжения затвор-исток. Эта область находится слева от граничной линии V GS – V GS (th) = V DS ( V GS – V GS(th) > V DS > 0). Даже если ток стока очень велик, в этой области рассеиваемая мощность поддерживается за счет минимизации V DS(on) ».

Подпадает ли эта конфигурация под классификацию V DS = 0? Это кажется несколько опасным предположением в шумной среде (это будет работать вблизи различных типов двигателей), поскольку любые смещения напряжения между землей входного источника питания и местной землей могут вызвать протекание тока. Даже при такой возможности я не уверен, что мне нужно указывать максимальный ток нагрузки для тока стока I D . Из этого следует, что мне не нужно рассеивать слишком много энергии. Я полагаю, я мог бы смягчить проблему, зажав стабилитрон V GS ближе к V GS (th) , чтобы уменьшить ток / напряжение стока?

Я на правильном пути с этим, или я упускаю какую-то важную деталь, которая заставит крошечный полевой МОП-транзистор взорваться мне в лицо?

Ах, давай! KiCad прекрасен, зачем ты портишь свою схему, держу пари, ты мог бы нарисовать что-нибудь получше.
@abdullahkahraman Это определенно не лучшая моя работа. Когда я (недавно) переключился с Eagle, я не был поклонником символа резистора по умолчанию, представляющего собой прямоугольную версию в стиле IEC, и нашел символ пилообразного стиля США в другой имеющейся у меня библиотеке. Оказывается, символы открытой библиотеки имеют очень непоследовательный размер, и в результате все выглядит несуразно. Я, вероятно, закончу тем, что очистю копию преобразованных символов библиотеки Eagle rcl с library.oshec.org — как есть, у них есть символ для каждого пакета, неправильное позиционирование текста по умолчанию и т. д.
Я создаю свои собственные библиотечные символы на основе значений по умолчанию. Я создаю два разных символа для горизонтальных резисторов и вертикальных резисторов, например, выравнивая их тексты. Это большая работа на один раз, затем вы ускоряетесь, когда используете ее. С другой стороны, без пользовательской библиотеки также легко редактировать позиционирование текста на лету. Просто нажмите Mклавишу и нажмите R, когда это необходимо ..
Надеюсь, KiCad скоро вам понравится :) Особенно, когда вы откроете для себя функцию «Повторить последний элемент». Я изменил горячую клавишу на «Пробел», теперь рисовать схемы действительно легко и быстро.

Ответы (1)

Использование MOSFET для защиты от обратного напряжения очень просто.
Некоторые из ваших ссылок верны, но имеют низкую актуальность и, как правило, делают проблему более сложной, чем она есть. Ключевые требования (которые вы, по сути, уже определили):

  • МОП-транзистор должен иметь достаточное значение Vds_max для максимального приложенного напряжения.

  • Рейтинг MOSFET Ids_max более чем достаточен

  • Rdson как можно ниже.

  • Vgs_max не превышено в финальном контуре.

  • Рассеиваемая мощность при установке способна разумно управлять рабочей мощностью I_operating^2 x Rdson_actual

  • Рассеиваемая мощность в установленном состоянии способна включать и выключать области с более высоким рассеиванием.

  • Ворота доведены до отсечки «достаточно быстро» в реальной схеме.
    (В худшем случае - применить Vin правильно, а затем мгновенно изменить Vin. Достаточно ли быстро отсечка?)

На практике это легко достигается в большинстве случаев.
Vin мало влияет на рабочее рассеяние.
Rdson должен быть оценен для наихудшего случая, который может быть испытан на практике. Около 2 х Rdson с заголовком обычно безопасны ИЛИ внимательно изучите спецификации. Используйте рейтинги для наихудшего случая — НЕ используйте типичные рейтинги.

При желании включение может быть медленным, но учтите, что необходимо учитывать рассеяние.
Выключение при обратной полярности должно быть быстрым, чтобы обеспечить внезапное применение защиты.


Что такое Iin max?
Вы не говорите, что такое I_in_max, и на практике это имеет большое значение.


Вы процитировали:

«Если напряжение сток-исток равно нулю, ток стока также становится равным нулю независимо от напряжения затвор-исток. Эта область находится слева от граничной линии VGS–VGS(th)=VDS (VGS–VGS (th) > VDS > 0).

и

Даже если ток стока очень велик, в этой области рассеиваемая мощность поддерживается за счет минимизации VDS(on)».

Обратите внимание, что это относительно независимые мысли автора. Первый по существу не имеет отношения к этому приложению.
Второй просто говорит, что низкий Rdson FET - хорошая идея.


Ты сказал:

Подпадает ли эта конфигурация под классификацию VDS = 0? Это кажется несколько опасным предположением в шумной среде (это будет работать вблизи различных типов двигателей), поскольку любые смещения напряжения между землей входного источника питания и местной землей могут вызвать протекание тока. Даже с такой возможностью я не уверен, что мне нужно указать максимальный ток нагрузки на идентификаторе тока стока. Из этого следует, что мне не нужно рассеивать слишком много энергии. Я полагаю, что я мог бы смягчить проблему, зажав Зенера VGS ближе к VGS (th), чтобы уменьшить ток / напряжение стока?

Слишком много размышлений :-).

Когда Вин в порядке, как можно скорее включите FET.
Теперь Vds настолько низок, насколько это возможно, и устанавливается Ids ^ 2 x Rdson Ids
= ток вашей цепи.
При температуре окружающей среды 25°C Rds начинаются со значения, указанного при 25°C в спецификации, и увеличиваются, если полевой транзистор нагревается. В большинстве случаев полевой транзистор не сильно нагревается.
например, 1 полевой транзистор на 20 мОм при 1 ампер дает нагрев 20 мВт. Повышение температуры очень мало в любом разумном корпусе с минимальным теплоотводом. При 10 А рассеивание = 10 ^ 2 x 0,020 = 2 Вт. Для этого потребуется DPAk, TO220, SOT89 или лучше pkg и разумный радиатор. Температура штампа может находиться в диапазоне 50-100°C, а Rdson будет превышать номинальное значение 25°C. В худшем случае вы можете получить, скажем, 40 мОм и 4 Вт. Это по-прежнему достаточно легко спроектировать.

Добавлено: использование макс. 6 А, которое вы впоследствии предоставили.
PFet = I^2.R. R = P/i^2.
Для максимальной рассеиваемой мощности 1 Вт требуется Rdson = P/i^2 = 1/36 ~= 25 мОм.
Очень легко достигается.
При 10 мОм P = I^2.R = 36 x 0,01 = 0,36 Вт.
При 360 мВт TO220 будет теплым, но не горячим, без радиатора, но с хорошим воздушным потоком. След радиатора флага будет держать его счастливым.

Следующие ниже $ 1,40 / 1 и в наличии на Digikey.

LFPACK 60V 90A 6,4 мОм !!!!!!!!!!!

TO252 70В 90А 8 мОм

TO220 60В 50А 8,1 мОм


Ты сказал:

Я полагаю, я мог бы смягчить проблему, зажав Зенера VGS ближе к VGS (th), чтобы уменьшить ток / напряжение стока?

Нет!
Лучше оставить напоследок :-).
Это прямо противоположно тому, что требуется.
Ваш протектор должен оказывать минимальное влияние на контролируемую цепь.
Вышеупомянутое имеет максимальное влияние и увеличивает рассеяние в протекторе по сравнению с тем, что может быть достигнуто с помощью полевого транзистора Rdson с разумным низким значением и его резкого включения.

Хороший вопрос, я добавил к вопросу максимальный входной ток.
Выдающийся ответ; берет сложную проблему и сводит ее к нулю. Как перейти от «Войны и мира» к детской песенке. Подобные вопросы и ответы делают этот сайт замечательным!
@macduff - Спасибо. У меня, возможно, 100 000+ таких «где-то там». Используется для защиты от переполюсовки батареи в солнечном фонаре, где потеря падения напряжения на диоде существенно влияет на срок службы и эффективность батареи. Если падение напряжения на диоде составляло, скажем, 0,3 В с помощью Шоттки, то при Vbat = 3,3 В вы теряете 9% своей энергии в диоде и снижаете доступное напряжение до 3 В, поэтому повышающему преобразователю приходится прилагать гораздо больше усилий. Кто бы мог подумать, что каждый из них имеет защиту от переполюсовки батареи FET и повышающий преобразователь :-)