Beratung für diesen P-Kanal-MOSFET-Leistungsquellenwähler

Ich weiß, dass es bereits Fragen und Antworten zu P-Kanal-MOSFETs und der Auswahl der Stromquelle gibt, aber ich bin immer noch ziemlich verwirrt, da viele davon komplexer sind als meine Schaltung oder einfach anders angeschlossen sind. Ich werde mein Design auslegen und dann ein paar Fragen auflisten. Alle mögliche Gedanken würden sehr geschätzt!

Ich versorge einen ATMEGA328P mit ungefähr 5 V (damit er mit 16 MHz betrieben werden kann). Normalerweise läuft es mit 3 AAAs in Reihe (insgesamt 4,5 V). Wenn ich eine 5-V-FTDI-USB-zu-seriell-Karte anschließe, um sie zu programmieren, möchte ich, dass die Stromversorgung der Batterie unterbrochen wird, um eine Beschädigung der Batterie zu vermeiden (ich möchte dort keine Diode einbauen müssen). Ich plane, einen P-Kanal-MOSFET mit Logikpegel zu verwenden. Ich gehe davon aus, dass ich maximal 50 mA ziehen werde, kann aber sicherheitshalber 100 mA einplanen.

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Analyse:

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

Fragen:

  • Gibt es eklatante Fehler bei diesem Design?
  • Was ist der beste Weg, um zu verhindern, dass der MOSFET versehentlich öffnet? Ich habe das Gate über R1 an Masse gebunden, was richtig erscheint.
  • Ich habe Vusb (Gate) mit VCC (Drain) verbunden und dann eine Diode hinzugefügt, um zu verhindern, dass der MOSFET immer offen ist. Ist das eine richtige Annahme?
  • Benötige ich weitere Dioden an den beiden Stromleitungen? Ich möchte lieber keinen Spannungsabfall haben (andernfalls würde ich nur eine einfache ORing-Diodenschaltung verwenden, um das zu bekommen, was ich will). Welche Umstände würden einen Rückspeisestrom entweder in die Batterie oder in den USB erzeugen?
  • Ich habe oft gesehen, dass P-Kanal-MOSFETs umgekehrt angeschlossen sind, wobei die Last eher mit der Source als mit dem Drain verbunden ist. Was ist damit los? Kann Strom in beide Richtungen fließen? Was ist am konventionellsten?
  • Ich plane, vielleicht FQP27P06 zu verwenden , obwohl es scheint, dass die meisten Logikpegel einen kompatiblen Vgs(th)-Bereich haben. Habt ihr bessere/günstigere Vorschläge?

Danke noch einmal! Ich habe in diesem Forum mehrere Fragen gestellt und ihr seid immer so hilfsbereit.

Wenn der USB getrennt wird, ist die Spannung am Gate des Transistors nicht 0, sondern gleich Vcc des Prozessors. Da Sie möchten, dass Vcc nahe an Vbat liegt, ist das Ergebnis, dass Vgs nahe Null ist, sodass das PMOS niemals leitet. Sie können Vcc einfach nicht mit dem Transistorgate verbinden.
Der von Ihnen verbundene Transistor hat eine Diode von Drain zu Source. Wenn also Vusb 1,45 V über Vbat liegt, erhalten Sie einen erheblichen Stromrückfluss zur Batterie.
@ElliotAlderson Ich war gerade dabei, das zu korrigieren, als Sie gepostet haben müssen. Könntest du nochmal nachsehen? Ich habe R1 einfach entfernt, weil ich nicht sicher bin, wo ich es ablegen soll ...
Sie benötigen den Pulldown, um den Transistor einzuschalten, wenn Vusb verschwindet. Schlimmer noch, Ihr modifizierter Schaltplan hat keinen Strompfad von Vusb zu Vcc. Diese Frage wird hier immer wieder gestellt, versuchen Sie es mit einer gründlicheren Suche.
@ElliotAlderson ah guter Fang. Das habe ich vermisst. Es scheint, dass das Ganze einfach aus ist, weil ich den USB nicht ohne negative Nebenwirkungen an VCC anschließen kann (dh MOSFET leitet niemals). Ich werde es später noch einmal angehen. Vielleicht ist dies genau die Antwort, die ich brauchte, dass es einen eklatanten Fehler mit dem ursprünglichen Design gibt. Ich werde das R1 nur zur Verdeutlichung zurückstellen.
@ElliotAlderson Ich bin zurückgekommen und habe beschlossen, eine Diode D1 zwischen Gate und Drain hinzuzufügen. Dies sollte das Problem beheben, dass der MOSFET niemals leitet, oder?
Ja, ich denke, das sollte funktionieren. Jetzt müssen Sie nur noch an den Strom denken, der von Vusb zu Vbat durch die neue Diode und die Drain-to-Source-Diode des MOSFET zurückfließt. Sie werden wahrscheinlich beginnen, einen signifikanten Stromfluss zu sehen, wenn Vusb etwa 1 V größer als Vbat ist. Tut mir leid, dafür habe ich keine Lösung.
@ElliotAlderson Ich verstehe ... Ich denke, ich muss vielleicht nur einen Schottky finden und ihn an die Batterieleitung anschließen. Wenn dies der Fall ist, verwende ich möglicherweise nur eine gute alte ORing-Diodenkonfiguration. Ich wollte Dioden in der Batterieleitung vermeiden, aber das scheint nicht möglich zu sein.
@ElliotAlderson Ich nehme an, ich könnte der Batterieleitung einen zweiten MOSFET hinzufügen, indem ich der Technik dieses Typen folge: youtube.com/watch?v=IrB-FPcv1Dc . An diesem Punkt ist es eine Kosten-Nutzen-Analyse über ORing-Dioden.
Ja, und mit nur 3 oder 4 Volt für Vgs könnte der Spannungsabfall über dem MOSFET mit einer Schottky-Diode vergleichbar sein. Viel Glück.
Ich denke, ich kann möglicherweise die Lastverteilungsschaltung aus dem MCP73831/2 App Note verwenden, auf die in dieser SO-Frage verwiesen wird: electronic.stackexchange.com/questions/293353/… . Es sieht so aus, als würde dies die Last mit der anderen Seite des MOSFET verbinden.
Auch @ElliotAlderson in Bezug auf den von Ihnen gemachten Kommentar zum MOSFET-Spannungsabfall: Würde die Körperdiode des MOSFET nicht im Spiel sein, während der Mosfet leitet? (da der Widerstand auf RDSon abfällt).
Nein, die Diode hat ihre Anode am Drain des Transistors, so dass sie unter normalen Bedingungen in Sperrrichtung vorgespannt ist. Strom fließt nur dann durch die Body-Diode, wenn die Drain-Spannung höher als die Source-Spannung ist.
@ElliotAlderson, kannst du dir die Antwort ansehen, die ich gepostet habe?

Antworten (1)

Ich war nah dran, aber dies scheint eine funktionierende Schaltung zu sein, basierend auf dieser App-Notiz für eine Lastverteilungsschaltung und dieser SO-Frage . Im Wesentlichen musste ich umkehren, auf welcher Seite des MOSFET die Last anliegt. Siehe unten:

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Analyse dieser Schaltung ...

Wenn USB angeschlossen ist, Vs = Vg - Vf1 ==> Vg - Vs = Vf1 = Vgswo Vf1ist der Durchlassspannungsabfall über D1. Dann D1kann so gewählt werden, dass seine Durchlassspannung unter die Vgs(th)des MOSFET fällt und ihn offen hält. Wenn Vgs(th)es ungefähr -2 V bis -4 V ist (basierend auf einem typischen P-Kanal-MOSFET mit Logikpegel), brauchen wir nur eine Diode mit einem Abfall von weniger als 2 V, was sehr einfach ist. Wir müssen auch für den ATMEGA-Chip so nah wie möglich an 5 V bleiben, daher ist ein Schottky am besten, da er weniger als 1 V Abfall liefern kann.

Wenn der USB getrennt ist, Vgwird auf 0 V gezogen und Vs = Vcc = Vbat - Rds(on)*50mA(für einen Strom von ungefähr 50 mA). Somit Vsliegt es nahe bei 4,5 V und Vgs ~= -4.5V, und der MOSFET leitet. Die Auswahl eines MOSFET mit einem niedrigen Wert Rds(on)verhindert, dass zu viel Spannung verloren geht. Die D1Diode verhindert, dass das Gate an diesem Punkt Vggleich ist Vs, da es in Sperrrichtung vorgespannt wird.

Bleibende Fragen...

  • Ein Teil, bei dem ich mir nicht ganz sicher bin, ist das Szenario, wenn der USB getrennt wird: Wie kann ich davon ausgehen, dass der MOSFET leitet? Es scheint, dass ich, wenn ich mit dieser Annahme beginne, auf keine Widersprüche stoße. Wenn ich aber davon ausgehe, dass der MOSFET offen ist und Vs = Vg = 0V, dann stoße ich auch nicht wirklich auf Widersprüche. Was wäre Vswann in diesem zweiten Fall? Vielleicht kann jemand aufklären? Andernfalls gehe ich davon aus, dass die Leute, die die App-Notiz geschrieben haben, auf die ich mich beziehe, wissen, was sie tun.

    UPDATE - Antwort: Wenn USB nicht angeschlossen ist Vg = 0Vund Vs = Vd - Vfwo Vd = Vbatund wo Vfist der Durchlassspannungsabfall der Body-Diode des MOSFET, normalerweise ungefähr 0.65V(beachten Sie, dass dies normalerweise wie Vsdauf einem Datenblatt angegeben ist und normalerweise als negative Zahl angegeben wird). Dies setzt Vs ~= 3.85V, was zu Vgs = Vg - Vs = -3.85V. Bei einem P-Kanal-MOSFET mit einer Vgs(th)Spannung von -2 V bis -4 V wird der MOSFET dadurch aktiviert und zum Leiten gebracht. Sobald der MOSFET eingeschaltet ist, verschwindet der Spannungsabfall von der Body-Diode und wird durch den Spannungsabfall vom Innenwiderstand ersetzt, genannt , Rds(on)also Vs = Vd - Rds(on)*iwo iist der erwartete Strom durch den MOSFET.

    Nebenbemerkung: Lassen Sie sich nicht von der Tatsache verwirren, dass Vgs(th)es sich auf Datenblättern häufig um einen Bereich und nicht um einen einzelnen Wert handelt. Es ist völlig in Ordnung und oft erwünscht, negativer als das "Max" für den Bereich zu sein (z. B. -4 V in unserem Fall), natürlich innerhalb der absoluten Maximalwerte des Datenblatts.

  • Ist D2notwendig? Wenn ich das richtig verstehe, verhindert es, dass Strom in die Batterie zurückgespeist wird. Die App-Notiz zeigt es und erwähnt, dass Sie den MOSFET mit eingebautem (Schottky) kaufen können. Ich habe es manuell zu meinem Schaltplan hinzugefügt, aber ist es bereits angenommen? dh ist es die gleiche oder eine andere als die parasitäre Körperdiode?

    UPDATE - Antwort: Es ist die gleiche wie die Body-Diode des MOSFET und wird nicht als "zusätzliche" Diode benötigt. Einige haben jedoch davon abgeraten, sie als einzige Rückstromschutzdiode zu verwenden .

Die Source des PMOS sollte eher mit der höheren Spannung (Vbat) als mit der niedrigeren Spannung (Vcc) verbunden sein. Das Symbol wird korrekt angezeigt, aber Ihre Beschriftungen für Vs und Vd sind vertauscht. Wenn USB angeschlossen ist, ist Vg=Vusb, also Vgs=Vusb-Vbat. Wenn USB nicht angeschlossen ist, Vg=0 und Vgs=-Vbat. Sie verschwenden viel Strom in R1 ... Ich würde 1k verwenden Ω oder so.
@ElliotAlderson Ah, du hast recht. Ich wollte auch den Widerstand zu einem 10K machen. Ich war heute Morgen etwas in Eile mit dem Posten... Danke.
@ElliotAlderson Es wurde korrigiert. Alle Kommentare sind willkommen!
D2 ist die Body-Diode des MOSFET; Sie müssen es nicht als diskreten Teil hinzufügen. Übrigens könnte dieselbe Diode für den ordnungsgemäßen Betrieb der Schaltung in dem Moment wichtig sein, in dem die USB-Stromversorgung entfernt wird. Es wird einige winzige Zeit dauern, bis sich die Gate-Ladung durch R1 aufgelöst hat (wahrscheinlich einige Mikrosekunden), aber während dieser Zeit würde die MCU nur von Vbatt über D2 mit Strom versorgt. Wenn Vg 0 V erreicht, leitet der P-MOS wie erwartet. Stellen Sie sicher, dass Sie an den Stromversorgungspins der MCU etwas mehr Kapazität haben, etwa 1 µF, um solche Transienten zu bewältigen.
Danke @anrieff! Irgendwelche Gedanken über die erste Kugel? Nämlich, warum ich davon ausgehen kann, dass Vs nicht Null ist, während der USB getrennt ist.
Aus dem gleichen Grund: Vd = Vbat, dann Vs = Vd - 0,65 V (die Vf der Body-Diode).
@anrieff Das macht Sinn. Dies dient jedoch nur dazu, festzustellen, ob der MOSFET richtig schließt? Nach dem Schließen und Leiten wird der Spannungsabfall über dem SD-Kanal durch Rds (on) bestimmt, richtig?
Das ist richtig. Stellen Sie sicher, dass Sie einen MOSFET mit ausreichend niedrigem Rds (on) bei den Vgs auswählen, die Sie haben würden - etwa -4,5 V.
@anrieff Ich schaue mir den FQP27P06 von On / Fairchild an, da er für Anwendungen auf Logikebene beliebt zu sein scheint. Springt etwas heraus, das unpassend sein könnte? Eine Sorge, die ich habe, ist, dass Vds bis zu -4,0 V beträgt! Wenn ich das richtig verstehe, könnte das Vs auf fast 0,5 V bringen und verhindern, dass der MOSFET richtig schließt? (da es eine Vgs von -0,5 V geben würde und das weit unter den angegebenen Vgs (th) von -2 V bis -4 V liegt ...). Ich wäre auch neugierig zu wissen, ob hierfür der von Ihnen erwähnte zusätzliche Kondensator erforderlich wäre, da er für ähnliche Anwendungen wie meine als schnell bezeichnet wird.
FQP27P06 ist nicht wirklich ein Logikpegel, er ist optimiert, um mit Vgs = -10 V betrieben zu werden. Es würde wahrscheinlich funktionieren, aber der Rds (on) wäre im Vergleich zu einem echten MOSFET mit Logikpegel höher. Es gibt bessere Alternativen (z. B. IRLML6402). Gemäß der Kappe auf der MCU müssen Sie sowieso etwas haben, z. B. 100 nF, aber mehr zu haben wäre besser, wenn Sie wissen, dass die Stromversorgung kleine Transienten wie diese haben kann.
@anrieff Woher hast du den 0,65-V-Abfall ein paar Kommentare oben? Könnten Sie näher erläutern, woher das Datenblatt stammt? Wenn es das Diagramm war, bin ich etwas verwirrt, da das Diagramm nicht mit den 4 V übereinstimmt, die im Blatt für Vsd beim getesteten Strom erwähnt werden. (Außerdem hat der von mir erwähnte MOSFET tatsächlich einen ziemlich niedrigen Rds (on), zumindest für mich).
Eine Siliziumdiode hat eine typische Durchlassspannung von etwa 0,65 V, und das hängt natürlich vom Strom durch sie und der Temperatur ab. Die Body-Diode (D2) ist eine Siliziumdiode. Seine genauen Eigenschaften im FQP27P06 sind in Abbildung 4 auf dem Datenblatt zu sehen ("Body Diode Forward Voltage Variation"). Aber der Punkt ist, wenn Ihr P-MOS ausgeschaltet ist, kann Vs nicht kleiner als (Vd - 0,65 V) sein (wenn dies der Fall ist, leitet die Body-Diode). Wenn der P-MOS eingeschaltet ist, dann ist Vs ≅ Vd (es bleiben nur Widerstandsverluste).
Dies ist natürlich alles stark vereinfacht und es werden viele Annahmen getroffen. Ich würde Ihnen empfehlen, sich ein nettes Schaltungssimulationstool (Circuit Lab auf dieser Seite; oder Falstad oder LTspice) zu besorgen und das Ganze zu simulieren. Ich glaube, dass viele Dinge klarer werden, wenn Sie sie in Aktion sehen und visualisieren die Spannungen an den verschiedenen Knoten.
Beratung für diesen P-Kanal-MOSFET-Leistungsquellenwähler
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