Entwerfen von Verpolungs- und Überspannungsschutz bei 3,3 V

Ich habe ein Design mit Barrel-Jack-Stromversorgung, das ich herstelle, aber ich möchte Schäden im Falle einer Verpolung (Hülse ist positiv statt negativ) und Überspannung (Einstecken eines 12-V-Adapters in ein Gerät, das für 3,3 V vorgesehen ist) verhindern. . Mein Design verbraucht im schlimmsten Fall nur 500 mA, aber zur Verdeutlichung kann die von mir gewählte Wandwarze bis zu 1,5 A Strom bei 3,3 V liefern.

Ich verwende zusätzlich zu einer PTC-Sicherung und einer Zenerdiode einen P-Kanal-MOSFET.Design der Eingangsleistungsbuchse

Ob das funktioniert? Wird die Zenerdiode bei hoher Überspannung aufgrund einer langsamen PTC-Sicherung durchbrennen? Ist meine Auswahl für einen MOSFET richtig?

BC2721-ND ist eine Digikey-Teilenummer, nicht die Hersteller-Teilenummer. Die Teilenummer des Herstellers lautet PTCCL07H411DBE
@DKNguyen Danke, dass du es bemerkt hast, ich habe es behoben.
DKN egal ... es ist immer noch durchsuchbar, aber Dylan hätte das Datenblatt hinzufügen können.

Antworten (3)

Der einfachste Weg, einen Verpolungsschutz zu implementieren, besteht darin, eine Diode in Reihe mit der PTC-Sicherung zu schalten. Wenn die Spannung an Pin 1 in Bezug auf Masse negativ ist, leitet die Diode nicht und die nachgeschaltete Schaltung sieht die negative Spannung nicht. Stellen Sie sicher, dass die Sperrspannung der Diode groß genug ist, um alle negativen Spannungen zu bewältigen, die Sie möglicherweise am Eingang erwarten.

Während des normalen Betriebs lässt die Diode etwas Spannung ab, aber Sie können Dioden mit niedriger Durchlassspannung finden, beispielsweise Schottkys, die bis in den 300-mV-Bereich heruntergehen können. Wenn Sie mit dem Spannungsabfall umgehen können, ist dies wahrscheinlich die einfachste Lösung für den Verpolungsschutz.

Was den Überspannungsschutz betrifft, ist es, wie Sunnyskyguy sagte, wahrscheinlich die beste Wahl, die Eingangsspannung auf eine höhere Spannung (5-12 V) zu ändern und sie auf 3,3 V herunterzuregeln. Ich weiß, dass Sie gesagt haben, dass Sie kein separates Netzteil hinzufügen möchten, aber jede Überspannungsschutzschaltung wird wahrscheinlich so kompliziert sein wie das Hinzufügen eines zusätzlichen Spannungsreglers. Es gibt viele weitere Vorteile bei der Verwendung einer geregelten Versorgung an Bord, anstatt sich auf eine Wandwarze zu verlassen, um Ihre 3,3-V-Schiene zu erzeugen. Sie können einen großen Eingangsspannungsbereich haben, Sie sind weniger empfindlich gegenüber Spannungsabfällen in Reihe (vom PTC, von einer Diode, vom MOSFET, ...), der Eingangsstrom ist geringer (unter der Annahme eines Schaltreglers) usw.

Sind Sie auf die Verwendung einer 3,3-V-Wandwarze festgelegt, oder ist es möglich, eine höhere Eingangsspannung zu verwenden und diese an Bord herunterzuregeln?

Da Sie Feedback zu der von Ihnen bereitgestellten Schaltung wollten, glaube ich nicht, dass sie das tun wird, was Sie beabsichtigt haben. Q2 sieht so aus, als würde es nicht viel tun - es schaltet sich ein und bleibt eingeschaltet, solange der Eingang größer als Vg_thr ist. Ich gehe davon aus, dass der andere Teil der Schaltung Q3 während eines Überspannungsereignisses mit GND kurzschließen und die Sicherung durchbrennen soll. Das wird passieren, wenn Vin > Vbe(Q3) + Vz(D2), die beide nicht gut definiert sind, aber ca. 0,7 V + 3,6 V = 4,3 V. Darüber hinaus wird Ihr Stromkreis noch kurzzeitig Überspannung erfahren, bevor die Sicherung durchbrennt.

Ich denke, Ihr Zener hat eine 50/50-Chance zu braten, da der PTC einen Raumtemperaturwiderstand von 3 Ohm hat, was bedeutet, dass der Anfangsstrom etwa (12 V - 3,6 V) / 3R = 2,8 A beträgt, was weit über dem des Zener liegt wird als handhabbar aufgeführt. Es wäre sicherer, wenn für den Zener Pulscharakteristiken bereitgestellt würden, aber das sind sie nicht, also kann ich sie nur mit den Steady-State-Bewertungen vergleichen.

Ihr PMOS ist in Ordnung, denn das Wichtigste hier ist die maximale Vgs von 20 V, und Sie planen immer nur, maximal 12 V anzulegen.

$V_{gs}$ kann in diesem Fall die Zenerspannung nicht überschreiten, also denke ich nicht, dass ich mir Gedanken über das Maximum von $V_{gs}$ machen muss
Ich nehme an, das stimmt.
Ich habe den Schaltplan geändert, um die Leistung über die Zenerdiode aufzunehmen. Wird das besser funktionieren?
Das scheint der richtige Weg zu sein, aber es gibt ein paar Probleme. Die letzte Grafik auf Seite 3 zeigt die Auslösezeit. 410 mA-615 mA ist der Auslösestrom und bei x2 dauert es 10 Sekunden, um auszulösen. Bei 4x dauert es 1sec. 8x sind es 0,3sec. Es muss ein Reihenbasiswiderstand vorhanden sein, sonst braten die BE. Und dieser BJT verarbeitet immer noch weder einen niedrigeren Strom für die längere Auslösezeit noch die höheren Ströme für eine kürzere Auslösezeit.
Beachten Sie auch, dass, wenn Vin zu niedrig ist (aber immer noch hoch genug, um gefährlich zu sein), ein Abfall von 0,7 V über BE möglicherweise nicht aufrechterhalten werden kann, um den BJT einzuschalten, da nicht genug Strom durch R3 fließt. Reduzieren Sie also möglicherweise den Zenerdurchbruch um 0,7 V, um dies zu berücksichtigen. Dies ist nicht ohne eigene Probleme, da der Spannungsabfall des Reihenbasiswiderstands mit Vzener und Vbe hinzugefügt wird und die Spannung erhöht, bei der die Klemme einschaltet, aber nicht so stark wie zuvor (die minimale Vin, bei der die Klemmung auftritt, ist die, die genug hat V übrig bleiben, um über Rbase zu erscheinen, um genügend Basisstrom zu drücken, um den BJT vollständig einzuschalten.

Kein lineares Design mit / ohne Verpolungsschutz ist effizient mit linearem Leistungsabfall = Pd = (12 V - 3,3) * 0,5 A = 3,85 W mit 3,3 V x 0,5 A = Pout = 1,67 W, was Zener entladen muss, wenn keine andere Last vorhanden ist.

Es ist besser, eine Quelle mit 5 V oder einen DC-DC-Wandler von 12 V auf 3,3 V zu verwenden . Ihr Konzept könnte ineffizient arbeiten, aber warum Abwärme, Kühlkörper und größere Strom-/Leistungsableitungsteile, wenn eine bessere Wahl möglich ist.

dh ein FET zum Entladen von fast 4 W bei Volllast mit Kühlkörper

  • ein Shunt-Spannungsregler zum Entladen von 1,85 W ohne Last mit Kühlkörper.
    • im Vergleich zu einem 3-poligen DC-DC-Regler, um alles außer J2 und Polyfuse für den Verpolungsschutz oder eine Diode zu ersetzen.
Ich habe den Schaltplan geändert, um die Leistung über die Zenerdiode aufzunehmen. Funktioniert das besser oder sollte ich stattdessen eine 5-W-Zenerdiode wählen?
Keines wird besser funktionieren als das, was ich geantwortet habe.
Betrachten Sie diese Wahl, die meiner Lösung entspricht digikey.com/product-detail/en/murata-power-solutions-inc/…
Ich möchte kein Netzteil in mein Produkt integrieren, sondern nur einen Überspannungs- und Verpolungsschutz implementieren. Dieses Gerät hilft mir nicht, wenn mehr als 36 V an den Eingang angelegt werden, und es hilft mir nicht, wenn eine Sperrspannung angelegt wird. Ein 5-V-Netzteil würde mit meinem Produkt nicht funktionieren, wenn ich dieses ebenfalls verwenden würde.
@dylanweber Eine 5-V-Versorgung reduziert die Verluste bei Ihrer 0,5-A-3,3-V-Anforderung oder ein integrierter DC-DC-Regler ist ebenfalls effizienter. Aber Ihre Frage bezieht sich auf OVP, rev. Eingabe und verursacht dennoch OTP-Probleme aufgrund eines ineffizienten linearen Betriebs. Mein Vorschlag funktioniert also mit einer Diode oder einem PTC, aber das entspricht nicht Ihren unausgesprochenen Anforderungen. Wie dieses DC-DC-3-Anschlussteil. Es verfehlt jedoch Ihre nicht genannten Kriterien, wenn >36 V, DC-DC-Kauflösung und Ihr Design die OTP-Probleme nicht erfüllt, die einen Kühlkörper für FET und BJT erfordern. Fügen Sie dann einfach einen 5-W-Widerstand vor einem geeigneten LDO ein
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