High-Side-Mosfet-12-V-Schalter von isoliertem 3V3-GPIO

Ich möchte die Stromversorgung des 12-V-Lasersensors von 3V3 STM32H753VI GPIO umschalten. Ich werde für lange Zeit ein- oder ausschalten (hier ist es kein PWM). Ich bin mit Mosfet und Optokoppler nicht vertraut, daher brauche ich Hilfe, um sicherzugehen, dass ich dies an mein Board weiterleiten kann. Ich möchte auf die hohe Seite gehen, weil der Sensorlaser 12 V ausgibt, wenn ich den Boden schneide. Ich muss wegen isolierter Stromversorgung isoliert werden.

SCHALTPLAN

SCHDie Laserleistung ist an CN1 angeschlossen und verbraucht etwa 100 mA und kann zwischen 10 V und 14 V arbeiten.
Der STM32H753VI arbeitet bei 3V3 und GPIO wird als Open Drain eingestellt. Ich möchte den Optokoppler EL3H7-G (C) und den Mosfet STR2P3LLH6 wegen des geringen Platzbedarfs
verwenden .

Optokoppler antreiben

Wenn GPIO mit Masse kurzgeschlossen wird, fließt Strom zur EL3H7-G -LED, ich erhalte Durchlassspannung aus Blatt (Seite 3) und Kurve (Seite 4)

Durchlassspannung Durchlassspannungskurve

GPIO konnte nicht mehr als 20 mA zum GPIO verarbeiten, also setze ich If = 10 mA
R1 = (3,3 V - 1,2 V) / 0,01 A = 210 Ohm

Ich werde mit R1 = 200 Ohm
gehen , wenn = (3,3 V - 1,2 V) / 200 = 10,5 mA

Optokoppler Ic STROM

Ich möchte Wenn ich mir das EL3H7-G- Datenblatt (Seite 3) ansehe, kann ich sehen, dass der Optokopplertransistor mit If = 10 mA und Ic = 1 mA gesättigt werden kann, sodass Vce (sat) maximal 0,2 V beträgt. (Auf der Kurve kann ich sehen, dass ich auf 6 mA in den gesättigten Bereich gehen kann)

VCEsat VCE-Kurve

R2 = (12 V - 0,2 V) / 0,001 = 11,8 kOhm
Ich werde mit R2 = 10 kOhm
Ic = (12 V - 0,2 V) / 10000 Ohm = 1,18 mA
Ic = 1,18 mA gehen

MOSFET Vgs

Vgs ist -R2-Spannung
VR2 = 12 V - 0,2 V = 11,8 V
Vgs = -11,8 V

Aus dem STR2P3LLH6- Datenblatt (Seite 3) kann ich Vgs (th) = -2,5 V entnehmen

Vgs (th)

Vgs (-11,8 V) ist niedriger als Vgs(th) (-2,5 V), sodass Mosfet eingeschaltet wird.

Vs max

Ich kann auf dem STR2P3LLH6- Datenblatt (Seite 2) sehen, dass Vgs max +/- 20 V beträgt
, daher werde ich das Gate wahrscheinlich nicht mit -11,8 V zerstören

AUSGANG (VPWR)

Auf dem STR2P3LLH6- Datenblatt (Seite 5) kann ich sehen, dass der Rdson bei 100 mA etwa 48 mOhm beträgt

Vgs (th)
Rdson

Vds=-(0,048 Ohm*0,1 A)=-4,8 mV

VPWR = 12 V-0,0048 V = 11,99 V
VPWR = 11,99 V

Ich kann jetzt die Verlustleistung von Mosfet berechnen

P = 0,0048 V * 0,1 A = 480 µW
P = 480 µW

P (480 µW) ist wirklich niedriger als Ptot (0,35 W)

ABSCHLUSS

  • Glaubst du, Mosfet wird vollständig ein- oder ausgeschaltet, wie ich es will?
  • Glaubst du, ich werde den Mosfet, Optokoppler oder STM32 zerstören?
  • Halten Sie Optokoppler und Mosfet für eine gute Wahl?
  • Denken Sie, dass es gut ist, einen kleinen Wert R3 zwischen Kollektor und Tor hinzuzufügen?

R3

Vielen Dank im Voraus für Ihre Hilfe

Bearbeiten 2021-06-24
Ich implementiere dieses Design, habe aberhier ein Always-On-Problem

Bearbeiten 04.02.2022
Mein Problem Always On Das Problem kam von meiner Leiterplatte und nicht von Schaltplan und Methode hier, Sie können es problemlos verwenden, sobald Sie Ihren MOSFET-Footprint respektieren :)

Antworten (3)

Dieses Design hat einen sehr hohen Spielraum mit guten Auswahlmöglichkeiten für den Ein/Aus-Spielraum.

Mit 10:1 CTR auf das Design oder 10% Output und wird von der garantierten CTR deutlich übertroffen.

  • Denken Sie daran, dass Vce bei Sättigung an Verstärkung verliert und schnell über 0,5 V auf 1 V ansteigt. An diesem Punkt beträgt der Worst-Case-FET-Leckstrom garantiert Id = -250 nA max, wo es möglich ist, dass ein 2-mA-LED-Treiber zum Einschalten "funktionieren" könnte .

  • Der Ron hat bei Vgs = -10 maximal 56 MOhm und bei -12 V etwas weniger. Ihre Last entspricht 12 V / 0,1 A = 120 Ohm, daher ist ein Schalterwiderstandsverhältnis von maximal 1% wünschenswert, also 0,056/120 oder übertrieben, aber in Ordnung.

  • Rg ist redundant mit Rce Ersatzwiderstand Vce(sat)/Ic = 0,2 V/1,18 mA = ca. 169 Ohm.

Gut gemacht.

Vielen Dank, dass Sie sich Zeit für Ihre Antwort genommen haben, und viele Tipps zum Schalten von Widerständen. Ich werde nach Leckagen suchen, weil ich sie nicht berücksichtige.

  1. Ja.

  2. Nein. Und Sie könnten den Optokoppler-LED-Strom auf 5 mA reduzieren, um noch mehr Betriebsspielraum zu erhalten.

  3. Ja.

  4. Wird in keiner Weise benötigt, schadet aber nicht oder beeinträchtigt die Gesamtleistung der Schaltung nicht.

Ein Widerstand wird in Reihe mit dem Gate geschaltet, um unerwünschte Schwingungen zu dämpfen, die auftreten, wenn große Leistungs-MOSFETs (mit einer sehr großen Gate-Kapazität) mit einem Signal mit sehr schneller Anstiegszeit angesteuert werden, was bei Schaltnetzteilen üblich ist. Die Gate-Kapazität und die Verdrahtungsinduktivität bilden einen Tankkreis, der mit einem Vielfachen der Schaltfrequenz klingeln kann, was eine Menge Kopfschmerzen bei der Einhaltung der Vorschriften verursacht. Nichts davon trifft hier zu.

  1. HERVORRAGENDE Fragenpräsentation.
Vielen Dank, dass Sie sich die Zeit genommen haben, mir zu helfen. Vielen Dank für Tipps zu R3 und Gate-Kapazität

Alternativ können Sie den Optoisolator gegen eine andere Art der galvanischen Isolationstechnik austauschen, z. B. kapazitiv oder induktiv, die weniger Strom verbraucht.

Texas Instruments hat eine großartige Reihe von Videos zum Thema galvanische Trennung , in denen induktive, kapazitive und optische Isolationstechniken behandelt werden.

Hier ist zum Beispiel das Datenblatt für den Silicon Labs Si823Hx , der ein isolierter Gate-Treiber in einem Chip ist.

Es könnte etwa so aussehen:

Si823H9 Isolierter Gate-Treiber

Vielen Dank für diese Informationen, dieser König der Chips scheint der Heilige Gral zu sein, den ich erfolglos suche, bevor ich zur Optokoppler- / Mosfet-Kette gehe. Für das nächste Projekt denke ich, dass ich diese Art von Lösung eingehender in Betracht ziehen werde, aber im Moment habe ich es eilig, ich muss vor Ablauf der Frist per Board routen, aber dies scheint DIE moderne Lösung zu sein.
Und ich habe vergessen, mich für das wirklich interessante Video zu bedanken, ich muss diese erklärten Konzepte mehr Zeit überprüfen
Nur nebenbei: Diese Arten von Isolatoren sind großartig, aber der große Nachteil ist normalerweise, dass sie das Zehnfache dessen kosten, was ein einfacher Optokoppler an Volumen kostet. Es ist also technisch eine großartige Lösung, aber wenn die Kosten eine Rolle spielen, ist es möglicherweise keine wirtschaftlich großartige Lösung.
@ JohnD danke für den Hinweis, effektiv ist dies die Größenordnung, zum Beispiel kostet EL3H7 (C) (TA) -VG 0,45 € und SI823H9AD-IS4 2,95 €
Wenn Sie jemals eine zuverlässige Mehrkanal-High-Side-Schaltung (8 Kanäle oder für höhere Strombelastbarkeit zusammenschalten) benötigen, prüfen Sie ISO8200B von ST. Sie haben einen eingebauten Schutz für alle Fälle (ESD, Überstrom, Übertemperatur, Kurzschluss, Überspannung, Erdungsverlust...) und sie werden alles überstehen! Sie kosten zwar mehr (~5 Euro für 8 Kanäle), aber ich kann nachts schlafen, wenn ich weiß, dass meine Ausgänge das letzte sein werden, was ausfällt, egal was passiert.
High-Side-Mosfet-12-V-Schalter von isoliertem 3V3-GPIO
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