Hilfe bei der Validierung der MOSFET-Schaltung

Ich möchte einen P-Kanal-High-Side-MOSFET verwenden, um einige Sensoren und Peripheriegeräte zu aktivieren / deaktivieren, die an einen ESP32 angeschlossen sind. Die Peripheriegeräte verwenden 3,3 V und der ESP32 läuft auf einem 3,3-V-Logikpegel.

Ich bin kein Elektroingenieur und bei der Auswahl der Teile in diesem Schaltplan wahrscheinlich etwas überfordert. Ich konnte einige verschiedene Schaltungen sehen, mit denen ich einen P-Kanal-MOSFET verwenden konnte. Einige Schaltungen verwenden einen Allzweck-NPN-Transistor, um das MOSFET-Gate auf Masse herunterzuziehen, wenn ein Signal an die Basis des Transistors angelegt wird, während andere Schaltungen den MCU-GPIO-Pin direkt mit dem MOSFET-Gate verbinden.

Könnte mir jemand helfen zu verstehen, wann dieser Transistor benötigt wird und ob der Transistor für diesen speziellen Fall benötigt wird (3,3-V-MCU, Ein-/Ausschalten einer 3,3-V-Versorgung mit einem AO3401A- MOSFET. Eine leicht erhältliche alternative Teilenummer ist SI2301DS . I Ich bin leider auf diese 2 Teilenummern beschränkt, da JLCPCB diese in ihrer grundlegenden Teilebibliothek verwendet.

Bearbeiten: Ich habe ein paar Jumper (JP6/JP8) hinzugefügt, um den MOSFET und den Transistor bei Bedarf umgehen zu können. Die Peripheriegeräte verbrauchen bis zu 200 mA Strom basierend auf der maximalen Stromaufnahme, wie in den Datenblättern angegeben. Der "durchschnittliche" Verbrauch liegt unter 50mA. Ich bin mir nicht sicher, ob dies von Bedeutung ist, da die spezifischen Teilenummern Strom in einem niedrigen einstelligen Ampere zu unterstützen scheinen.

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Schaltplan mit P-Kanal-Mosfet auf der hohen Seite

100 k Pull-Up, ist das schnell genug für Ihre Anwendung? Wenn ja, wie hoch ist der Vgsth von Q2?
Ich suche kein schnelles Umschalten. Wird wahrscheinlich ein paar Mal pro Stunde ein- und ausgeschaltet. Vgs(th) für Q2 (AO3401A) liegt zwischen -0,5 V und -1,3 V.
Das hilft, aber es könnte immer noch Gründe geben, nicht zu langsam zu fahren, SOAR oder Ihre Last erfordert es. Wenn nicht, dann bist du gut.
Den Transistor brauchst du nicht. Sie müssen berücksichtigen, was passiert, wenn der FET einschaltet. Sie sagen, dass Ihre Last "nur" bis zu 200 mA zieht, aber was ist mit Stoßstrom? Wenn es zu viel für Ihre Stromversorgung ist, kann es zu Störungen oder einem Reset des ESP32 kommen. Also, welche „Sensoren und Peripheriegeräte“ versorgen Sie mit Strom und womit versorgen Sie das System?
@BruceAbbott: Das Netzteil des ESP32 ist ein SY8008B , das bis zu 1A Strom liefern kann. Die Peripherie besteht aus: 1. einem GPS-Modul (maximal 100 mA, typisch 25 mA) 2. MS5611 baro (1,4 mA Spitze) 3. MPU9250 (10 mA Spitze) 4. ein paar LEDs (30 mA)
Warum verwenden Sie nicht einen IC, der die Arbeit für Sie erledigt? Wie hier: analog.com/en/products/adg842.html#product-overview
Gibt es einen Grund, warum Sie mit einem N-MOSFET keine Low-Side-Schaltung verwenden können? Dies wäre eine einfachere Schaltung, die für Sie leichter zu verstehen und zu entwerfen ist.
Ich bin in dieser Hinsicht ein absoluter Noob, weshalb ich denke, dass ein High-Side-P-Kanal besser ist. Ich bin mir auch nicht sicher, ob die Peripheriegeräte Probleme haben werden, zumal die I2C-Datenleitungen der MCU während des Starts möglicherweise in einem unbestimmten Zustand sind. Wäre angesichts dieser Informationen ein P-Kanal oder ein N-Kanal angemessener und warum?

Antworten (2)

Der Transistor wird benötigt, wenn die Source-Spannung des P-Kanal-MOSFET höher ist als der Logikpegel, mit dem Sie ihn steuern.

Um einen P-Kanal-MOSFET auszuschalten, muss das Gate auf eine Spannung nahe der der Stromversorgung angesteuert werden. Das macht der 100-kΩ-Widerstand R8 in Ihrem Schaltplan. Es wird dann eingeschaltet, indem dieses Gate unter diese Schwellenspannung gezogen wird.

Wenn Sie beispielsweise ein 12-V-Gerät steuern und eine 3,3-V-Logik verwenden, können Sie das Gate nicht auf 12 V ansteuern, da Ihr HIGH nur 3,3 V beträgt. Der Transistor wird also hinzugefügt, um als Schalter zu fungieren, der mit nur 3,3 V angesteuert werden kann, um ihn einzuschalten.

Da Sie 3,3-V-Geräte mit Strom versorgen und einen 3,3-V-Logikpegel haben, wird der NPN (oder N-Kanal-MOSFET, wie ich ihn bevorzuge) nicht wirklich benötigt. Sie müssen nur wissen, dass HIGH ausgeschaltet und LOW eingeschaltet ist.

Übrigens kann der NPN im Open-Drain-Modus oft durch einen GPIO-Pin ersetzt werden (sofern die MCU dies unterstützt).

Wenn ich das richtig verstehe, wird der Transistor Q3 (BC847) nicht benötigt, da der MCU-Logikpegel mit der Quellenspannung von Q2 (AO3401A) identisch ist. Das Entfernen von Q3 bewirkt, dass der Logikeingang invertiert wird – das Senden eines High-On PWR_ENbewirkt das Ausschalten des MOSFET und das Senden eines Low-On PWR_ENbewirkt das Einschalten des MOSFET.
@KetanPadegaonkar das ist richtig.

Ich kann nicht zu Ihrer spezifischen Anwendung sprechen, aber ich erkenne eine BiCMOS-Schaltung, wenn ich sie sehe

Früher habe ich diese Dinge entworfen. Dieser ist einfach und beruht auf der Zulässigkeit, dass Q2 nur ein Haar ausläuft. Hier ist, was passiert.

Q2 ist RIESIG. Laut Datenblatt hat er eine Eingangskapazität von 645 pF. Um es schnell umzuschalten, müssen Sie die Ladung so schnell wie möglich aus dieser Kappe entladen – und die ganze Situation wird durch die Verwendung eines einfachen Pull-up-Widerstands verschlimmert. Dies bedeutet, dass Sie diesen Strom (V = IR, also I = 33 uA) und die Ladung am Eingang von Q2 ablassen. Deshalb wird der NPN-Transistor verwendet. Es ist der schnellste Weg, diesen Strom abzulassen.

Nebenbemerkung: Dieses NPN entleert den Knoten nur auf Vbe oder ~ 0,5 V. In einer voll logischen Welt müssten Sie den Knoten vollständig auf 0 V entleeren. In diesem Fall würde ein BiCMOS-Design ein NMOS-Bauelement parallel zum NPN-Transistor mit einem Rds < 100 K umfassen. Es wäre zu klein, um Q2 schnell umzuschalten, aber es würde den Knoten auf (oder nahe) Null ziehen.

Die Verwendung des Pull-up-Widerstands R8 deutet darauf hin, dass es der Anwendung egal ist, wie schnell sich das PMOS abschaltet, sondern sich sehr darum kümmert, wie schnell es sich einschaltet. Das könnte aber eigentlich egal sein. Dies scheint nichts weiter als ein Lichtschalter zu sein: ein Schaltkreis, der etwas anderes ein- und ausschaltet.

Eigentlich würde ich nicht sagen, dass das BiMOS war. Sicher, es sieht aus wie BiMOS und enthält einen BJT und einen MOSFET, aber BiMOS wählt diese Komponenten speziell aufgrund ihrer Eigenschaften aus. Dies ist eher ein RTL-Inverter, der die Hälfte einer CMOS-Gegentakt-Ausgangsstufe steuert. Die Wahl von BJT oder MOSFET ist weitgehend irrelevant, und die Schaltgeschwindigkeit ist von geringer Bedeutung.
@Majenko Vielleicht. Es braucht einen großen FET, um eine große Kappe zu entladen. Das ist der Grund, warum BiCMOS existiert. Die Schaltung würde keinen BJT mit dem Nachteil des Vbe-Abfalls verwenden, wenn die Schaltgeschwindigkeit irrelevant wäre. Und ich denke, der Hinweis hier ist der Durchgang von 3,3 V bis 3,3 V durch den FET. Lichtschalter. Ich vermute, dass sie einen langsamen Ausschaltzyklus (R8) wollten, um zu entprellen und einen vorhersehbaren Übergang zu ermöglichen, aber ein Einrasten, weil die Leute dazu neigen, ungeduldig zu sein. Andernfalls hätten sie einen kleinen CMOS-Inverter schlagen und die Vbe-Folge sparen können.
Meistens sehe ich ein NPN, es ist nur da, weil es das ist, was da ist. Wenn das Sinn macht. Der Schaltungsdesigner weiß es nicht besser, und es ist das Standardgerät, das er im Internet gesehen hat. Und die 100 kΩ sollen den Ruhestrom reduzieren, während der NPN eingeschaltet ist. Der Zweck der Schaltung ist schließlich das Energiesparen.
@ Majenko Ah. Ich verstehe dein Argument. Ich habe keine Erfahrung mit dem Design von Bipolar-FET-Schaltungen außerhalb von BiCMOS, und ich habe Chips entworfen, bei denen die Prozesse restriktiv sind, sodass die Idee, dass jemand einfach ein NPN an Ort und Stelle schlagen könnte, für mich keinen Sinn ergab. Ich verstehe Ihren Punkt mit einem Design wie diesem, bei dem die Komponenten diskret sind. Ja, der Designer hatte vielleicht nichts anderes und es funktionierte zufällig.
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