Hinzufügen eines nFET-gesteuerten Verpolungsschutzes zu einem Schaltreglereingang

Ich möchte den Eingang meines platinenmontierten Schaltreglers vor Verpolungsereignissen schützen, ohne die vorhandene Reihe von Platinen, die wir erstellt und bestückt hatten, ändern zu müssen. Der primäre Regler versorgt mehrere dieser Platinen mit Strom, die über Pigtails entlang der Kabellinie verbunden sind, die von seinem 24-V-DC-Ausgang kommt.

Die überwiegende Mehrheit der Beispiele, die ich online sehe, verwendet PFETs für eine High-Side-Schalterkonfiguration, obwohl manchmal angemerkt wird, dass eine Low-Side-nFET-Konfiguration auch funktioniert. Ich habe mich für das letztere nFET-Setup entschieden, nur um während dieses Wahnsinns in der Lieferkette eine bessere Teileverfügbarkeit zu erreichen und auch um eine größere Auswahl an Optionen für FETs mit einem hohen Vgs zu haben. Der Eingang des platinenmontierten Schaltreglers erlaubt einen Bereich von 9-36 VDC, was einer der Gründe ist, warum wir uns dafür entschieden haben. Der maximale Eingang, den es jemals sehen wird, liegt genau bei 30 V, was die maximale Einstellbarkeit des Ausgangs ist, die das Feineinstellungspotentiometer auf der Primärseite (Vreg) ermöglicht. Mit den Lastregelungsspezifikationen könnte es technisch um +/- 1% springen, also muss ich wahrscheinlich sicherstellen, dass es auf ungefähr 28-29 V heruntergewählt wird. Wie all dies andeutet,

Ein paar Fragen zu diesem Design:

1.) Ich habe den nFET für Teileoptionen gewählt, aber auch wegen niedriger Rds (anekdotisch). Dies ist auch eine isolierte Schaltung, und der negative DC-Ausgang unseres Primärreglers (Vreg) ist nicht mit einer Gehäuseerde oder einem gemeinsamen Knoten verbunden. Ist es von Belang, mit diesem Design fortzufahren? Ich frage nur wegen der Popularität des pFET in Referenzmaterial, verstehe aber, warum die Leute es tun.

2.) Sollte ich irgendwelche Probleme mit der Last erwarten, die es mit Strom versorgt? Es ist keine rein ohmsche Last, und der Regler, den es mit Strom versorgt, versorgt auch selbst induktive Lasten (12-V-Magnetventile), wie abgebildet. Ich bin es gewohnt, Snubber-Dioden für die abgebildeten Solenoide zu installieren, aber ich bin nicht über die Risiken informiert, vielleicht in kleinerem Maßstab, welche Gefahren nach dem Trennen des auf der Platine montierten Reglers bei Vin bestehen würden. Wo blutet in diesem Fall die geringe Menge an EMF? Würde dies nicht zu einem kleinen umgekehrten Aufbau (als -Vgs) von einigen Volt oder so führen? Sollte ich einen zusätzlichen Dämpfer parallel zum nFET platzieren?

3.) Angenommen, dies war kein schlechter Ansatz, nach welchem ​​Formfaktorprodukt kann ich suchen, das eine einfachere, modularere Lösung für die Inline-Platzierung von FETs auf dem Draht bietet, ähnlich einer Sicherungsbaugruppe?

Danke für alle Vorschläge.

schematisch

EDIT 1: Erhaltene Teile, gebaute Schaltung wie in der Antwort dargestellt, jedoch mit 15 V Zener und einem 10 K-Widerstand. Der verwendete FET ist FDPF14N30.

Ich konnte energetisieren, umkehren, dann energetisieren und wieder umkehren. Nach ein paar Zyklen funktionierte die Schaltung nicht mehr. Wenn der Stromkreis entfernt wird, schaltet sich der Regler bei normaler Verkabelung wieder normal ein. Was könnte das verursacht haben? Nachdem ich beobachtet hatte, dass der auf der Platine montierte Regler wieder einschaltete und die Geräte wieder normal hochfuhren, führte ich eine individuelle Analyse der von mir verwendeten Komponenten durch. Die Ergebnisse sind unten:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Antworten (3)

Jeder diskrete MOSFET hat eine interne Body-Diode parallel zum Drain zur Source des Geräts. Seine Polarität ist derart, dass er im normalen Gebrauch in Sperrichtung vorgespannt ist. Viele schematische Symbole zeigen die Diode, aber das hier verfügbare nicht.

https://www.quora.com/Why-diode-is-connected-across-the-MOSFET

(Bild von www.quora.com )

Wenn Sie einen MOSFET für den Verpolungsschutz verwenden, wie Sie zeigen, leitet die Diode, wenn die Stromversorgung umgekehrt ist, wodurch der Betrieb der Schaltung beeinträchtigt wird.

Glücklicherweise funktionieren MOSFETs in umgekehrter Richtung perfekt, sodass das Vertauschen von Drain und Source Ihr Ziel erreicht.

Ich persönlich würde auch einen gewissen Schutz für das Gate zur Quelle verwenden, da Sie nur wenige Volt Spielraum haben. Die Induktivität in der Verkabelung könnte leicht eine Überspannung verursachen, die das Gateoxid zerstören würde.

Haben MOSFETs eine Diode eingebaut?

MOSFET als Diode. Warum einfach keine Diode verwenden?
@ user263983 - viel weniger Spannungsabfall und Leistungsverlust
@ user263983 Ich kann mir zwar den Spannungsabfall einer Diode leisten, aber der Stromverbrauch meines Geräts unter Lastbedingungen - über 1 A bei 24 V - ließ es wie die Wärmeverluste erscheinen (sprich: Verluste in einem kleinen, geschlossenen Raum, der oft platziert wird im Freien bei Hitze) könnten über den FET besser reduziert werden.
Laut Datenblatt einiger MOSFETs ist der Spannungsabfall derselbe wie bei üblichen Silikondioden. Warum nicht eine Schottky-Diode verwenden, wenn der Spannungsabfall kritisch ist?
@KevinWhite Ich wollte das in meinem ursprünglichen Beitrag ansprechen, habe aber vergessen, das hinzuzufügen. Dies war meine ursprüngliche Absicht, aber ich habe es vermasselt und sie während der Installation umgedreht, also habe ich beschlossen, den Schaltplan der angewendeten Version um der Konversation willen zu veröffentlichen. Wollen Sie damit sagen, dass Sie erwarten würden, dass der zweite Regler (Onboard-Schaltregler) aktiviert wird? Wenn ich die Kabel auf umgekehrte Polarität tausche, schaltet es sich nicht ein und scheint richtig zu funktionieren. Liegt das vielleicht an einem begrenzten Stromfluss in die falsche Richtung?
@bigowls zur Reduzierung der Wärmeableitung während des regulären Arbeitszyklus Schmelzsicherung in Reihe und Diode in Sperrrichtung parallel zum Eingang. Die Antwort empfiehlt, MOSFET als Diode zu verwenden. Es wird bei keiner Polarität offen sein.
@ user263983 Soweit ich weiß, Schottky-Diodenverlust: P = 0,55 V * 1A = 0,55 W. Der FET-Verlust: P = 1 * 1 * 0,07 = 0,07 W. Ich bin mir nicht sicher, ob dies bei Hochfrequenzimpulsen zum Gate anders ist als bei konstantem EIN.
@ user263983 Ich bin mir nicht sicher, ob ich Ihren obigen Kommentar verstehe, der mit "Reduzieren ..." beginnt. Der Bodenpfad ist während des Tests offen (inwieweit bin ich mir nicht sicher)
Die interne Diode wird nicht hinzugefügt, sie ist ein integraler Bestandteil des Kanal-NP-Übergangs. Der zur Mitte führende Symbolpfeil ist die Darstellung der Bodydiode.
@bigowls So wie du zeichnest, ist der MOSFET immer offen und schützt die Schaltung nicht. Die Art und Weise, wie der beantwortete MOSFET vorschlägt, ist immer geschlossen und der Widerstand des geöffneten Transistors irrelevant. Aufgrund der MOSFET-Natur wird es als Diode für den Verpolungsschutz verwendet.
@BigOwls - Ich bin mir nicht sicher, was du sagst. Wie Sie es gezeichnet haben, wird der Schaltregler auch bei umgekehrter Polarität mit Strom versorgt. Wenn Sie den Source-Pin, der die Last mit dem Drain versorgt, an den 24-V-Eingang anschließen, erhalten Sie den gewünschten Schutz.

Sie müssen zwei Dinge tun: -

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

  • In Rot ist die korrigierte MOSFET-Position
  • In Lila ist der Schutz Ihrer Gate-Spannung aufgrund zu hoher Versorgungsspannungen

Es ist keine rein ohmsche Last, und der Regler, den es mit Strom versorgt, versorgt auch selbst induktive Lasten (12-V-Magnetventile).

Verlassen Sie sich auf die Diodenklemmen direkt an den Solenoiden - versuchen Sie nicht, den MOSFET aus der Ferne zu schützen - Sie müssen nur an der Quelle des Problems schützen.

Nach welchem ​​Formfaktorprodukt kann ich suchen, das eine einfachere, modularere Lösung für die Inline-Platzierung von FETs auf dem Draht bietet, ähnlich einer Sicherungsbaugruppe?

Sie hängt im Wesentlichen von der Stromaufnahme des Reglers und der Last ab. Wählen Sie einen MOSFET, der mindestens das Doppelte der eingehenden Versorgungsspannung verarbeiten kann.

Stellen Sie sicher, dass der Regler bei "Unterspannung" abschaltet, bevor der MOSFET in seinem linearen Bereich verwendet wird, da er möglicherweise ausfällt. Dies erfordert eine genaue Prüfung des Datenblatts des Reglers, um festzustellen, welchen Unterspannungsschutz er hat.

Welche Gefahren würden nach dem Trennen des an der Platine montierten Reglers bei Vin bestehen?

Ich würde einen zusätzlichen Ableitwiderstand von etwa 10 k bis 100 k an den Klemmen anbringen, die mit "Vreg 24 V"(einer verwirrenden Bezeichnung) auf der linken Seite des Diagramms verbunden sind.

Was Sie suchen, wird „eine ideale Diode“ genannt, und es gibt integrierte Lösungen, die entweder eine ganze solche „Diode“ liefern: den Mosfet und den Gate-Treiber in einem Paket, oder nur den idealen Diodencontroller: den Gate- Treiber das verwandelt einen externen diskreten Mosfet in die ideale Diode, die Sie suchen.

Sie haben die aktuellen Anforderungen nicht erwähnt. Ein paar parallel geschaltete Schottky-Dioden können für Ihre Anwendung zu einem Bruchteil des Preises einer gleich robusten idealen Diodenlösung gut genug sein. Beachten Sie einfach den Leckstrom bei der ungünstigsten Sperrschichttemperatur in Ihrer Anwendung. Kein Schutz ist ideal: Sie entfernen nicht den gesamten Rückstrom vom Umschaltereingang, sondern halten den Rückstrom nur klein genug, um ihn nicht zu beschädigen. Dies sollte beachtet werden.

Ich glaube auch überhaupt nicht, dass die Versorgungslage bei Power-PMOS-Geräten irgendwie viel schlechter ist als bei NMOS, zumindest nicht, es sei denn, Ihre aktuellen Anforderungen sind weit draußen. Sie versuchen wahrscheinlich, Rds zu mikrooptimieren, wo es in Wirklichkeit keine Rolle spielt oder von anderen Effekten überschwemmt wird (Rds-Temperaturabhängigkeit, Leckströme an anderer Stelle in der Schaltung usw.). Wenn Sie sich nicht sicher sind: Messen Sie die reale Leistung auf einer realen Schaltung in einer realen Anwendung bei den interessierenden Temperaturen. Eine Raumtemperaturbank reicht in Ihrem Fall nicht aus, da Mikrooptimierungen implizieren, dass solch kleine Unterschiede für Sie wichtig sind. Sie müssen also konsequent sein: Wenn Sie bei Rds und der „Idealität“ der Diode Haare spalten, müssen Sie in Ihrem Design winzige Ränder haben und sollten sich daher gebührend um Temperatur- und Prozessecken kümmern.

Hinzufügen eines nFET-gesteuerten Verpolungsschutzes zu einem Schaltreglereingang
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