MOSFET für den Verpolungsschutz einer mit LiFePO4-Batterie betriebenen Schaltung?

Die beiden Anforderungen (Verpolungsschutz und Verpolung) lassen sich nicht ohne weiteres in ein und demselben Gerät erfüllen.
Die Vgs eines MOSFETs an sich ist zwischen den Teilen zu schlecht definiert und nicht scharf genug, um eine gute Abschaltung bei niedrigem Batteriestand zu erzielen.
Indem Sie den weltweit kostengünstigsten IC und zwei oder drei Widerstände hinzufügen, können Sie beide Anforderungen erfüllen.

Der AP-Kanal-MOSFET in der +ve-Leitung, Drain (nicht Source) an B+, Source (nicht Drain) an Load+ und Gate an B- liefert einen FET, der mit der richtigen Batteriepolarität eingeschaltet wird.

Fügen Sie nun einen TLV431-Shunt-Regler vom FET-Gate zur Masse hinzu und verwenden Sie zwei Widerstände, um ihn so zu programmieren, dass er ausgeschaltet wird, wenn Vbat über einem voreingestellten Grenzwert liegt. Fügen Sie B+ ein drittes Widerstandsgate hinzu, um den FET auszuschalten, wenn der TLV431 ausgeschaltet ist.
Ich habe einen 1,25-V-TLV431 anstelle eines 2,5-V-TL431 nominiert, da die Gerätekathode bestenfalls auf Vref - 0,6 V herunterzieht (basierend auf meinen Erfahrungen und einem logischen Ergebnis der internen Struktur) und nominell auf etwa Vref.
Mit 1,25 V als Vref im TLV431 und sagen wir 3 Volt Vbat, bleiben (3-1,25 V) = 1,75 V Vgs für den MOSFET, was bedeutet, dass Vgsth von eher 1 V benötigt wird, um mit 1,75 V am Gate gut zu funktionieren. MOSFETs, die diese Spezifikation erfüllen, sind nicht üblich, existieren aber.
Falls gewünscht, kann ein N-Kanal-FET verwendet werden, aber die Pegelumschaltschaltung wird wahrscheinlich etwas komplexer sein.

Ein einzelner MOSFET schützt vor Verpolung, schützt aber, wie Bruce Abbot feststellte, nicht vollständig vor Tiefentladung, da die Body-Diode leitet. Zum Schutz vor Überentladung und Verpolung werden zwei Back-to-Back-MOSFETs benötigt

Das erste Diagramm unten zeigt die 1-FET-Version mit Verpolungsschutz und begrenztem Unterspannungsschutz.
Lassen Sie für die umgekehrte Polarität nur R1, R2, R3, D1 weg und verbinden Sie das FET-Gate mit Masse. Dies ist die Standard-Verpolungsschutzschaltung, die vor Jahrzehnten aufgetaucht ist - ich weiß nicht, wer zuerst daran gedacht hat, aber jemand hat versucht, das Konzept zu erziehen, lange nachdem es alltäglich war.
Direkte Gate-Erdung ist OK für Vbattery << Vgsmax.
Für kombinierte Verpolung und Niederspannungsabschaltung: Wenn die Polarität korrekt ist und die Batteriespannung unter die eingestellte Spannung fällt, schaltet der FET aus und die Body-Diode wird in Reihe mit der Last geschaltet - die verfügbare Spannung fällt also von beispielsweise 3 V1 auf vielleicht 2 V4 (0,7 V Abfall durch minderwertige Diodenstruktur). Wenn die Last z. B. eine weiße LED mit Vf ~ = 3,0 V im Normalbetrieb wäre, würde die Stromentnahme auf ein sehr kleines @ des Normalwertes fallen.

Im zweiten Diagramm stoppt der 2. FET (beide P-Kanäle) mit entgegengesetzter ds-Polarität zum ersten die Leitung über die FETs. Vor R2 bleibt ein R3-Entladungspfad und R2 sollte so groß sein, wie es andere Konstruktionsparameter zulassen.

Abb. 1 – Verpolungsschutz, Niederspannung fügt eine Diode mit 0,7 V+ Abfall im Entladungspfad hinzu.

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Abb. 2 - Verpolungsschutz, Niederspannung trennt die Last.

Rx ist fiktiv erforderlich, um ein Back-to-Back-FET-Paar einzuschalten, wird aber in der Praxis tendenziell nicht benötigt. Verwenden Sie bei Bedarf Rx = 10 Megaohm.

^{Simulieren Sie diese Schaltung}

Was bei näherer Betrachtung wie unten gezeigt leicht vereinfacht werden kann. Das duale schwebende Gate wird eliminiert. Der obere MOSFET kümmert sich jetzt nur noch um die Polaritätsumkehr und der untere ist die Unterspannungsabschaltung. Der TLV431 zieht im ausgeschalteten Zustand im Wesentlichen keinen Strom (normalerweise max. 0,05 uA), sodass der Wert von R3 so eingestellt werden kann, dass der TLV431 im eingeschalteten Zustand einen minimalen Regelstrom zieht - dieser variiert je nach Marke, beträgt jedoch typischerweise max. 80 uA.
R2 R3 zieht immer noch Strom, aber da Iref maximal 0,3 uA beträgt, ergibt ein typischer 100-k-Widerstand von 0,15 uA einen Fehler von V = IR = 0,3 uA x 100 k = 0,03 V.
Mit R2 = 100k, Vref = 1,25V und Vbat = 3V I_R2 = (3-1,25)/100k =~ 18 uA.
Eine 1 % geladene Zelle mit 2000 mAh Kapazität würde (2000 mAh x 1 %)/18 uA > 1000 Stunden halten.

http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/TLV431A-D.PDF

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Die minimale Entladespannung für eine LiFePO4-Zelle unter Lasten unter C liegt normalerweise im Bereich von 3,0 - 3,1 V. Unter starker Belastung. 1C 10C - ... niedrigere Spannungen sind normalerweise auf den Spannungsabfall durch die Innenimpedanz zurückzuführen. 3,2 V ist extrem konservativ.

Die obige Schaltung entlädt die Batterie mit R2 + R3, wenn der FET ausgeschaltet ist. Um den Aus-Modus-Drain zu minimieren, sollten R2 und R3 daher so groß wie möglich sein, während Vset aufgrund von Vorspannungsströmen in den Widerständen minimiert wird.

Ein möglicherweise geeignetes Teil - hängt vom gewünschten maximalen Strom ab NTJS3151P - nur Beispiel.

Hier ist eine einfache Verpolungsschaltung. Es hat im Grunde keinen Ruhestrom und reagiert schnell genug, um die Last vollständig zu schützen. Der Rückstrom ist grundsätzlich Null. Möglicherweise möchten Sie einen ESD- / Zenerdiodenschutz von Gate zu Source schalten, um sicherzustellen, dass der FET nicht aufgrund von ESD ausfällt.

Im Normalfall, wenn die Batterie korrekt angeschlossen ist, ist der FET eingeschaltet, es sei denn, die Batteriespannung (V1) fällt sehr niedrig ab. Diese Schaltung ist aufgrund der ungenauen Spannungsschwelle und der Körperdiodenleitung wirklich nicht nützlich für die Niederspannungsabschaltung.

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}