Rückstromschutz für einen batteriebetriebenen Stromkreis

Ich plane ein Hobbyprojekt mit folgenden Merkmalen

  • 3,3-V-Schaltung, batteriebetrieben (durch Regulierung von Standard- AAA-Batterien )
  • Die meiste Zeit im "Sleep"-Modus, also brauche ich einen sehr kleinen Ruhestrom
  • Im Betrieb verbraucht es 100-350 mA
  • Linearregler zur Vermeidung von Rauschen und Welligkeiten

Ich habe mich für den linearen LDO-Regler MCP1825 entschieden , weil er genügend Leistung (500 mA), eine sehr niedrige Dropout-Spannung (weniger als 210 mV) und einen vernünftigen Ruhestrom (weniger als 120 µA) hat.

Meine Fragen sind:

  • Was ist, wenn ich keinen Rückstromschutz einbaue? Bietet das PMOS-Durchgangselement im MCP1825 einen gewissen Schutz?
  • Kann ich den Rückstromschutz vermeiden, wenn ich auf die Polarität der Batterien achte?
  • Wenn ich eine Art Rückstromschutz einbauen muss, wie würden Sie raten, einen einfachen mit sehr niedriger (oder nicht vorhandener) Abfallspannung und Ruhestrom zu entwerfen?

Antworten (2)

Einen Verpolungsschutz für Ihr Gerät benötigen Sie nur dann, wenn die Möglichkeit besteht, dass die Stromaufnahme in die falsche Richtung angelegt wird. Sie müssten sich fragen, wie wahrscheinlich es wäre, dass eine Verpolungsbedingung eintritt, und dann entscheiden, ob Sie für dieses Szenario Schutz benötigen.

Die meisten einfachen Verpolungsschutzsysteme beinhalten die Verwendung einer Diode im Eingangsleistungspfad. Sie können eine Schottky-Diode auswählen, um den Durchlassspannungsabfall zu minimieren, sodass Sie einen größeren nutzbaren Spannungsbereich von Ihrer Batterieversorgung erhalten. Es gibt Dioden mit ziemlich niedriger Durchlassspannung. Beispielsweise würde eine generische SB30-Leistungsdiode eine Vf von ~ 400 mV bei 100 mA erreichen.

Wenn es Ihnen nichts ausmacht, etwas komplizierter zu werden, können Sie auch einen diskreten PMOS-FET verwenden, um einen Verpolungsschutz zu bieten, wie hier gezeigt . Ein empfohlener P-FET für diese Schaltung könnte der Vishay Si2323 sein, der nur einen Widerstand von 0,068 Ohm aufweist, wenn die Batteriespannung 1,8 V oder mehr beträgt. Die FET-Auswahl muss sorgfältig durchgeführt werden, um einen zu finden, der bei der minimalen Batteriespannung voll eingeschaltet sein kann. Bei 1,8 V kann dieser FET problemlos die 500-mA-Nennleistung unterstützen, die Sie für Ihren LDO-Regler gefordert haben.

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Der MCP1825 bietet keinen Verpolungsschutz für Ihr Gerät. Wenn Sie sich die Funktionsblockdiagramme im Datenblatt ansehen, werden Sie sehen, dass sich im Inneren eine Diode über dem internen PMOS-FET befindet, die in einer Situation mit umgekehrter Polarität in Vorwärtsrichtung vorgespannt wäre und das Anlegen einer negativen Vorspannung an alle Downwind-Schaltkreise ermöglichen würde.

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Gute Antwort. (+1) Ich wollte nur hinzufügen, dass ich den Verpolungsschutz (eigentlich Überspannungsschutz) auf andere Weise mit einer Reihen-Poly-Sicherung und einer Diode im Shunt durchgeführt habe. (Diode parallel zur Stromversorgung.) Die Diode leitet mit Sperrspannung, und dann löst die Polysicherung aus, wodurch die Verlustleistung in der Diode begrenzt wird. Ersetzen Sie zum Überspannungsschutz die Diode durch eine Zenerdiode.
Es gibt zwei Probleme bei der Implementierung von Dioden und Polysicherungen. Zunächst einmal werden die Abwindschaltkreise einem negativen Spannungspegel ausgesetzt, der für einige Schaltungen möglicherweise nicht tolerierbar ist. Zweitens kann es einige Zeit dauern, bis sich die Poly-Sicherung öffnet. Dadurch werden die Schaltkreise für alle 10 s oder 100 s von Millisekunden, die es dauert, bis die Poly-Sicherung wirkt, der Sperrdiodenspannung ausgesetzt. Normalerweise verwende ich nur die Diode der Serie SB30. Viele der modernen Batterietechnologien haben eine ziemlich flache Entladungscharakteristik und die Menge an zusätzlicher Batterielebensdauer, die man mit einer Lösung mit geringerem Abfall erhält, ist nicht so groß.
Mit einer Schottky-Diode in Reihe kann man nichts falsch machen; Der Durchlassspannungsabfall ist für eine AAA-Batterie im Wert von 4,5 V unbedeutend, und es handelt sich um eine einzelne 08/15-Komponente. Michaels zweite Lösung ist sehr elegant (darauf bin ich noch nie gestoßen), aber für Ihre Situation würde ich sagen, dass sie übertrieben ist. Wenn die Stromversorgung höher wäre, beispielsweise 12 V +, nähern Sie sich der Durchbruchspannung in Sperrrichtung eines (billigen) Schottky. Hier würde ich die wesentlich robustere PMOS-FET-Option verwenden, zumal dann die Wahl des FET aufgrund der höheren Gate-Spannung einfacher wäre.
@chaaarlie2 - Der Abfall der Schottky-Diode kann mehr als nur eine unbedeutende Menge darstellen. Nehmen wir an, dass drei AAA-Batterien 1,2-V-NiMH-Batterien sind, die bei einer Nennlast von 100 mA verwendet werden, wenn eine MCU aktiv ist. Eine kostengünstige Diode wie eine BAT54 hat eine nominelle Vf von 0,5 V bei 100 mA. Bei 0,5/3,6 bedeutet dies, dass 13,8 % der von der Batterie gelieferten Energie als Wärme in der Diode verloren gehen. Eine andere Sache ist, dass ein BAT54 eine Sperrspannung von -30 V hat, sodass er die bessere Wahl für eine 12-V-Batterielösung ist. Der Grund dafür ist, dass ein P-FET wie der Si2323 einen Gate-Spannungsbereich von nur +/- 8 V ​​hat. (Fortsetzung)
(Fortsetzung von oben) Dies bedeutet insgesamt, dass der P-FET für Niederspannungsanwendungen ein Gewinner ist. Für Anwendungen mit höherer Spannung, wie z. B. 12-V- oder 24-V-Anwendungen, wäre eine Diode erforderlich, und die Vf der Diode ist ein viel geringerer Prozentsatz der Batteriespannung. Die von mir empfohlene Diode vom Typ SB30 kann dort sogar verwendet werden, da sie eine maximale Sperrspannung von 40 V hat und den Vorteil einer zusätzlichen Vf-Einsparung von 0,1 V gegenüber der BAT54 bei 100 mA bietet. Es besteht kein Zweifel, dass die P-FET-Lösung im Teilepreis etwas mehr kostet. Es ist wirklich östlich zu implementieren. Si2323 ist ein SOT-23-Paket.
@MichaelKaras - Ich denke darüber nach, Ihren Rat zu befolgen und es mit IRF7425 P-FET auszuprobieren, der eine noch bessere RDS (on) -Bewertung von 8,2-13 mOhm und eine maximale VGS von -1,2 V hat. Gibt es noch andere Parameter, die ich berücksichtigen sollte, um diesen P-FET als Verpolungsschutz zu verwenden?
Stellen Sie sicher, dass der vom Teil unterstützte Gate-Spannungsbereich für beide Polaritäten über Ihrer Batteriespannung liegt. Stellen Sie zweitens sicher, dass der FET selbst (und seine Body-Diode) für einen Strompegel ausgelegt sind, der über dem Strom liegt, den Sie von Ihrem System ziehen möchten. Stellen Sie drittens sicher, dass der FET bei der niedrigsten Batteriespannung, bei der Sie den Betrieb erwarten, vollständig verstärkt (eingeschaltet) ist. Die VGS-Spezifikation der meisten FET-Datenblätter ist auf einen extrem niedrigen Strom von 1 mA oder vielleicht sogar nur 250 uA Drain-Strom spezifiziert. Mit diesem FET erreichen Sie bei 1,2 V VGS keine 8,2 mOhm.
@MichaelKaras Dies ist das erste Mal, dass ich mir ein FET-Datenblatt ansehe, also versuche ich, jeden der Punkte herauszufinden, die Sie für IRF7425 angesprochen haben : Gate-Spannungsbereich : MAX VDS = -20, MAX VGS = + -12, Strom Pegel : ID MAX (kontinuierlicher Drainstrom, VGS bei -4,5 V) = -12 A, IS (maximaler kontinuierlicher Quellenstrom (Body-Diode)) = -2,5 A, voll verbessert : Typischer Einschaltwiderstand Vs. Gate-Spannung (Grafik): RDS(on)=10mOhm bei VGS=-2V. Wenn ich das gerade lese (bin ich??), sieht es gut aus (wenn nicht ein Overkill) für ~ 3 V, ~ 400 mA (max), nicht wahr?

Es ist möglich, einen Batteriehalter zu konstruieren, der sich nicht verbindet, wenn die Zellen falsch herum eingesetzt werden. Wenn Sie die Kontrolle über die Herstellung des Gehäuses haben, kann dies eine Option sein.

Der übliche Weg ist, ein paar Plastikösen auf jeder Seite des Pluspols zu haben. Dadurch wird verhindert, dass der flache Minuspol ihn berührt, wenn die Batterie falsch herum eingelegt wird.
Rückstromschutz für einen batteriebetriebenen Stromkreis
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