Warum haben DC/DC mit externem Mosfet eine begrenzte Nennstromstärke?

Der Grund für die Strombegrenzung kann eher ein geschäftlicher als ein technischer Grund sein.

Das Design wurde möglicherweise von einem bestimmten Kunden für eine bestimmte Aufgabe in Auftrag gegeben (begleitet von einem großen und lukrativen Auftrag) – wahrscheinlich in der Automobilindustrie, wenn man die Produktvalidierungsspezifikation beurteilt. Die Parameter im Briefing wurden dann zu einem wesentlichen Bestandteil der Produktspezifikation. Da Infineon ein deutsches Unternehmen ist, dürfte der ursprüngliche Kunde ein deutscher Automobilhersteller gewesen sein. Darüber hinaus ist Ihre Vermutung so gut wie meine.

Ebenso entstand der erste Mikroprozessor, den Intel je hergestellt hat, aus einem Auftrag eines Kundenunternehmens für den Tischrechnermarkt.

Wie das Unternehmen diesen Auftrag umsetzt, ist für den Kunden weniger wichtig: In diesem Fall war die Verwendung eines externen Isense-Widerstands vermutlich akzeptabel und ermöglicht es zumindest theoretisch jedem anderen Kunden, andere Strombegrenzungsspezifikationen einzuhalten, indem er den Messwiderstand ändert. Die interne Logik erfasst lediglich die Spannung über diesem Widerstand: Sie hat keine Möglichkeit, den Wert dieses Widerstands zu kennen.

@DKNguyen hat Recht, dass das Gerät Gate-Treiberbeschränkungen aufweist - sowohl bei begrenztem Strom als auch bei ziemlich langsamen Anstiegs- / Abfallzeiten - und diese sind für den ursprünglichen Auftrag mit dem ursprünglich empfohlenen MOSFET angemessen. Es ist gut, dass diese klar im Datenblatt angegeben sind, aber dieses Datenblatt wurde in erster Linie geschrieben, um den Kunden bei der Umsetzung des ursprünglichen Briefings zu unterstützen.

Die Verwendung des Geräts für andere Zwecke (z. B. eine 10-A-Versorgung) ist wahrscheinlich möglich, solange Sie alle anderen angegebenen Einschränkungen umgehen (z. B. einen FET mit akzeptabler Gate-Kapazität und eine geeignete Induktivität wählen).

Aber ich würde nicht erwarten, dass Infineon ein solches Design befürwortet oder unterstützt – SIE SIND AUF SICH SELBST, insbesondere wenn Ihr Design sicherheitskritisch ist – es sei denn, Sie erhalten eine ausdrückliche Verzichtserklärung von Infineon, nachdem Sie Ihr Design mit einem ihrer FAEs überprüft haben. (Sie zu kontaktieren wäre eine gute Idee für jede ernsthafte Verwendung des Produkts ... sie könnten diese Hypothese zumindest bestätigen (oder korrigieren). Aber ich bezweifle, dass sie Ihr Design für weniger als hunderttausend Einheiten überprüfen werden.) Das könnte sein oder spielt für Ihre Zwecke keine Rolle, sollte aber beachtet werden, wenn Sie es außerhalb des Datenblatts verwenden.

Die angegebene Grenze von 2,3 A ist keine Grenze dessen, was der Controller aushalten kann, sondern eine Grenze, die vom Controller erzwungen wird, um den Rest der Schaltung zu schützen. Der Wert von 2,3 A basiert auf der Referenzschaltung.

Sie können diese Grenze ändern. Siehe Abschnitt 7.10.2 im Datenblatt. Dort heißt es: „Der Spitzenstrom, den der Abwärtswandler liefern kann, wird durch die Spitzenstrombegrenzungsschwellenspannung VLIM und den Messwiderstand RSENSE bestimmt.“ Es gibt dann eine Formel zur Berechnung eines neuen RSENSE für einen neuen Grenzwert.

Wenn Sie den erwarteten Spitzenstrom für ein bestimmtes Design ermitteln möchten, können Sie die Schaltung simulieren. Oder verwenden Sie einen praktischen Rechner wie den Buck-Rechner unter http://schmidt-walter-schaltnetzteile.de/smps_e/smps_e.html Wenn Sie feststellen, dass Sie eine höhere Strombegrenzung benötigen, passen Sie RSENSE an.

Die Gate-Treiberstromkapazität eines Controller-ICs ist nicht unbegrenzt, sodass Sie nicht einfach einen unendlich großen MOSFET auf den Ausgang werfen können. Es mag andere einschränkende Faktoren geben, aber dies ist der einzige, den ich kenne.

BEARBEITEN: Es wurde darauf hingewiesen, dass die Angabe eines Stroms anstelle einer Gate-Ladungsgrenze ein Umweg wäre, da "es keine zuverlässige Möglichkeit gibt, die Gate-Ladung mit der aktuellen Kapazität zu korrelieren".

Es stimmt, dass es keinen verlässlichen Zusammenhang gibt. Woher kamen dann 2,3 A Stromstärke auf der Titelseite? Sicher, es gibt keine verlässliche Korrelation für technische Zwecke , aber Sie können Dinge auf der Grundlage bestehender Technologie festhalten, wenn Ihr Ziel Marketingzwecke sind.

Bedenken Sie, dass für MOSFETs auf der Titelseite ähnliche Stromwerte angegeben sind, Sie diese jedoch in der Praxis nicht erreichen können (zumindest kann ich das nie).$R_{dson}$, der nützliche Parameter ist tiefer im Datenblatt vergraben.

Anstelle einer Gate-Ladungsgrenze (die die Kenntnis zu vieler Unbekannter über die Betriebsbedingungen des Endbenutzer-MOSFET erfordern würde) neigen diese DC-DC-Controller dazu, einen Gate-Treiberstrom und keine Gate-Ladungsgrenze tiefer im Datenblatt zu vergraben.

Geräte, die externe MOSFETs steuern, können eine breite Palette von Anwendungen haben, jede mit ihren eigenen Ausgangsspannungs- und Stromanforderungen.

Es kann eine Anforderung geben, dass bei einem Kurzschluss der Last der Ausgangsstrom ein bestimmtes Maximum nicht überschreiten darf, was die PCB selbst (vor übermäßigem Strom, der den Leistungspfad beschädigt), den MOSFET (der einen gewissen maximal zulässigen Strom haben wird) und die Induktivität (zum Schutz vor übermäßiger$I^2R$Kupferverluste.

Wir können Strombegrenzungen extern für einige Teile festlegen, die eine interne Strombegrenzung haben (was normalerweise für den Wärmeschutz gilt, aber nicht immer).

Das Festlegen einer Stromgrenze, die nicht höher ist als die Anforderungen der jeweiligen Anwendung, ermöglicht auch die Verwendung kleinerer Induktivitäten als ansonsten erforderlich wäre (weil die Grenze eine Sättigung verhindert).

Die maximale Strombegrenzung in Ihrer Anwendung ist erforderlich, da die Body-Diode des MOSFET auch dann noch leitet, wenn der MOSFET ausgeschaltet ist.

Warum haben DC/DC-Wandler mit externem Mosfet eine Strombegrenzung?

Beim Entwerfen von Stromrichtern jeder Art ist es sinnvoll, den Strom zu begrenzen, um zu verhindern, dass Überlastbedingungen ein mögliches Brandrisiko verursachen.

Wenn ein zu hoher Strom durch die Komponente fließt, besteht die Gefahr, dass sie sich zu stark erhitzt und die Sperrschichttemperatur überschreitet.

Viele anständige Regler überwachen ihre eigene Sperrschichttemperatur und schalten ab - die Strombegrenzung wird für Überstromszenarien verwendet, wenn die Temperatur der Komponenten nicht unbedingt so hoch ist, aber die Schaltung Strom in eine Last leiten könnte, die ein Brandrisiko darstellt.

Es gibt Verschmelzungsgrenzen, die verhindert werden müssen. Auch bei der Verwendung von Induktivitäten (wie z$L_1$auf deinem Bild). Sie wollen nicht, dass es magnetisch gesättigt wird.

Der fragliche Chip ermöglicht also die Verwendung von an$R_{SENSE}$Widerstand und dieser muss natürlich nicht verwendet werden, aber es ist normalerweise keine gute Idee, ihn nicht zu verwenden.

Erstens ist die Strombegrenzung ein integrierter Schutz für Ihren externen FET, falls der FET während eines seltenen transienten Ereignisses einen gefährlichen Strompegel erfährt. Wenn Ihr FET beispielsweise für 20 A ausgelegt ist und Ihr normaler Betriebsstrom durch den Messwiderstand 10 A beträgt, sieht es so aus, als könnten Sie den 20-A-FET verwenden. Aber wer schützt Sie, wenn der Strom des Messwiderstands unter vorübergehenden Bedingungen oder Fehlerbedingungen plötzlich auf 30 A ansteigt? Es gibt keine Sicherung in einer DC/DC-Wandlerplatine, die Sie schützt.

Zweitens wird die Spannung über dem Messwiderstand intern durch einen Verstärker mit fester Verstärkung verstärkt. Wenn die Spannung sehr hoch ist, könnte sie den internen Verstärker sättigen. Natürlich können Sie immer einen kleineren Widerstand wählen, um einen geringeren Spannungsabfall über dem Messwiderstand zuzulassen, aber auch die Strombegrenzung hat eine Genauigkeitsanforderung. Der Hersteller möchte nicht riskieren, die Spezifikation zu überschreiten, indem er nicht angibt, welche Arten von Messwiderständen und Strombegrenzungen Sie anwenden können.

Drittens hängt die maximale Last, die ein DC/DC-Controller handhaben kann, eng mit den Stabilitätsanforderungen des Controllers zusammen. Der Regler wird weniger stabil (leistungsschwächer bei einer schrittweisen Laständerung oder einer Versorgungsänderung), wenn der Laststrom sehr hoch ist. Davon abgesehen können Sie den maximalen Strom, der durch den Messwiderstand fließt, vorhersagen, indem Sie Ihr Vin / Vout-Verhältnis für den ungünstigsten Fall verwenden. Was ist Ihr Grund dafür, dass der Strom höher als die Stromgrenze ist? Wenn dies daran liegt, dass Ihre Last ansteigt, würde ich sagen, dass eine FET-Änderung nicht ausreicht, da der Controller bei einer höheren Last als der Spezifikation möglicherweise Stabilitätsprobleme hat.

Eigentlich kenne ich dieses Gerät ziemlich gut und möchte Ihnen helfen: Der Automobilanwendung steht keine Grenze entgegen, wie und wo Sie dieses Gerät verwenden können, es bestimmt nur, wie es qualifiziert und auf Zuverlässigkeit geprüft wird (siehe AEC- Q100).

Der erste offensichtliche Grund, warum der Controller mit beliebigen Lastströmen nicht umgehen kann, wurde bereits erwähnt. Es ist die begrenzte Strom- / Spannungstreiberfähigkeit des Gate-Treibers, die Sie daran hindert, MOSFETs mit niedrigerem RDSON zu verwenden, da diese eine höhere Gate-Ladung haben ...

Der zweite Grund wurde bisher nicht erwähnt, ist aber ein sehr wichtiger. Dieser Controller verwendet das sogenannte "Spitzenstrommodus"-Regelungsschema. Dies ist der Hauptgrund, warum es einen Messwiderstand gibt, der den Schaltstrom in die Steuerung zurückführt. Die Prinzipien der „Peak Current Mode Control“ können Sie in einigen Appnotes oder in Ericksons „Fundamentals of Power Electronics“ nachlesen. Der Vorteil dieser Methode besteht darin, dass Sie am Ende eine Steuer-zu-Ausgangs-Übertragungsfunktion erster Ordnung erhalten, die leichter zu kompensieren ist. Zweitens benötigen Sie die Strommessung sowieso, falls Sie Ihr Gerät und Ihren Schalter vor Kurzschluss schützen wollen. Diese Steuermethode schränkt jedoch die möglichen Induktorwerte ein, die Sie gegenüber dem Messwiderstand und der eingestellten Ausgangsspannung auswählen können.

In Abschnitt 7.10.1 sehen Sie diese Einschränkung der wählbaren Induktivität. Wenn Sie für Ihre gewünschten Betriebsbedingungen rechnen, werden Sie feststellen, dass Ihre Welligkeit bei der Auswahl des Induktors gemäß der angegebenen Formel keinen "Headroom" mehr bis zur oberen Stromgrenze hat.