Warum wird am Gate des P-Kanal-MOSFET der diskreten USB-Leistungspfadschaltung ein Widerstandsteiler verwendet?

Mir ist diese diskrete Strompfadschaltung beim Design des ESP32-A1S Wi-Fi + BT Audio Development Kit aufgefallen :

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Entschuldigung, aber leider sind keine der Bezeichner nummeriert und die Widerstände haben keine Werte. Ich habe mir erlaubt, sie mit D1, Q1, R1 und R2 zu nummerieren. Ich habe auch ausdrücklich die Körperdiode von Q1 angegeben (wie von @Damien hervorgehoben ).

Ich verstehe die Arbeit von D1, Q1 und R2. Wenn USB getrennt ist, wird Strom von VBAT zu VCC5V über die Body-Diode von Q1 geleitet. R2 zieht das Gate von Q1 auf 0 V und Q1 schaltet ein, so dass ein viel geringerer Spannungsabfall auftritt als bei der Body-Diode von Q1 (auch bekannt als "ideale Diodenfunktion"). Wenn USB angeschlossen ist, wird Q1 ausgeschaltet und VBUS liefert Strom an VCC5V über D1 (mit einem regelmäßigen Diodenspannungsabfall). Der bevorzugte Strompfad ist über D1, da VBUS >= 4,4 V und VBAT <= 4,2 V.

Update: Hier ist das Design, das ich verwendet habe (ich habe die normalen Spannungsbereiche von +5V_USB und +VBAT angegeben; Gate, Source und Drain des MOSFET sind explizit gezeigt):

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Die Designs, die ich gesehen und verwendet habe, haben kein R1 (R1 = 0 Ohm). Es muss einen guten Grund geben, warum sie R1 aufgenommen haben. Kann jemand eine Erklärung anbieten und welche Widerstandswerte gut sind?

Update: Danke @Cristobol für den Hinweis auf Spannungsspitzen (zB ESD) auf VBUS / +5V_USB. Ein niederohmiger Widerstand für R1 (z. B. 1k) bietet einen gewissen Schutz für Q1 mit Vgs_max = +-8V (natürlich nur, wenn Q1 einen internen Zener hat, der zwischen Gate und Source geschaltet ist, um das Gate zu schützen).

Update: Danke @Dorian ! Ich finde deine Antwort super! Ein Widerstandsteiler verhindert einen vorübergehenden Abfall von VCC5V während der Zeit, in der USB getrennt ist und VBUS (Batterie) den Strom übernehmen und liefern muss.

R1 ist nicht gelötet oder R1 ist da und hat 0 Ohm?
Bitte korrigieren Sie die Schaltpläne, im ersten ist die parasitäre Diode vertauscht, im zweiten ist Q1 vertauscht !!!!! Das zweite Design arbeitet als einfache Diode, die VBAT mit VPWR verbunden ist.
@Dorian, eigentlich ist das die beabsichtigte Richtung der parasitären Diode und von Q1. Sie können diese Verwendung sehen, wenn Sie nach "Verpolungsschutz mit MOSFET" suchen, z. B. TI SLVA139 . Die parasitäre Diode soll leiten, bis Q1 einschaltet. Siehe auch Abbildung 1 in Häufig gestellte Fragen zu linearen P-Kanal-PowerPath-Controllern und idealen Dioden . Die Richtung der P-Kanal-MOSFETs ist dieselbe.
Wenn Q1 vertauscht wäre, würde die parasitäre Diode Strom zur Batterie fließen lassen, während USB angeschlossen ist.
Es ist nicht die parasitäre Diode, die leitet, sondern Q1 selbst, das in gewissem Maße geöffnet bleibt. Im zweiten Link schaltet der Controller das Gate so, dass Q1 zum richtigen Zeitpunkt öffnet und die Batteriespannung mit der Lastspannung vergleicht. Mit einer so einfachen Schaltung können Sie dies nicht erreichen. Gilt für verpolt angeschlossene Batterien.

Antworten (3)

Während VBUS von 5 V auf 0 abfällt, öffnet Q1 zu spät bei VBUS unter 3,3 V (bei einer Gate-Schwellenspannung von 0,7 V) und VCC5V fällt auf.

R1 und R2 bilden einen Teiler, der die VBUS-Schwellenspannung um 4 V erhöht.

Es ist wahr, wie Damien bemerkte, dass es ein Konstruktionsfehler ist, dass die Q1-Sperrdiode Probleme verursachen könnte, wenn VBUS zu hoch ist oder die Batterie stark entladen ist.

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Siehe hier die Simulationsergebnisse für R1 = 0 (VBUS auf der X-Achse, Batteriestrom und Lastspannung auf der Y-Achse), die Lastspannung fällt auf 2,8 V, während VBUS von 0 auf 5,2 V geht

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und die gleiche Simulation mit R1 = 15 kOhm ist die Lastspannung stabil, bis D1 leitet.

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Danke für eine wirklich hervorragende Antwort! Vielen Dank auch für die Demonstration, wie man den Übergang beim Umschalten von USB auf Batterie simuliert. Das macht jetzt so viel Sinn :)

Ich verstehe die Arbeit von D1, Q1 und R2. Wenn USB getrennt wird, zieht R2 das Gate von Q1 auf 0 V und Q1 schaltet ein, so dass VBAT.

Eigentlich ist es nicht der Fall. VBat liefert aufgrund der Schutzdiode in Q1 immer die VCC5V. Der einzige Unterschied besteht darin, dass beim Herunterziehen weniger Verluste auftreten, da der Mos schaltet.

Angeblich soll es so funktionieren: Da die Batterie 3,7 V hat, zieht R2 (0 Ohm) beim Anschließen des USB das Gate auf 5 V und trennt so die Batterie vom Stromkreis, wenn die Gate-Schwelle unter 1,3 V liegt , zieht Strom aus dem USB statt aus der Batterie.

Aber diese Implementierung ist ziemlich seltsam und wenn VUSB aus irgendeinem Grund ansteigt oder die Batteriespannung abnimmt, könnten Sie die Batterie überlasten und ein schönes Feuer haben. Auch die Gate-Schwellenspannung variiert stark mit der Temperatur.

Ich habe diesen Teiler schon einmal in Fällen gesehen, in denen die Gate-Source-Spannung bei einer direkten Verbindung überschritten würde. Es scheint für 5 V etwas übervorsichtig zu sein, aber vielleicht hat dieser FET eine Schutzdiode von Source zu Gate, die einen Pfad von VBUS direkt zur Batterie bereitstellen würde. Es kann auch ein Schutz vor Spitzen oder Rauschen auf dem VBUS sein. Natürlich kann es auch nur sein, dass es von einem Stromkreis mit höherer Spannung kopiert wurde. Mein Geld ist auf die Schutzdiode.

Warum wird am Gate des P-Kanal-MOSFET der diskreten USB-Leistungspfadschaltung ein Widerstandsteiler verwendet?
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