Zwei N/P-Kanal-MOSFET-Chips mit Rauch

Ich habe die folgende N-MOS- und P-MOS-Gegentakt-Dual-MOSFET-Schaltung gebaut. Sein Zweck ist es, einige externe LEDs von einem 3,3-V-Mikroprozessor zu steuern.

Es scheint jedoch ein Problem zu geben, bei dem der Dual-MOSFET-Chip „SI4554DY-T1-GE3 Dual N/P-Channel“ einen schrecklichen Rauchtod stirbt, wenn 12 V angeschlossen sind, wie im folgenden Schema gezeigt.

Der Rauch tritt auch dann auf, wenn keine Last angeschlossen ist und die MOSFETs nicht geschaltet sind (Leerlauf).

Soweit ich dem Datenblatt entnehmen kann, werden keine der Grenzwerte (V[GS] < 20V, V[DS] < 40V) überschritten.

Können Sie bei der Identifizierung des Problems helfen? Danke dir!

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Bild der Schaltungsimplementierung

Über Rauchzeichen werden die Fehlermeldungen bei Überschreitung der maximalen Verlustleistung übermittelt.
Ihre Simulationsergebnisse werden nur so gut sein wie Ihre Simulation. Wenn Sie LED-Bänke steuern, ist die Last nicht wirklich gut als 100-Ohm-Widerstand modelliert.
Ah, ja, ich vergaß zu erwähnen, dass die Fehlermeldung (Rauch) erscheint, wenn überhaupt keine Last angeschlossen ist (R_LOAD = unendlich).
Wie hoch ist die Gate-Spannung, wenn Sie 12 V anschließen? Wahrscheinlich leiten beide Mosfets und schließen sich gegenseitig kurz. Warum verwenden Sie dafür Push-Pull? Der N-Mosfet macht nichts Nützliches beim Ansteuern Ihrer LEDs ...
Wenn Sie Strom anlegen, verlassen Sie sich darauf, dass R2 die Gates der beiden MOSFETs auflädt. Wie lange dauert das und wie viel Strom fließt in dieser Zeit durch sie?
Nun, ich verwende eine strombegrenzte 1A-Quelle, daher ist auch die Gate-Spannung begrenzt. Es liegt bei etwa 9 V (Ausgang der Spannungsquelle).
Der Grund für die Verwendung von Gegentakt liegt darin, dass die gleiche Schaltung verwendet wird, um einige "intelligente LEDs" anzusteuern, die ein positives +12-V-Signal benötigen. Ich habe eine Platine mit 8 dieser Schaltungen und das gibt mir Flexibilität in Bezug darauf, welche Art von Last ich schalte.
Können Sie einen Schalter zwischen 12 V und der Stromversorgung von M1 hinzufügen? Auf diese Weise könnten Sie die 12-V-Versorgung hochfahren und stabilisieren lassen und den Gate-Treiber stabilisieren, bevor Sie die Gegentaktschaltung mit Strom versorgen. Das würde die langsame Anstiegszeit des Netzteils ein- oder ausschließen, was dazu führt, dass beide Geräte gleichzeitig leiten. Ich würde auch versuchen, den 47-K-Pull-up auf 4K7 zu reduzieren, um eine viel schärfere Anstiegszeit zu erzielen, während die Gates aufgeladen werden, obwohl ich denke, dass dies weniger wahrscheinlich die Ursache ist.
@DaveTweed Nun, es ist ein bisschen schwierig zu messen, mit dem Rauch und allem. Aber der Ausgang V_LOAD misst 0 V, bis einige Minuten später der MOSFET vollständig stirbt und der Ausgang ~ 12 V wird.
Hat wahrscheinlich etwas damit zu tun, dass der 222A dort durchtuckert, wenn beide gleichzeitig eingeschaltet sind.
Die Idee war, dass Sie diesen Aspekt des Designs analysieren und das destruktive Experiment nicht erneut durchführen würden. Beide MOSFETs haben niedrige Schwellenspannungen, daher ist ein hoher „Durchschuss“-Strom bei jedem Schaltübergang ein sehr reales Problem. Basierend auf Ihrer nachfolgenden Beschreibung Ihrer Anwendung klingt es so, als wäre es eine gute Idee, die beiden Gates getrennt zu fahren. dann könntest du beide ausschalten.
@DaveTweed stimmte zu. oder fügen Sie dort eine Drossel hinzu (Induktivität + Diode), um die Schaltübergangsstromspitze zu blockieren.
@ TonyM Das Hinzufügen eines Schalters wäre etwas schwierig, aber ich könnte es versuchen. Ich habe ein Bild meines Setups hinzugefügt (siehe oben). ->Trevor Soweit ich dachte, ich hätte es entworfen, sollte dies niemals für längere Zeit passieren. Hast du ein Beispiel für den Choke? ->DaveTweed Ah, ja, natürlich, aber meine Simulationen scheinen darauf hinzudeuten, dass alles gut funktioniert. Der Durchschussstrom wird mit einem Spitzenwert von ~10 µA simuliert.
Ich nehme deinen Punkt. Könnten Sie den IC entfernen und einen 2700-pF-Kondensator über den IC-Gate-Pin und GND legen und dann mit einem DSO die Anstiegszeit und das Profil beim Einschalten messen?
@Trevor, vielleicht Glättungskondensator auf der Platine in der Nähe des MOSFET zwischen +12 und GND?
@utu2012 Es gibt einen ein paar Zentimeter rechts neben dem ersten, den ich getötet habe.
Mein erster Verdacht war, dass ich im SI4554DY eine Nennleistung überschritten habe, da ich das gleiche Design für niedrigere Ströme zuvor mit BSS138- und BSS84P-MOSFETs erstellt habe, das einwandfrei funktioniert hat.
Bei dieser Gegentaktkonfiguration werden beide MOSFETS bei jedem Eingangsübergang mit ansteigenden Flanken für eine gewisse Zeit eingeschaltet, was aufgrund des 47k R2 weitaus schlimmer ist. Ich schlage vor, dass Sie diesen Wert erheblich reduzieren - 1k oder weniger (abhängig von der Gate-Kapazität der MOSFETs). Wenn Sie es simulieren, stellen Sie sicher, dass Ihr Simulator die Gate-Kapazität richtig modelliert.
@brhans OK, das werde ich tun. Obwohl der MOSFET starb, wenn er nicht schaltete (Leerlauf), ist dies wahrscheinlich nicht die Ursache.
47k hochziehen? Huch!
Der tatsächlich auf der Platine installierte Teil ist 51K groß. Warum bestehen die Leute darauf, uns Schemata zu zeigen, die nicht die Realität ihrer Situation widerspiegeln? Die Referenzbezeichner sind auch alle falsch.
Entfernen Sie M2 - es scheint nichts zu tun, außer einen destruktiven "Durchschuss"-Pfad für M1 bereitzustellen.
Simulationen verwenden in den allermeisten Fällen die typischen Werte aus Datenblättern und daher ist der Einsatz von Simulationen hier nur bedingt sinnvoll. Was ich nicht sehe, ist eine "Totzeit"-Steuerung. Unter linear.com/docs/4139 erfahren Sie , wie Makromodelle normalerweise zusammengesetzt werden.
@DaveTweed Mir gingen die 47k aus, die ich auf dem ersten defekten Board installiert hatte (das Bild stammt von meinem zweiten "sauberen" Test).
@RussellMcMahon Es ist ein Dual-MOSFET-Teil, das sowohl N- als auch P-MOS enthält. Ich brauche 'M2' für Lasten, die an ihrem negativen Pin geschaltet werden müssen.
@Johns, aber sind dir in Circuitlab die 5er und 1er ausgegangen? Wenn Ihnen 47.000 Teile ausgehen, bedeutet das nicht, dass Sie den Schaltplan nicht so zeichnen können, dass er mit dem übereinstimmt, was Sie tatsächlich getestet haben.
@ThePhoton Die ursprüngliche Schaltung, die ich getestet habe, hatte 47k. Und es ist nicht so, dass das alles tötet. Ich habe jetzt versucht, einen 1k-Pullup zu verwenden, wie Brhans vorgeschlagen hat, mit dem gleichen Ergebnis. Der MOSFET scheint als ständiger Kurzschluss von 12 V nach GND zu wirken.
Wenn Sie "Testen mit NO-Treibersignal" sagen, meinen Sie Masse oder O / C. Wenn Vin immer hoch oder niedrig ist, ist der Q1-Zustand definiert. Aber O/C vin lässt Q1 möglicherweise teilweise einschalten – was katastrophal sein kann. Unabhängig davon ist ein höherwertiger Widerstand von der Q1-Basis zur Masse in Ordnung - sagen wir 10K || Mehrere Leute haben das Durchschießen über M1 und M2 erwähnt, und es wurden mehrere Schemata vorgeschlagen. | MÖGLICHERWEISE nützlich ist ein Zener von Q1 C zu jedem FET-Gate und ein Widerstand, der jeden FET von Gate zu Source ausschaltet. 2 x sagen wir 5V6 Zener bei einer 12V-Versorgung bedeutet, dass es eine minimale Überkreuzung gibt und 2 x 6V8 gibt keine.
Bevor ich die Kommentare las, war meine erste "Vermutung", dass sowohl M1 als auch M2 eingeschaltet waren, was einen Kurzschluss für die 12-V-Versorgung verursachte. Unabhängig von der Simulation hält diese Situation anscheinend lange genug an, um den Chip zu beschädigen. Offensichtlich besteht die Lösung darin, die 12 V nicht an M1 anzulegen, bis sich die Gate-Spannung stabilisiert hat. Wenn Sie einen Choke auf den Kollektor von M1 setzen, sollte es funktionieren.

Antworten (4)

Ihre Push-Pull-Konfiguration ist invertiert. Der N-Kanal-MOSFET soll mit der +ve-Schiene und der P-Kanal-MOSFET mit der -ve-Schiene verbunden werden. Ihre Schaltung explodiert, weil beide MOSFETs für einige Zeit eingeschaltet werden, wenn sich der Eingang von niedrig nach hoch oder von hoch nach niedrig ändert. Dies verursacht einen Kurzschluss und Sie erhalten den magischen Rauch!

Bitte beachten Sie den folgenden Referenzlink:

http://www.talkingelectronics.com/projects/MOSFET/MOSFET.html

Ich bin mir sicher, dass das Design stimmen sollte. Ich habe dieses Push-Pull-Design mehrmals verwendet. Der Unterschied besteht jetzt darin, dass ich eine Komponente mit zwei MOSFETs verwende, im Vergleich zur Verwendung einzelner MOSFETs in der Vergangenheit. Auf der Suche nach Halbbrücken-Mosfet-Treibern scheinen beide Designs beliebt zu sein.
@Johis es gibt einen signifikanten Unterschied in den Schaltzeiten der Mosfets. Selbst wenn Sie garantieren können, dass die Gate-Signale gleichzeitig ankommen, WIRD es eine "Beide Ein"-Zeit geben. Ich schlage vor, Sie treiben die Gates entweder separat an oder fügen der Stromleitung mit einer Rücklaufdiode eine Induktivität hinzu, um die Spitzen abzuschneiden.
@Johis auch, es hat vorher funktioniert, ist auch kein Hinweis darauf, dass es richtig war. Wir sprechen hier von winzigen Unterschieden mit Stromspitzen, die nS dauern. Was ein Gerät tötet, kann das nächste nicht töten.
@Johis, ich fühle mich dumm, weil ich mir das früher angesehen habe, als ich überprüft habe, ob Ihre FET-Quellen korrekt auf Ihrer Leiterplatte angeschlossen sind. Aber Ihr Schema würde funktionieren ... wenn Ihre Tore eine wirklich schnelle Anstiegs- und Abfallzeit hätten. Um die Probleme zu vermeiden, ist es viel besser und genauso einfach, das entgegengesetzte Schema zu verwenden, das durch die Links von vivekkholia gezeigt wird. Dadurch wird sichergestellt, dass beide FETs ausgeschaltet sind, wenn die Gate-Spannung durch die „tote Zone“ zwischen sehr hoch und sehr niedrig wechselt. Mir wurde das vor ein paar Jahrzehnten auf einem Motorantrieb gezeigt, hätte es erkennen sollen.
@Johis Wenn Sie dieselbe Konfiguration verwenden müssen, die Sie verwenden, sollten Sie die MOSFETs einzeln ansteuern. Planen Sie eine Totzeit ein, um sicherzustellen, dass sie nicht gleichzeitig leiten.
@vivekkholia OK, das werde ich beim nächsten Mal berücksichtigen. Ich bezweifle jedoch, dass dies das derzeitige Hauptproblem ist, da ich magischen Rauch habe, selbst wenn ich nicht schalte.
@Johis, es kann auch beim Einschalten getötet werden.
Durch einfaches Umschalten der Mosfets wird jedoch nicht von Schiene zu Schiene gefahren.
@Johis, wenn Sie Zugriff auf DSO haben, schließen Sie es an die Stromversorgung Ihrer Schaltung an, möglicherweise an der Quelle des P-Kanal-MOSFET, an der 12 V angeschlossen sind, und an den Gates. Konfigurieren Sie das DSO für One-Shot-Trigger und schalten Sie die Stromversorgung ein. Wenn Sie eine große Spitze sehen, können Sie sicher sein, dass die Überspannung sie wahrscheinlich getötet hat. MOSFET-Gates sind sehr empfindlich gegenüber Überspannungen.
@Johis, wie ich vor einer Stunde vorgeschlagen habe, könnten Sie den IC entfernen und einen 2700-pF-Kondensator über den IC-Gate-Pin und GND legen und dann mit einem DSO die Anstiegszeit und das Profil beim Einschalten messen? Das geht schnell.
@vivekkholia Die Stromversorgung des DSO scheint in Ordnung zu sein. Die Gate-Spannung steigt sauber auf 12 V an.
@vivekkholia deine Quelle (der zweite Link) ist einfach falsch. Bitte überdenken Sie Ihre Antwort.
@WhatRoughBeast Es war nicht einfach falsch . Es war wahrscheinlich irrelevant für die gestellte Frage. Ich habe auch einige zusätzliche Dinge gesagt, bevor ich es gepostet habe. Habe es aber entfernt.
@TonyM Mein DSO möchte nicht so auslösen, dass ich den Anstieg sehen kann. Bei höchster Auflösung steigt es sofort auf mein Zielfernrohr. (Wird versuchen, einen besseren Bereich zu finden)
Kraftfahrer oszillieren gerne. 10 nH und 10 nF schwingen bei 16 MHz mit, gefährlich schnell für diese FETs. Die Schaltverluste sind enorm, und dieser Verlust wiederholt sich 16.000.000 Mal pro Sekunde.

Push-Pull-Schaltungen dieses Designs sind berüchtigt dafür, dass sie durchschmelzen, weil versehentlich beide Mosfets gleichzeitig eingeschaltet werden.

Dies kann natürlich während des Schaltens passieren, aber es kann auch passieren, wenn der Stromkreis mit Strom versorgt wird. Der Stromimpuls ist normalerweise sehr kurz, aber je kleiner die Mosfet-Geräte sind, desto wahrscheinlicher ist es, dass bei einem oder beiden ein Fehler auftritt.

Daher ist es bei der Verwendung von Rail-Rail-Push-Pull-Treibern wie diesem erforderlich, dass ein gewisser Schutz bereitgestellt wird, um sicherzustellen, dass der Strom nicht durch die Brücke spitzen kann.

Unten sehen Sie ein Beispiel, das einen Induktor als Stromdrossel verwendet.

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L1 und D1 im obigen Schema sollten so bemessen sein, dass die Anstiegszeit des Stroms deutlich kürzer ist als die Schaltzeit der Mosfets.

Der Widerstand R2 sollte enthalten sein, um die Schaltung in einen bestimmten Zustand zu zwingen, während die Logik, die sie antreibt, hochfährt. Dies gilt insbesondere dann, wenn das Signal von einem Mikro stammt, das zunächst als hochohmiger Pin konfiguriert ist. Ob dieser Widerstand auf Masse von logisch 1 gezogen wird, hängt davon ab, in welchem ​​Zustand der Ausgang starten soll.

C1 soll versuchen, die Mosfets vor Startspannungsspitzen der Stromversorgung zu schützen.

R1 sollte auch nicht überdimensioniert sein. Es muss die Kapazität von M1 entleeren und M2 schnell genug aufladen, wenn der Transistor abschaltet.

Letztendlich wird es bei dieser Art von Treiber bevorzugt, dass getrennte Steuersignale mit einer eingebauten Totzeit verwendet werden, bei der beide Schalter ausgeschaltet werden, bevor einer eingeschaltet wird. Es bietet Ihnen nicht nur mehr Schutz für Ihren Treiber, sondern fügt auch die Funktionalität hinzu, den Ausgang vollständig trennen zu können.

Wenn Sie "Testen mit NO-Treibersignal" sagen, meinen Sie, dass "kein Treiber" eine niederohmige Masse oder O / C ist.

Wenn Vin immer hoch oder niedrig ist, ist der Q1-Zustand definiert.
Aber O/C Vin lässt Q1 möglicherweise teilweise einschalten – was katastrophal sein kann.
Unabhängig davon ist ein höherwertiger Widerstand von der Q1-Basis zur Masse in Ordnung - sagen wir 10K.

Mehrere Leute haben das Durchschießen über M1 und M2 erwähnt, und es wurden mehrere Schemata vorgeschlagen. MÖGLICHERWEISE nützlich ist ein Zener von Q1 C zu jedem FET-Gate und ein Widerstand pro FET, der jeden FET von Gate zu Source ausschaltet.
2 x sagen wir 6V8-Zener bei einer 12V-Versorgung bedeuten, dass es nur eine minimale Überkreuzung gibt.

Gehen Sie im folgenden Diagramm davon aus, dass V+ 12 V und FET Vgsth jeweils 2 V beträgt.
FET niedriger benötigte Vc, um bei 2 V + 6 V8 = 8,8 V oder höher zu sein, um einzuschalten.
Der obere FET erfordert, dass Vc bei 12 V - 8,8 V = 3,2 V oder niedriger liegt, um sich einzuschalten.

Für Vin < 6,8 V. Der untere FET ist vollständig ausgeschaltet.
Für Vin> 12 - 6,8 V = 5,2 V ist der obere FET vollständig ausgeschaltet.
Dieser signifikante Totzonenschutz KANN dazu beitragen, ein Durchschießen zu verhindern.

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Ich werde deinen Vorschlag testen und auf dich zurückkommen. Der obige Test war mit einem offenen Stromkreis an der Basis (da ich annahm, dass die Leckage nicht ausreichen würde, um den NPN BJT einzuschalten).
@Johis Bevor Sie Zener usw. ausprobieren, fügen Sie einfach den Basis-Pulldown hinzu. Der Leckstrom wird (mindestens) mit Beta multipliziert und ein erhöhter Kollektorstrom kann "sobald es losgeht" auftreten. | Dies ist sicherlich in einigen Fällen die Quelle von Problemen. Ob es hier so ist, ist TBD. | NB - Geben Sie Murphy NIEMALS eine gleichmäßige Pause - er ist durchaus in der Lage, Ärger zu machen, selbst wenn Sie die Dinge richtig machen :-).

12V und es gibt keine Strombegrenzung. Nehmen Sie einen Vorfall an, bei dem sowohl Verhalten aus welchem ​​Grund auch immer zum Scheitern führt. Setzen Sie einen Strombegrenzungswiderstand in die Versorgung oder einen Widerstand in die Versorgung und einen Widerstand auf Masse, um die Ausgangsspannung innerhalb der Stromtoleranz des/der Geräte(s) auszugleichen.

Ich habe vor, bald mit Dual-Gate-FETs (MOS) zu experimentieren, und dieser Artikel hat mich inspiriert! Vielen Dank :-)

Zwei N/P-Kanal-MOSFET-Chips mit Rauch
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