Limitación de corriente de entrada MOSFET de canal P

Llevo varias semanas buscando en EESE y Google una solución a este problema, y ​​aunque encontré algunas propuestas que parecían prometedoras, la implementación en el mundo real no cumplió con las expectativas.

Tengo un regulador de voltaje en una placa con capacitancia de entrada de 10uF, para ayudar a proteger contra condiciones de caída de voltaje. Tengo un fusible en serie con una fuente de alimentación del tamaño de 125 mA por varias razones, y para ser claros, no he encontrado ninguna versión de combustión lenta que cumpla con mis requisitos. La fuente de alimentación puede ser de 5 voltios a 15 voltios CC, muy probablemente una batería de plomo-ácido. Cuando la batería se conecta por primera vez, veo una corriente de entrada con un pico de aproximadamente 8 amperios sobre 8us, que quema rápidamente el fusible de 125 mA. Bien, entonces necesito limitar la corriente de entrada. No es gran cosa, ¿verdad?

Probé varias opciones diferentes, pero esta es la que parecía más prometedora:

R1 y R2 forman un divisor de voltaje que limita los Vgs para evitar daños al MOSFET, y junto con el condensador forman un retardo RC que permite que los Fgs Vgs aumenten más lentamente, manteniendo el FET en su región óhmica durante un período de tiempo más largo . Tiene mucho sentido. Mayor capacitancia = encendido más lento = menos corriente de entrada.

Bueno, eso está muy bien, excepto que después de aumentar el condensador de 1uF a 4.7uF a 10uF, me di cuenta de que toqué fondo con una corriente de entrada de alrededor de 1.5Apk durante 2us. Después de llegar a ese punto, no importa qué capacitancia agregué para C1 (probé hasta 47uF) la corriente de entrada no caería por debajo de 1.5Apk. Obviamente, esta corriente todavía era demasiado alta y me quemaría el fusible en un instante. No puedo aumentar la clasificación actual del fusible, así que necesito encontrar una manera de hacer que esto funcione.

Mi hipótesis actual es esta:

Cgs y Cgd son las capacidades intrínsecas de fuente de compuerta y drenaje de compuerta del MOSFET, y aunque son relativamente muy pequeñas (50pF-700pF), mi teoría es que actúan como un paso cuando Vin se aplica por primera vez. Dado que estas capacidades no pueden reducirse, ellas (especialmente Cgd) son los factores limitantes que me impiden reducir la corriente de entrada por debajo de 1.5Apk.

¿Qué otras opciones hay para limitar la corriente de entrada? He encontrado varias soluciones de un chip para aplicaciones de intercambio en caliente, pero tienen una topología similar al circuito anterior e imagino que tendrían inconvenientes similares.

Vin puede ser tan bajo como 5 voltios, así que si tomo en cuenta la protección de polaridad inversa proporcionada por un diodo Schottky, la caída de voltaje a través del fusible, la caída a través de la resistencia de encendido MOSFET y las caídas debido al cable (puede ser bastante largo) conectando esta placa a la fuente de alimentación, mi caída de voltaje se está volviendo bastante significativa (el regulador de voltaje al que se está alimentando requiere aproximadamente 4.1V para regular adecuadamente). Lamentablemente, una resistencia limitadora de corriente en serie no será una opción.

La otra restricción que tengo es el espacio. Tengo aproximadamente 4.5 x 4.5 milímetros cuadrados para trabajar. El circuito anterior apenas iba a encajar, por lo que agregar aún más componentes no es realmente una opción. De lo contrario, este habría sido un problema un poco más fácil de resolver.

Tienes una idea correcta:

Pero el condensador está en el lugar equivocado. Para el control de la velocidad de rotación, debe estar entre el drenaje y la puerta, no la fuente y la puerta como lo muestra. Al colocarlo entre el drenaje y la compuerta, se genera retroalimentación para que cuando el drenaje suba rápidamente, apague más el FET.

Solo una tapa entre el drenaje y la fuente puede ser lo suficientemente buena. El tiempo se basa en algunos parámetros que generalmente son poco conocidos, y la limitación de la pendiente no se activa hasta que la puerta se acerca a su voltaje umbral.

Aquí hay un circuito de entrada de potencia de limitación de pendiente más sofisticado que he usado varias veces.

Este dispositivo se conecta al resto del sistema a través de dos líneas de bus CAN, tierra y alimentación de 24 V. Se puede conectar en caliente en cualquier momento. No se puede permitir que de repente tome un gran impulso de corriente cuando está enchufado.

CANPWR es la conexión directa al bus de alimentación de 24 V, y 24V es la alimentación interna de 24 V en este dispositivo. El propósito de este circuito es hacer que los 24V aumenten lo suficientemente lento como para limitar la corriente de entrada a un nivel aceptable. Después de eso, debería salirse del camino tanto como sea posible.

Una pendiente de voltaje ascendente en 24V causa corriente a través de C2, que enciende Q3, que enciende Q1, que trata de apagar la unidad de puerta a Q2, el elemento de paso de potencia. Tenga en cuenta que esto se activa con menos de 1 V en 24V.

La retroalimentación de limitación de pendiente ocurre cuando hay suficiente voltaje a través de R4 para encender Q3. Figura que es aproximadamente 1.5 V, considerando la caída en R5 requerida para encender Q1. Por lo tanto, el límite de la pendiente es lo que se necesita para pasar (1.5 V) / (10 kΩ) = 150 µA a través de C2. (150 µA) / (1 µF) = 150 V / s. Por lo tanto, subir 24 V debería tomar unos 150 ms. Recuerdo haber medido unos 100 ms de tiempo de subida con un osciloscopio, para que todo salga bien.

Una vez que la red de 24 V ha aumentado, R3 mantiene Q2 encendido y D2 mantiene el voltaje de la fuente de compuerta dentro del rango permitido.

Soluciones de baja tecnología:

• Monte el fusible DESPUÉS de la tapa de entrada. Agregue una tapa de 100nF en la entrada del regulador para asegurar su estabilidad.
• Reemplace el fusible con Polyswitch (que tendrá un tiempo de reacción más lento).
• Coloque el condensador en paralelo con el fusible.

Mi solución preferida sería la primera o la segunda.

Solución de tecnología media:

Agregue una resistencia en serie con la tapa de entrada en paralelo con un diodo schottky. La resistencia ralentizará la carga del condensador y el diodo permitirá una descarga rápida si el LDO necesita corriente. Un poco de una solución inestable ...

Solución de alta tecnología: limitador de corriente con ...

• un MOSFET de agotamiento como DN2540.
• interruptor de carga del lado alto con corriente limitada

Cualquier circuito de "supervisión" basado en la lógica práctica no cabe en el espacio que tiene disponible. Una simple resistencia NTC probablemente terminaría siendo demasiado grande también. sin embargo, investigue esos, tal vez haya uno pequeño que se adapte a su propósito.

Si tuviera más espacio, usaría un limitador de corriente constante que corta la salida, algo así como PWM actual, hasta que se carga el límite. Use una resistencia de detección, un comparador y otro PFET antes de las tapas. Pero esto no encajará en su circuito. PODRÍAS diseñar el módulo que describí como un dispositivo en línea antes de que llegue al VIN de tu circuito, desde la batería. Lo mismo ocurre con la resistencia NTC, podría ser algo antes de la PCB con el circuito que se muestra.

La solución mejor y discreta podría ser esta: una resistencia de potencia de 2 ohmios en serie antes de sus condensadores / FET definitivamente sigue siendo una opción. Si tiene un fusible de 125 mA, obviamente tiene una carga de energía muy baja en condiciones normales. Para tener en cuenta la altura libre de voltaje, en lugar de usar un diodo schottky, debe usar un PFET invertido (la fuente de drenaje sería opuesta a la configuración normal para un interruptor de lado alto), con la base conectada a tierra. Esta es una solución V-forward extremadamente baja para revertir la protección de polaridad. 2 ohmios a su corriente de fusible nominal de 125 mA (una mala idea para operar tan cerca de la corriente de retención por cierto) solo le perderá 250 mV, menos de lo que su Schottky iba a perder, y todavía hay mucho espacio para la caída de cable y PFET. La resistencia para los PFET será del orden de 30-90 miliohmios si obtiene los buenos. Lo mejor que puede hacer es crear un prototipo del circuito y probarlo. ¡Una resistencia y un PFET invertido no deberían ocupar mucho espacio! en 4.5 mm x 4.5 mm, podría colocar un paquete PFET SOT23 (o SC-70) y una resistencia de paquete 0.25W 0805, creo.

Un FET como este MTM231232LBF funcionaría muy bien, pero necesita una abrazadera de diodo zener en la puerta a tierra después del dispositivo. vea la imagen a continuación para un circuito de ejemplo, pero el voltaje de Zener debe ser obviamente <10V para proteger la puerta. Un voltaje zener entre 5-7V funcionaría.

El combo zener y resistencia puede ser el paquete más pequeño posible que pueda encontrar. Casi no hacen nada excepto asegurarse de que su FET no explote.

Por lo tanto, una combinación de la resistencia en serie y una protección de polaridad basada en PFET para darle el margen de voltaje que necesita, ayudará a evitar la aparición de un cortocircuito en la carga de los condensadores. El MOSFET en sí tampoco se enciende instantáneamente, por lo que actúa como un limitador de corriente solo en su comportamiento de encendido no lineal.

Estoy tratando de hacer algo similar y esta Nota de aplicación tiene instrucciones bastante precisas sobre cómo diseñar su circuito y calcular los valores apropiados: http://www.onsemi.com/pub/Collateral/AND9093-D.PDF

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

La nota AND9093 está referenciada para interruptores de carga, por lo que en su esquema, sin el Fet adicional que tira de la puerta a tierra, se encenderá instantáneamente y no mantendrá la corriente de entrada bajo control. Los valores que calcula a partir de AND9093 deben estar muy cerca, pero debe agregar un límite adicional desde la fuente a la puerta, de modo que al encender la puerta se levante solo un poco para permitir que la puerta extra drene la capacidad para mantener el Mosfet en el región lineal según sea necesario para mantener baja la corriente.

Pruebe este circuito debajo del cual he usado en el pasado y funcionará según sea necesario. Simúlelo y verá que también funciona muy bien. Asegúrese de utilizar los parámetros correctos de la hoja de datos Fet para obtener sus valores en el parque de pelota.