Consejos para este selector de fuente de alimentación MOSFET de canal P

Sé que ya hay preguntas y respuestas sobre los MOSFET de canal P y la selección de la fuente de alimentación, pero todavía me siento bastante confundido, ya que muchos de ellos son más complejos que mi circuito o simplemente están conectados de manera diferente. Presentaré mi diseño y luego enumeraré algunas preguntas. ¡Cualquier pensamiento sería muy apreciado!

Estoy alimentando un ATMEGA328P usando aproximadamente 5V (para que pueda funcionar a 16MHz). Normalmente, funcionará con 3 AAA en serie (4,5 V en total). Cuando conecto una placa de USB a serie FTDI de 5 V para programarla, me gustaría que se cortara la alimentación de la batería para evitar dañarla (no quiero tener que poner un diodo allí). Estoy planeando usar un MOSFET de canal P de nivel lógico. Espero consumir alrededor de 50 mA como máximo, pero puedo planear 100 mA solo para estar seguro.

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Análisis:

Vusb range: [4.75V, 5.25V] (per USB standards)
Vbat range: [3.8V, 4.8V] (min needed for 16MHz and max from 1.6V AAA estimated max voltage)

USB Connected:

Vusb    Vbat    Vgs    Expected MOSFET State
--------------------------------------------
4.75V   3.8V    0.95V  OFF
4.75V   4.8V   -0.05V  OFF
5.25V   3.8V    1.45V  OFF
5.25V   4.8V    0.45V  OFF

USB Disconnected:

Vusb    Vbat    Vgs    Expected MOSFET State
--------------------------------------------
0V      3.8V   -3.8V   ON
0V      4.8V   -4.8V   ON

Preguntas:

  • ¿Hay algún error evidente con este diseño?
  • ¿Cuál es la mejor manera de evitar que el MOSFET se abra accidentalmente? Até la puerta a tierra a través de R1, lo que parece correcto.
  • Conecté Vusb (puerta) a VCC (drenaje), luego agregué un diodo para evitar que el MOSFET esté siempre abierto. ¿Es esta una suposición correcta?
  • ¿Necesito otros diodos en las dos líneas eléctricas? Preferiría no tener su caída de voltaje (de lo contrario, solo usaría un circuito de diodo ORing simple para obtener lo que quiero). ¿Qué circunstancias producirían corriente de retroalimentación en la batería o en el USB?
  • A menudo he visto MOSFET de canal P conectados al revés, con la carga conectada a la fuente en lugar del drenaje. ¿Cuál es el trato con eso? ¿Puede fluir la corriente en ambas direcciones? ¿Cuál es más convencional?
  • Estoy planeando usar FQP27P06 , aunque parece que la mayoría de los de nivel lógico tienen un rango Vgs(th) compatible. ¿Tiene alguna sugerencia mejor/más barata?

¡Gracias de nuevo! He hecho varias preguntas en este foro y siempre son muy útiles.

Cuando se desconecta el USB, el voltaje en la puerta del transistor no será 0, será igual a Vcc del procesador. Dado que desea que Vcc esté cerca de Vbat, el resultado será que Vgs está cerca de cero, por lo que el PMOS nunca conduce. Simplemente no puede conectar Vcc a la puerta del transistor.
El transistor que vinculó tiene un diodo desde el drenaje hasta la fuente, por lo que si Vusb tiene 1.45 V por encima de Vbat, obtendrá una alimentación de corriente sustancial a la batería.
@ElliotAlderson Estaba en medio de corregir eso cuando debes haber publicado. ¿Podrías echar otro vistazo? Simplemente eliminé R1 porque no estoy seguro de dónde ponerlo...
Necesita el menú desplegable para encender el transistor cuando Vusb desaparece. Peor aún, su esquema modificado no tiene una ruta para la corriente de Vusb a Vcc. Esta pregunta se hace una y otra vez aquí, intente hacer una búsqueda más exhaustiva.
@ElliotAlderson ah buena captura. Me lo perdí. Parece que todo está apagado porque no hay forma de que pueda conectar el USB a VCC sin efectos secundarios negativos (es decir, MOSFET nunca conduce). Le daré otro golpe más tarde hoy. Quizás esta es solo la respuesta que necesitaba, que hay un error evidente con el diseño original. Volveré a colocar el R1 solo para mayor claridad.
@ElliotAlderson Regresé y decidí agregar un diodo D1 entre la puerta y el drenaje. Esto debería solucionar el problema con el MOSFET que nunca conduce, ¿verdad?
Sí, creo que eso debería funcionar. Ahora solo necesita pensar en la corriente que fluye de regreso de Vusb a Vbat a través del nuevo diodo y el diodo de drenaje a fuente del MOSFET. Probablemente comenzará a ver un flujo de corriente significativo cuando Vusb sea aproximadamente 1 V mayor que Vbat. Lo siento, no tengo una solución para eso.
@ElliotAlderson Ya veo... Creo que tendré que encontrar un schottky y ponerlo en la línea de la batería. Si ese es el caso, podría terminar usando una buena configuración de diodo ORing. Quería evitar los diodos en la línea de la batería, pero parece que eso no es posible.
@ElliotAlderson Supongo que podría agregar un segundo MOSFET a la línea de la batería siguiendo la técnica de este tipo: youtube.com/watch?v=IrB-FPcv1Dc . En ese punto, es un análisis de costo-beneficio de esto sobre los diodos ORing.
Sí, y con solo 3 o 4 voltios para trabajar con Vgs, la caída de voltaje en el MOSFET podría ser comparable a un diodo Schottky. Buena suerte.
Creo que puedo usar el circuito de carga compartida de la Nota de la aplicación MCP73831/2, a la que se hace referencia en esta pregunta SO: electronics.stackexchange.com/questions/293353/… . Parece que esto conecta la carga al otro lado del MOSFET.
También @ElliotAlderson con respecto al comentario de caída de voltaje del MOSFET que hizo: ¿no estaría en juego el diodo del cuerpo del MOSFET mientras el mosfet está conduciendo? (ya que la resistencia cae a RDSon).
No, el diodo tiene su ánodo en el drenaje del transistor, por lo que tiene polarización inversa en condiciones normales. La única vez que la corriente fluirá a través del diodo del cuerpo es si el voltaje de drenaje es más alto que el voltaje de la fuente.
@ElliotAlderson, ¿puedes echarle un vistazo a la respuesta que publiqué?

Respuestas (1)

Estuve cerca, pero este parece ser un circuito que funciona, según esta nota de la aplicación para un circuito de carga compartida y esta pregunta SO . Esencialmente, necesitaba invertir de qué lado del MOSFET continúa la carga. Vea abajo:

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Analizando este circuito...

Cuando el USB está conectado, Vs = Vg - Vf1 ==> Vg - Vs = Vf1 = Vgs¿dónde Vf1está la caída de tensión directa D1? Luego D1se puede seleccionar de manera que su voltaje directo caiga por debajo Vgs(th)del MOSFET, manteniéndolo abierto. Si Vgs(th)se trata de -2 V a -4 V (basado en un MOSFET de canal P de nivel lógico típico), entonces solo necesitamos un diodo con una caída de menos de 2 V, lo cual es muy fácil. También debemos mantener lo más cerca posible de 5 V para el chip ATMEGA, por lo que es mejor un schottky, ya que puede proporcionar una caída de menos de 1 V.

Cuando se desconecta el USB, Vgse tira a 0V, y Vs = Vcc = Vbat - Rds(on)*50mA(para una corriente aproximada de 50mA). Por lo tanto Vs, está cerca de 4.5V y Vgs ~= -4.5V, y el MOSFET conducirá. Seleccionar un MOSFET con un nivel bajo Rds(on)evitará perder demasiado voltaje. El D1diodo evita que la puerta Vgsea igual a Vsen este punto, ya que tendrá polarización inversa.

Preguntas pendientes...

  • Una parte de la que no estoy totalmente seguro es el escenario cuando se desconecta el USB: ¿Cómo puedo suponer que el MOSFET está conduciendo? Parece que si comienzo con esa suposición, no me encuentro con ninguna contradicción. Sin embargo, si asumo que el MOSFET está abierto y Vs = Vg = 0V, entonces tampoco me encuentro con contradicciones. ¿ Qué sería Vscuando en este segundo caso? ¿Quizás alguien pueda aclarar? De lo contrario, asumiré que las personas que escribieron la nota de la aplicación a la que me refiero saben lo que están haciendo.

    ACTUALIZACIÓN - Respuesta: cuando el USB está desconectado, Vg = 0Vy Vs = Vd - Vfdónde Vd = Vbatestá Vfla caída de voltaje directo del diodo del cuerpo del MOSFET, generalmente alrededor 0.65V(tenga en cuenta que esto generalmente se especifica como Vsden una hoja de datos y generalmente se da como un número negativo). Esto pone Vs ~= 3.85V, resultando en Vgs = Vg - Vs = -3.85V. Para un MOSFET de canal P con una Vgs(th)de -2 V a -4 V, esto activará el MOSFET y hará que conduzca. Una vez que el MOSFET se ha encendido, la caída de voltaje del diodo del cuerpo desaparece y es reemplazada por la caída de voltaje de la resistencia interna, llamada , Rds(on)entonces, ¿ Vs = Vd - Rds(on)*idónde iestá la corriente esperada a través del MOSFET?

    Nota al margen: no se confunda por el hecho de que Vgs(th)a menudo es un rango en las hojas de datos en lugar de un valor único. Está totalmente bien y, a menudo, se desea que sea más negativo que el "máximo" para el rango (por ejemplo, -4V en nuestro caso), dentro de las clasificaciones máximas absolutas de la hoja de datos, por supuesto.

  • ¿Es D2necesario? Si entiendo correctamente, evita que la corriente se retroalimente a la batería. La nota de la aplicación lo muestra y menciona que puede comprar el MOSFET con él incorporado (schottky). Lo agregué manualmente a mi esquema, pero ¿ya se asume? es decir, ¿es el mismo o diferente del diodo del cuerpo parásito?

    ACTUALIZACIÓN - Respuesta: Es lo mismo que el diodo del cuerpo del MOSFET y no se requiere como un diodo "extra". Dicho esto, algunos han recomendado no usarlo como el único diodo de protección de corriente inversa .

La fuente del PMOS debe conectarse al voltaje más alto (Vbat) en lugar del voltaje más bajo (Vcc). El símbolo se muestra correctamente pero sus etiquetas para Vs y Vd están invertidas. Cuando el USB está conectado Vg=Vusb entonces Vgs=Vusb-Vbat. Cuando el USB no está conectado Vg=0 y Vgs=-Vbat. Estás desperdiciando mucha energía en R1... Yo usaría 1k Ω más o menos.
@ElliotAlderson Ah, tienes razón. También quise hacer que la resistencia fuera de 10K. Estaba un poco apurado publicando esta mañana... Gracias.
@ElliotAlderson Está corregido. ¡Cualquier comentario apreciado!
D2 es el diodo del cuerpo del MOSFET; no necesita agregarlo como una parte discreta. Por cierto, ese mismo diodo podría ser importante para el correcto funcionamiento del circuito en el momento en que se retira la alimentación USB. Tomará un tiempo minúsculo para que la carga de la puerta se disipe a través de R1 (probablemente unos pocos microsegundos), pero durante ese tiempo la MCU solo se alimentaría de Vbatt a D2. Cuando Vg llega a 0V, el P-MOS se comportará como se esperaba. Asegúrese de tener algo más de capacitancia en los pines de la fuente de alimentación de la MCU, 1 µF más o menos, para atender tales transitorios.
¡Gracias @anrieff! ¿Alguna idea sobre la primera bala? Es decir, por qué puedo suponer que Vs no es cero mientras el USB está desconectado.
Por la misma razón: Vd = Vbat, entonces Vs = Vd - 0,65 V (la Vf del diodo del cuerpo).
@anrieff Eso tiene sentido. Sin embargo, eso es solo para determinar si el MOSFET se cerrará, ¿verdad? Una vez cerrado y conduciendo, la caída de voltaje a través del canal SD está determinada por Rds (encendido), ¿verdad?
Eso es correcto. Asegúrese de seleccionar un MOSFET con Rds (encendido) lo suficientemente bajo en los Vgs que tendría, alrededor de -4.5V.
@anrieff Estoy mirando el FQP27P06 de On/Fairchild, ya que parece popular para aplicaciones de nivel lógico. ¿Algo que salte a la vista que pueda ser inadecuado? ¡Una preocupación que tengo es que dice que Vds está hasta -4.0V! Si entiendo bien, eso podría poner Vs en casi 0.5V y evitar que el MOSFET se cierre, ¿verdad? (ya que daría un Vgs de -0.5V y eso está muy por debajo del Vgs(th) indicado de -2V a -4V...). También me gustaría saber si esto necesitaría el capacitor adicional que mencionó, ya que se dice que es rápido para aplicaciones similares a las mías.
FQP27P06 no es realmente un nivel lógico, está optimizado para funcionar a Vgs = -10V. Probablemente funcionaría, pero el Rds (encendido) sería más alto en comparación con un MOSFET de nivel lógico verdadero. Existen mejores alternativas (por ejemplo, IRLML6402). Según el límite de la MCU, debe tener algunos de todos modos, por ejemplo, 100nF, pero sería mejor tener más cuando sepa que la fuente de alimentación puede tener pequeños transitorios como este.
@anrieff ¿De dónde sacaste la caída de 0,65 V algunos comentarios anteriores? ¿Podría explicar de qué parte de la hoja de datos proviene? Si fue el gráfico, estoy un poco confundido porque el gráfico no se alinea con los 4V mencionados en la hoja para Vsd en la corriente probada. (Además, el MOSFET que mencioné en realidad tiene un Rds (encendido) bastante bajo, al menos para mí).
Un diodo de silicio tiene un voltaje directo típico de aproximadamente 0,65 V y, por supuesto, eso depende de la corriente que lo atraviesa y de la temperatura. El diodo del cuerpo (D2) es un diodo de silicio. Sus características exactas en el FQP27P06 se pueden ver en la Figura 4 en la hoja de datos ("Variación de voltaje directo del diodo del cuerpo"). Pero el punto es que, si su P-MOS está apagado, Vs no puede ser inferior a (Vd - 0,65 V) (si lo está, el diodo del cuerpo conduce). Si el P-MOS está encendido, entonces Vs ≅ Vd (solo quedan pérdidas resistivas).
Por supuesto, todo esto está muy simplificado y se hacen muchas suposiciones. Le recomiendo que obtenga una buena herramienta de simulación de circuitos (Circuit Lab en este sitio; o Falstad, o LTspice) y simule todo, creo que muchas cosas se aclararán una vez que las vea en acción y visualice los voltajes en los distintos nodos.
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