Interruptor de 12V de mosfet de lado alto de 3V3 GPIO aislado

Quiero cambiar la potencia del sensor láser de 12 V de 3V3 STM32H753VI GPIO. Encenderé o apagaré durante mucho tiempo (no es PWM aquí) No me siento cómodo con Mosfet y Optoacoplador, así que necesito ayuda para asegurarme de que puedo enrutar esto a mi placa. Quiero ir al lado alto porque el láser del sensor establece una salida de 12 V cuando corto el suelo. Necesito estar aislado debido a la fuente de alimentación aislada.

ESQUEMÁTICO

SCHLa potencia del láser está conectada a CN1 y consume alrededor de 100 mA y puede funcionar entre 10 V y 14 V.
El trabajo STM32H753VI en 3V3 y GPIO se configurará como drenaje abierto.
Quiero usar el optoacoplador EL3H7-G (C) y el Mosfet STR2P3LLH6 debido a su tamaño reducido.

OPTOACOPLADOR DE CONDUCCIÓN

Cuando GPIO está en cortocircuito con el flujo de corriente de tierra al LED EL3H7-G , obtengo voltaje directo de la hoja (página 3) y la curva (página 4)

Tensión directa Curva de tensión directa

GPIO no pudo manejar más de 20 mA al GPIO, por lo que estableceré If=10mA
R1=(3.3V-1.2V)/0.01A=210ohms

Iré con R1=200ohms
If=(3.3V-1.2V)/200=10.5mA

OPTOACOPLADOR Ic CORRIENTE

Quiero Cuando miro la hoja de datos de EL3H7-G (página 3), puedo ver que el transistor del optoacoplador se puede saturar con If = 10 mA e Ic = 1 ma, por lo que Vce (sat) estará a 0,2 V máx. (En la curva que puedo ver puedo ir a 6ma en la región saturada)

VCEsat curva VCE

R2=(12V-0.2V)/0.001=11.8kOhms
Iré con R2=10kOhms
Ic=(12V-0.2V)/10000ohms=1.18mA
Ic=1.18mA

Vgs MOSFET

Vgs es -R2 voltaje
VR2=12V-0.2V=11.8V
Vgs=-11.8V

De la hoja de datos STR2P3LLH6 (página 3) puedo ver Vgs (th) = -2.5V

vgs(th)

Vgs (-11,8 V) es más bajo que Vgs (th) (-2,5 V), por lo que Mosfet se encenderá.

Vgs máx.

Puedo ver en la hoja de datos STR2P3LLH6 (página 2) Vgs max es +/- 20V,
por lo que probablemente no destruiré la puerta con -11.8V

SALIDA (VPWR)

En la hoja de datos de STR2P3LLH6 (página 5) puedo ver que el Rdson es de aproximadamente 48 mOhms para 100 mA

vgs(th)
rdson

Vds=-(0,048 ohmios*0,1 A)=-4,8 mV

VPWR=12V-0.0048V=11.99V
VPWR=11.99V

Ahora puedo calcular la potencia disipada de Mosfet

P=0.0048V*0.1A=480µW
P=480µW

P (480µW) es realmente más bajo que Ptot (0.35W)

CONCLUSIÓN

  • ¿Crees que Mosfet se encenderá o apagará completamente como yo quiera?
  • ¿Crees que destruiré el Mosfet, el Optoacoplador o el STM32?
  • ¿Crees que el optoacoplador y el Mosfet son una buena opción?
  • ¿Crees que es bueno agregar un pequeño valor R3 entre el colector y la puerta?

R3

Gracias de antemano por tu ayuda

Editar 2021-06-24
Implementé este diseño pero tengo un problema siempre activo aquí

Editar 2022-02-04
Mi problema Siempre encendido El problema provino de mi PCB y no del esquema y el método aquí, puede usarlo sin problema, tan pronto como respete su huella MOSFET :)

Respuestas (3)

Este diseño tiene un margen muy alto con buenas opciones para el margen de activación/desactivación.

Con 10:1 CTR en el diseño o 10% de salida y es ampliamente superado por el CTR garantizado.

  • Tenga en cuenta que Vce pierde ganancia cuando se satura y sube por encima de 0,5 V rápidamente a 1 V, momento en el que se garantiza que la fuga FET en el peor de los casos será Id = -250 nA máx., donde es posible que la unidad LED de 2 mA "pudiera" funcionar para encenderse .

  • El Ron tiene un máximo de 56 mohm a Vgs = -10 y un poco menos a -12V. Su carga es equivalente a 12 V/0,1 A = 120 ohmios, por lo que es deseable una relación de resistencia del interruptor del 1% como máximo, por lo que 0,056/120 o exagerado, pero está bien.

  • Rg es redundante con resistencia equivalente a Rce Vce(sat)/Ic = 0,2V/1,18mA = 169 ohm aprox.

Buen trabajo.

Muchas GRACIAS por tomarse el tiempo para su respuesta y muchos consejos sobre cómo cambiar la resistencia. Echaré un vistazo a las fugas porque no las tengo en cuenta.

  1. Sí.

  2. No. Y podría reducir la corriente del LED del optoacoplador a 5 mA para obtener un margen operativo aún mayor.

  3. Sí.

  4. No es necesario de ninguna manera, pero no dañará nada ni afectará el rendimiento general del circuito.

Se coloca una resistencia en serie con la compuerta para amortiguar las oscilaciones no deseadas que ocurren cuando los MOSFET de gran potencia (con una capacitancia de compuerta muy grande) se activan con una señal de tiempo de subida muy rápida, lo cual es común en las fuentes de alimentación conmutadas. La capacitancia de la compuerta y la inductancia del cableado forman un circuito tanque que puede sonar a muchas veces la frecuencia de conmutación, lo que provoca muchos dolores de cabeza por el cumplimiento. Nada de eso se aplica aquí.

  1. EXCELENTE presentación de preguntas.
Muchas gracias por tomarse el tiempo para ayudarme. Gracias por los consejos sobre R3 y la capacitancia de puerta.

Como alternativa, es posible que desee considerar cambiar el optoaislador por otro tipo de técnica de aislamiento galvánico, como capacitiva o inductiva, que consume menos energía.

Texas Instruments tiene una gran serie de videos sobre el tema del aislamiento galvánico que analiza las técnicas de aislamiento inductivo, capacitivo y óptico.

Por ejemplo, aquí está la hoja de datos de Silicon Labs Si823Hx , que es un controlador de puerta aislado en un chip.

Podría verse algo como esto:

Controlador de puerta aislado Si823H9

Gracias por esta información, este rey de la costura de chips para ser el Santo Grial que busco sin éxito antes de ir a la cadena de optoacoplador/mosfet. Para el próximo proyecto, creo que consideraré más a fondo este tipo de solución, pero por ahora tengo prisa, necesito viajar en barco antes de la fecha límite, pero esta parece ser LA solución moderna.
Y me olvidé de decir gracias por el video realmente interesante, necesito revisar más tiempo esos conceptos explicados
Solo un comentario aparte: estos tipos de aisladores son excelentes, pero el gran inconveniente suele ser que cuestan 10 veces más que un optoacoplador simple en volumen. Entonces, técnicamente es una gran solución, pero si el costo es un problema, puede que no sea una gran solución económica.
@JohnD gracias por señalar esto, efectivamente este es el orden de magnitud, por ejemplo, EL3H7(C)(TA)-VG cuesta 0,45 € y SI823H9AD-IS4 cuesta 2,95 €
Si alguna vez necesita conmutación de lado alto multicanal confiable (8 canales o conéctelos para una mayor capacidad de corriente), verifique ISO8200B de ST. ¡Tienen protección incorporada para todos los casos (ESD, sobrecorriente, sobretemperatura, cortocircuito, sobretensión, pérdida de tierra...) y sobrevivirán a todo! Pueden costar más (~5 euros por 8 canales), pero puedo dormir por la noche sabiendo que mis salidas serán lo último que falle, pase lo que pase.
Interruptor de 12V de mosfet de lado alto de 3V3 GPIO aislado
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