¿Por qué se usa un divisor de resistencia en la puerta del MOSFET de canal P del circuito de ruta de alimentación USB discreto?

Noté este circuito de ruta de alimentación discreto en el diseño del kit de desarrollo de audio ESP32-A1S Wi-Fi+BT :

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Lo sentimos, pero lamentablemente ninguno de los designadores está numerado y las resistencias no tienen valores. Me tomé la libertad de numerarlos D1, Q1, R1 y R2. También he indicado explícitamente el diodo del cuerpo de Q1 (como lo señaló @Damien ).

Entiendo el trabajo de D1, Q1 y R2. Cuando se desconecta el USB, la corriente se obtiene de VBAT a VCC5V a través del diodo del cuerpo de Q1. R2 tira de la puerta de Q1 a 0V y Q1 se enciende para que haya una caída de voltaje mucho menor que el diodo del cuerpo de Q1 (también conocido como "función de diodo ideal"). Cuando se conecta el USB, Q1 se apaga y VBUS suministra corriente a VCC5V a través de D1 (con una caída de voltaje de diodo regular). La ruta de corriente preferida es a través de D1, porque VBUS >= 4.4V y VBAT <= 4.2V.

Actualización: aquí está el diseño que utilicé (he indicado los rangos de voltaje normales de + 5V_USB y + VBAT; Gate, Source y Drain of MOSFET se muestran explícitamente):

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Los diseños que he visto y usado no tienen R1 (R1 = 0 Ohm). Debe haber una buena razón por la que incluyeron R1. ¿Alguien puede ofrecer una explicación y qué valores de resistencia son buenos?

Actualización: gracias a @Cristobol por señalar los picos de voltaje (p. ej., ESD) en VBUS / +5V_USB. Una resistencia de bajo valor para R1 (por ejemplo, 1k) ofrecerá cierta protección para Q1 con Vgs_max = +-8V (por supuesto, solo si Q1 tiene un zener interno conectado entre la puerta y la fuente para proteger la puerta).

Actualización: ¡Gracias @Dorian ! ¡Creo que tu respuesta es excelente! Un divisor de resistencia evita una caída transitoria en VCC5V durante el tiempo en que el USB está desconectado y VBUS (batería) debe tomar el control y suministrar corriente.

¿No tiene R1 soldado, o R1 está y es 0ohm?
Corrija los esquemas, en el primero se invierte el diodo parásito, en el segundo se invierte Q1 !!!!! El segundo diseño funciona como un simple diodo conectado VBAT a VPWR.
@Dorian, en realidad esa es la dirección prevista del diodo parásito y Q1. Puede ver este uso cuando busca "protección de batería inversa usando MOSFET", por ejemplo, TI SLVA139 . El diodo parásito está destinado a conducir hasta que Q1 se encienda. Además, consulte la Figura 1 en Preguntas frecuentes sobre diodos ideales y controladores PowerPath de canal P lineal . La dirección de los MOSFET de canal P es la misma.
Además, si se invierte Q1, el diodo parásito permitiría que la corriente fluya hacia la batería mientras el USB está conectado.
No es el diodo parásito el que conduce, sino el propio Q1 el que permanece abierto en cierta medida. En el segundo enlace, el controlador cambia la puerta para que el Q1 se abra en el momento adecuado comparando el voltaje de la batería con el voltaje de la carga, no puede lograr esto con un circuito tan simple. Cierto para batería conectada con polaridad inversa.

Respuestas (3)

Mientras que VBUS cae de 5 V a 0, Q1 se abrirá tarde en VBUS por debajo de 3,3 V (dada una tensión de umbral de puerta de 0,7 V) y VCC5V tendrá una caída.

R1 y R2 forman un divisor que eleva el voltaje de umbral de VBUS alrededor de 4V.

Es cierto, como señaló Damien, que es una falla de diseño que el diodo inverso Q1 pueda causar problemas si el VBUS es demasiado alto o si la batería está muy descargada.

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Vea aquí los resultados de la simulación para R1 = 0 (VBUS en el eje X, corriente de la batería y voltaje de carga en el eje Y), el voltaje de carga cae a 2.8V mientras que VBUS va de 0 a 5.2V

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y la misma simulación con R1 = 15Kohm, el voltaje de carga es constante hasta que D1 conduce.

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¡Gracias por una respuesta realmente excelente! Gracias también por demostrar cómo simular el transitorio al cambiar de USB a batería. Ahora tiene mucho sentido :)

Entiendo el trabajo de D1, Q1 y R2. Cuando se desconecta el USB, R2 tira de la puerta de Q1 a 0V y Q1 se enciende para que VBAT.

En realidad no es el caso. VBat siempre suministra el VCC5V debido al diodo de protección en Q1, la única diferencia es que cuando se baja, tendrá menos pérdida ya que el mos cambiará.

Supuestamente se supone que funciona así: como la batería es de 3,7 V, cuando conecta el USB, R2 (0 ohmios) tirará de la compuerta hasta 5 V y, por lo tanto, desconectará la batería del circuito si el umbral de la compuerta está por debajo de 1,3 V. , extrayendo corriente del USB en lugar de la batería.

Pero esta implementación es bastante extraña y si VUSB aumenta por alguna razón, o si el voltaje de la batería disminuye, podría sobrecargar la batería y tener un buen fuego. Además, el voltaje de umbral de la puerta varía mucho con la temperatura.

He visto este divisor usado antes en casos en los que el voltaje de la fuente de la puerta se excedería con una conexión directa. Parece un poco demasiado cauteloso para 5V, pero tal vez ese FET tenga un diodo de protección desde la fuente hasta la puerta que proporcionaría un camino desde VBUS directamente a la batería. También puede ser protección contra picos o ruido en VBUS. Por supuesto, puede ser que se haya copiado de un circuito de mayor voltaje. Mi dinero está en el diodo de protección.

¿Por qué se usa un divisor de resistencia en la puerta del MOSFET de canal P del circuito de ruta de alimentación USB discreto?
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