Protección de corriente inversa para un circuito operado por batería

Estoy planeando un proyecto de hobby con las siguientes características

Elegí el regulador LDO lineal MCP1825 porque tiene suficiente potencia (500 mA), voltaje de caída muy bajo (menos de 210 mV) y corriente de reposo razonable (menos de 120 µA).

Mis preguntas son:

  • ¿ Qué pasa si no pongo ninguna protección de corriente inversa? ¿El elemento de paso PMOS en MCP1825 proporcionará alguna protección?
  • ¿Puedo evitar agregar protección contra corriente inversa si tengo cuidado con la polaridad de las baterías?
  • Si tengo que poner algún tipo de protección de corriente inversa, ¿cómo recomendaría diseñar uno simple con voltaje de caída muy bajo (o inexistente) y corriente de reposo?

Respuestas (2)

Solo necesita una protección de polaridad inversa para su dispositivo si existe la posibilidad de que la entrada de energía se aplique en la dirección incorrecta. Debería preguntarse qué tan probable es que ocurra una condición de polaridad inversa y luego decidir si necesita protección para ese escenario.

La mayoría de los esquemas de protección de polaridad inversa simples implicarán el uso de un diodo en la ruta de alimentación de entrada. Puede seleccionar un diodo Schottky para minimizar la caída de tensión directa para que pueda obtener un rango de tensión más utilizable de su suministro de batería. Hay diodos disponibles que tienen un voltaje directo bastante bajo. Por ejemplo, un diodo de potencia SB30 genérico entraría a un Vf de ~400mV @ 100mA.

Si no le importa complicarse un poco más, también puede usar un FET PMOS discreto para brindar protección contra polaridad inversa, como se muestra aquí . Un P-FET recomendado para este circuito podría ser el Vishay Si2323, que mostraría solo una resistencia de 0,068 ohmios cuando el voltaje de la batería fuera de 1,8 V o más. La selección de FET debe hacerse con cuidado para encontrar uno que pueda estar completamente encendido con el voltaje mínimo de la batería. A 1,8 V, este FET puede admitir fácilmente la clasificación de 500 mA que solicitó para su regulador LDO.

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El MCP1825 no proporcionará protección contra polaridad inversa para su dispositivo. Si observa los diagramas de bloques funcionales en la hoja de datos, verá que hay un diodo dentro del PMOS FET interno que se polarizaría hacia adelante en una situación de polaridad inversa y permitiría aplicar una polarización negativa a cualquier circuito de viento hacia abajo.

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Buena respuesta. (+1) Solo quería agregar que la otra forma en que hice la protección de polaridad inversa (realmente protección contra sobrevoltaje) es con un fusible de polietileno en serie y un diodo en derivación. (Diodo en paralelo con la fuente de alimentación.) El diodo conduce con voltaje inverso, y luego el fusible de polietileno se dispara limitando la disipación de energía en el diodo. Para protección contra sobrevoltaje, reemplace el diodo con un zener.
Hay dos problemas con la implementación del diodo y el polifusible. En primer lugar, expone los circuitos a favor del viento a un nivel de voltaje negativo que puede no ser tolerable para algunos circuitos. En segundo lugar, el fusible de polietileno puede tardar un tiempo en abrirse. Esto expone los circuitos al voltaje de nivel de diodo inverso durante los 10 o 100 milisegundos que tarda el polifusible en actuar. Normalmente solo uso el diodo de la serie SB30. Muchas de las tecnologías de batería modernas tienen una característica de descarga bastante plana y la cantidad de tiempo adicional de duración de la batería que se obtiene con una solución de menor caída no es tan buena.
Realmente no puedes equivocarte con un diodo Schottky en serie; la caída de tensión directa es insignificante para una batería AAA de 4,5 V, y es un único componente común y corriente. La segunda solución de Michael es muy elegante (no me había encontrado con eso antes), pero para su situación diría que es una exageración. Si la fuente de alimentación fuera más alta, digamos 12V+, entonces comenzaría a acercarse al voltaje de ruptura inverso de un Schottky (barato). Aquí es donde usaría la opción PMOS FET mucho más robusta, especialmente porque entonces la elección de FET sería más fácil debido al voltaje de puerta más alto.
@ chaaarlie2: la caída del diodo Schottky puede representar más que una cantidad insignificante. Digamos que tres baterías AAA son baterías NiMH de 1,2 V que se usan con una carga nominal de 100 mA cuando una MCU está activa. Un diodo de bajo costo como un BAT54 tendrá un Vf nominal de 0.5V a 100mA. A 0.5/3.6 eso calcula que el 13.8% de la energía suministrada por la batería se pierde como calor en el diodo. Otra cosa es que un BAT54 tiene una clasificación de voltaje inverso de -30 V, por lo que es una mejor opción para una solución de batería de 12 V. La razón es que un P-FET como el Si2323 tiene un rango de voltaje de puerta de solo +/- 8V. (continuado)
(continuación de arriba) Esto significa que, en general, el P-FET es un ganador para aplicaciones de bajo voltaje. Para aplicaciones de mayor voltaje, como aplicaciones de 12 V o 24 V, se necesitaría un diodo y el Vf del diodo es un porcentaje mucho menor del voltaje de la batería. El diodo tipo SB30 que he recomendado incluso se puede usar allí porque tiene una clasificación inversa máxima de 40 V y tiene la ventaja de un ahorro adicional de 0,1 V Vf sobre el BAT54 a 100 mA. No hay duda de que la solución P-FET cuesta un poco más en el precio parcial. Realmente es este para implementar. Si2323 es el paquete SOT-23.
@MichaelKaras: estoy pensando en seguir su consejo y probarlo con IRF7425 P-FET, que tiene una clasificación RDS (encendido) aún mejor de 8.2-13 mOhms y VGS máximo de -1.2V. ¿Hay algún otro parámetro que deba tener en cuenta para usar este P-FET como protección contra polaridad inversa?
Asegúrese de que el rango de voltaje de puerta admitido por la pieza esté por encima del voltaje de la batería para ambas polaridades. En segundo lugar, asegúrese de que el FET en sí (y su diodo de cuerpo) estén clasificados para un nivel de corriente que esté por encima de la corriente que pretende que su sistema consuma. En tercer lugar, asegúrese de que el FET esté completamente mejorado (encendido) con el voltaje de batería más bajo al que espera operar. La especificación VGS de la mayoría de las hojas de datos FET se especifica en una corriente súper baja de 1 mA o incluso tan baja como 250 uA de corriente de drenaje. No logra 8.2mOhms con ese FET a 1.2V VGS.
@MichaelKaras Esta es la primera vez que miro una hoja de datos FET, así que estoy tratando de averiguar cada uno de los puntos que planteó para IRF7425 : rango de voltaje de puerta : MAX VDS = -20, MAX VGS = + -12, actual nivel : ID MAX (Corriente de drenaje continua, VGS a -4,5 V) = -12 A, IS (Corriente de fuente continua máxima (diodo del cuerpo)) = -2,5 A, totalmente mejorado : Resistencia típica de encendido vs. Voltaje de puerta (gráfico): RDS (encendido) = 10 mOhm a VGS = -2V. Si estoy leyendo esto correctamente (¿lo estoy?) se ve bien (si no es una exageración) para ~3V, ~400mA (máximo), ¿no es así?

Es posible construir un portapilas que no se conecte si las celdas se insertan de forma incorrecta. Si tiene el control de hacer el recinto, esta puede ser una opción.

La forma habitual es tener un par de orejetas de plástico a cada lado del terminal positivo. Esto evita que el terminal negativo plano lo toque si la batería se inserta al revés.
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