Protección de polaridad inversa de lado alto frente a lado bajo

Necesito hacer una polaridad inversa y protección contra sobrevoltaje para un dispositivo bastante potente (entrada de 45 W a 12 V) y después de algunas investigaciones noté una peculiaridad extraña. A continuación se muestra un circuito de protección de polaridad inversa típico; utiliza un MOSFET de canal p en una configuración de lado alto como interruptor.

Los MOSFET de canal N tienden a tener un Rdson más bajo, son mucho más comunes y generalmente más baratos, por lo que, supongo, es preferible usar un MOSFET de canal N. El mismo esquema también existe con un MOSFET de canal N, pero para poner el MOSFET de canal N en una configuración de interruptor de lado alto se requiere una bomba de carga o algún otro tipo de inversión CC-CC (segundo esquema).

Pero, ¿por qué no simplemente poner el MOSFET de canal N en el lado bajo como en el tercer circuito? Por alguna razón que nunca he visto en ningún dispositivo, he puesto mis manos en un circuito de protección con una protección de lado bajo. Entonces, mi pregunta es:

¿Por qué es preferible colocar el interruptor de protección en la configuración del lado alto en lugar del lado bajo?

*Esta peculiaridad se traslada también a la protección contra sobretensiones. La placa de referencia PMP10737 TI , por ejemplo, utiliza un MOSFET de canal P para la protección contra sobretensiones; sin embargo, para probar mi punto de que los MOSFET de canal N son mejores para este propósito, ¡la misma placa usa un MOSFET de canal N con un IC complejo para conducirlo en la protección de polaridad inversa! *

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

MOSFET de canal N con bomba de carga Configuración de lado bajo MOSFET de canal N

¿Puede tener algo que ver con que la tierra de su circuito ya no sea la misma que la tierra de entrada? No estoy seguro.
Por cierto, su drenaje y fuente deberían estar al revés en el tercer esquema.
@Felthry buen punto, pero eso es una preocupación solo si alguna parte de un dispositivo está protegida (como una placa de automóvil discreta, por ejemplo); sin embargo, he visto la desconexión del lado alto literalmente en todas partes en la entrada de energía de todo el dispositivo. Incluso los fusibles se colocan generalmente en el riel positivo, no en el negativo, por alguna razón.
Para los sistemas de alta potencia, especialmente los conectados a la red eléctrica, es mejor desconectar el lado alto que el lado bajo, porque una interrupción en el lado bajo significa que todo el circuito ahora está activo.
@Felthry >> incluso los conectados a la red << estos son dispositivos de CA, inserte el enchufe de alimentación al revés.
Muchos países tienen enchufes de red asimétricos. Los fusibles en estos sistemas generalmente están en una caja de fusibles o caja de interruptores permanentemente cableada, de todos modos, no en el punto de carga.

Respuestas (2)

Depende de su aplicación.

El problema principal con la protección de lado bajo es que está desconectando su referencia de tierra. Muchos sistemas diferentes funcionan bajo el supuesto de que los dispositivos comparten 0 V/tierra/tierra. Puede haber muchas conexiones a tierra obvias y ocultas.

Si, por ejemplo, tiene un circuito que está conectado a tierra por algún otro medio, como un dispositivo USB conectado a través de un blindaje a una PC que, a su vez, está conectado a tierra y de tierra a su terminal negativo de suministro. En este escenario, su protección de polaridad inversa del lado bajo se pasa por alto de manera efectiva a través de esta otra ruta de corriente.

Si, por otro lado, está utilizando una batería conectada solo a su dispositivo, entonces no hay daño en hacer protección de lado bajo ya que no hay rutas de tierra ocultas que puedan evitarlo.

Por otro lado, cambiar el lado alto generalmente no es un problema, ya que normalmente conectaría todas las tierras juntas y tendría una fuente de alimentación individual; es poco probable que haya una ruta oculta desde el terminal positivo de la fuente de alimentación a través de otro dispositivo (* ).

(*) no imposible: algunos sistemas, por ejemplo, algunos automóviles, tienen tierra positiva, lo que significa que el terminal positivo del suministro es efectivamente el terminal común (chasis del automóvil).

Vale la pena señalar que esos autos son autos bastante viejos, pero supongo que no son tan relevantes.
@Felthry de hecho, pero vale la pena mencionarlo a modo de contraejemplo.
¿Es la desconexión de referencia a tierra la única preocupación?
@ sx107 bastante AFAIK. Para las aplicaciones de batería, realmente no hay problema con la protección de lado bajo. De hecho, algunos circuitos de cargador de Li-Po simples usan conmutación de lado bajo para controlar la carga.
@ sx107, las conexiones a tierra furtivas realmente pueden quemarte si cambias al lado bajo. He tenido problemas con esto incluso cuando estaba seguro de que había considerado todos los caminos de tierra. Además de USB, también hay conexiones de audio, tal vez un conector de entrada para un adaptador de corriente, etc. Para circuitos de bajo voltaje donde la corriente no es demasiado alta (unos pocos amperios), hay muchas opciones de PMOS de bajo Rds. No se trata de si NMOS tiene un Rds más bajo, sino de si PMOS Rds es lo suficientemente bajo para la aplicación.

La resistencia en cualquiera de las líneas puede causar problemas para su circuito, pero como normalmente diseñamos circuitos con 0 V como referencia utilizada para todo el sistema, la elevación a tierra es un problema mayor que la caída de energía. Todas las corrientes en su sistema, incluidas las corrientes de conmutación para las fuentes de alimentación, las corrientes de señalización de alta velocidad, etc., pasan por esa resistencia y producen una diferencia de voltaje. Ese ruido de voltaje se acopla luego a todo lo que depende de esa referencia de voltaje. Por lo general, serán circuitos analógicos sensibles donde eso te muerda.

Sin embargo, quería hablar sobre una gran ventaja de poner su protección de polaridad inversa en el lado bajo. Considere la situación en la que su dispositivo está conectado a un montón de otros dispositivos, todos con referencia a la red eléctrica. Por ejemplo, está diseñando un dispositivo USB que se conectará a una PC, pero necesita un suministro externo de 12 V para sus requisitos de energía. El negativo de la fuente de alimentación de la PC, el chasis, etc. están conectados a tierra de la fuente de alimentación de CA de la red y, por lo tanto, también lo está su dispositivo, a través del cable de tierra y el blindaje del cable USB. Ahora imagine que su fuente de alimentación externa está referenciada de manera similar a tierra. Tiene un diodo de protección inversa (no importa de qué tipo) en el lado alto de la entrada de su dispositivo, lo que lo protegería bien si conectara el cable de alimentación al revés pero su dispositivo estuviera aislado. Pero en nuestro caso, el terminal negativo es tierra de red, y acabas de conectar 12V a ese terminal, sin nada que lo proteja. La corriente entrará a través del terminal negativo de su dispositivo, saldrá por el puerto USB, a través de la PC y regresará a la fuente de alimentación a través de la conexión a tierra. Podrías quemar un fusible, si tienes suerte.

Si la protección del diodo/mosfet estuviera en la entrada del lado bajo, esto no sucedería. Estaría cortocircuitando la entrada del lado alto a tierra (lo que probablemente esté bien, suponiendo que no esté recibiendo energía del riel USB, o una batería o algo así, en cuyo caso también deberá proteger eso), pero los 12V conectados a su terminal de entrada del lado bajo no hacen nada.

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