Troqueles MOSFET de doble canal N/P con humo

He construido el siguiente circuito MOSFET dual push-pull N-MOS y P-MOS. Su finalidad es controlar unos LED externos desde un microprocesador de 3,3V.

Sin embargo, parece haber un problema, donde el chip MOSFET dual "SI4554DY-T1-GE3 Dual N/P-Channel" muere con una horrible muerte por humo de humo, cuando se conecta 12V como se muestra en el siguiente esquema.

El humo aparece incluso cuando no hay carga conectada y los MOSFET no están encendidos (inactivos).

Por lo que puedo ver en la hoja de datos , no se excede ninguno de los límites (V[GS] <20V, V[DS] <40V).

¿Puedes ayudar a identificar el problema? ¡Gracias!

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Imagen de la implementación del circuito.

Las señales de humo son la forma en que se transmiten los mensajes de error resultantes de superar la disipación máxima de potencia.
Los resultados de su simulación serán tan buenos como su simulación. Si está controlando bancos de LED, la carga no está realmente bien modelada como una resistencia de 100 ohmios.
Ah, sí, olvidé decir que el mensaje de error (humo) aparece cuando no hay ninguna carga conectada (R_LOAD = infinito).
¿Cuál es el voltaje de la puerta cuando conecta 12V? Probablemente ambos mosfets estén conduciendo, cortocircuitándose entre sí. Además, ¿por qué estás usando push-pull para esto? El N-mosfet no está haciendo nada útil para controlar sus LED...
Cuando aplica energía, confía en R2 para cargar las puertas de los dos MOSFET. ¿Cuánto tiempo toma esto y cuánta corriente fluye a través de ellos en ese tiempo?
Bueno, estoy usando una fuente limitada de corriente de 1A, por lo que el voltaje de la puerta también está limitado. Es alrededor de 9V (la salida de la fuente de voltaje).
La razón para usar push-pull es porque el mismo circuito se usa para controlar algunos "LED inteligentes" que requieren una señal positiva de +12V. Tengo una PCB con 8 de estos circuitos y eso me permite flexibilidad con respecto a qué tipo de carga estoy cambiando.
¿Puede agregar un interruptor entre 12 V y donde alimenta M1? De esa manera, podría activar el suministro de 12 V y dejar que se estabilice y que la unidad de compuerta se estabilice antes de alimentar el circuito push-pull. Eso descartaría el tiempo de subida lento de la fuente de alimentación que conduce a que ambos dispositivos funcionen a la vez. También intentaría reducir el pull-up de 47 K a 4K7 para un tiempo de subida mucho más agudo mientras carga las puertas, aunque creo que esa es la causa menos probable.
@DaveTweed Bueno, es un poco difícil de medir, con el humo y todo. Pero la salida V_LOAD mide a 0V, hasta unos minutos más tarde, donde supongo que el MOSFET muere por completo y la salida se convierte en ~12V.
Probablemente tenga algo que ver con el 222A que pasa por allí cuando ambos están encendidos al mismo tiempo.
La idea era que analizara este aspecto del diseño, no realizar el experimento destructivo nuevamente. Ambos MOSFET tienen voltajes de umbral bajos, por lo que tener una corriente de "disparo" alta en cualquier transición de conmutación es un problema muy real. Según su descripción posterior de su aplicación, parece que conducir las dos puertas por separado podría ser una buena idea; entonces serías capaz de apagarlos a ambos.
@DaveTweed estuvo de acuerdo. o agregue un estrangulador allí (inductor + diodo) para bloquear el pico de corriente de transición de conmutación.
@TonyM Agregar un interruptor sería un poco difícil, pero podría intentarlo. He agregado una imagen de mi configuración (ver arriba). ->Trevor Por lo que pensé que lo había diseñado, esto nunca debería pasar por un tiempo prolongado. ¿Tienes un ejemplo para el estrangulador? ->DaveTweed Ah, sí, por supuesto, pero mis simulaciones parecen indicar que todo funciona bien. La corriente de disparo se simula en un pico de ~ 10 µA.
Tomo tu punto. ¿Podría quitar el IC y colocar un capacitor de 2700 pF a través del pin de la puerta IC y GND, luego usar un DSO para medir el tiempo de subida y el perfil en el encendido?
@Trevor, ¿tal vez suavizar el condensador en la placa cerca del MOSFET entre +12 y GND?
@utu2012 Hay uno unos centímetros a la derecha del primero que maté.
Mi primera sospecha fue que estaba excediendo una calificación en el SI4554DY, ya que hice el mismo diseño para corrientes más bajas antes con MOSFET BSS138 y BSS84P, que funcionó bien.
Con esa configuración push-pull, ambos MOSFET se encenderán durante un período de tiempo durante cada transición de entrada con flancos ascendentes mucho peores debido al 47k R2. Le sugiero que reduzca ese valor significativamente : 1k o menos (dependiendo de la capacitancia de la puerta de los MOSFET). Si lo simula, asegúrese de que su simulador modele la capacitancia de la puerta correctamente.
@brhans Está bien, lo haré. Aunque el MOSFET murió cuando no estaba cambiando (inactivo), probablemente no sea la causa.
47k tire hacia arriba? ¡Ay!
La parte realmente instalada en el tablero es 51K. ¿Por qué la gente insiste en mostrarnos esquemas que no reflejan la realidad de su situación? Los designadores de referencia también están equivocados.
Eliminar M2: no parece hacer nada excepto proporcionar una ruta destructiva de "disparo" para M1.
Las simulaciones usan los valores típicos de las hojas de datos en la gran mayoría de los casos y, por lo tanto, usar simulaciones aquí tiene un valor limitado. Lo que no veo es un control de 'tiempo muerto'. Consulte linear.com/docs/4139 para ver cómo se ensamblan normalmente los macromodelos.
@DaveTweed Me quedé sin 47k, que era lo que había instalado en la primera placa que murió (la imagen es de mi segunda prueba "limpia").
@RussellMcMahon Es una parte MOSFET dual, que incluye tanto N- como P-MOS. Necesito 'M2' para las cargas que deben encenderse en su pin negativo.
@Johns, pero ¿te quedaste sin 5 y 1 en Circuitlab? Quedarse sin 47k partes no significa que no pueda dibujar el esquema para que coincida con lo que realmente probó.
@ThePhoton El circuito original que probé tenía 47k. Y no es que eso es lo que mata todo. Ahora intenté usar un pullup de 1k, como sugirió brhans, con el mismo resultado. El MOSFET parece actuar como un cortocircuito constante de 12V a GND.
Cuando dices 'probando SIN señal de manejo', ¿te refieres a tierra o A/C? Si Vin siempre es alto o bajo, se define el estado Q1. Pero O/C vin permite que Q1 posiblemente se encienda parcialmente, lo que puede ser desastroso. De todos modos, se necesita una resistencia de alto valor desde la base Q1 a tierra, digamos 10K || Varias personas han mencionado disparar a través de M1 y M2 y se han propuesto varios esquemas. | POSIBLEMENTE útil es un zener de Q1 C a cada compuerta FET y resistencia que apaga cada FET desde la compuerta a la fuente. 2 x digamos 5V6 zener en un suministro de 12V significa que hay un cruce mínimo y 2 x 6V8 no da ninguno.
Antes de leer los comentarios, mi primera "suposición" fue que tanto M1 como M2 estaban encendidos, lo que provocó un cortocircuito total en el suministro de 12V. Independientemente de la simulación, aparentemente esta situación dura lo suficiente como para dañar el chip. Obviamente, la solución es no aplicar los 12V a M1 hasta que el voltaje de la puerta se estabilice. Poner un estrangulador en el colector de M1 debería hacer que funcione.

Respuestas (4)

Su configuración Push-Pull está invertida. Se supone que el MOSFET de canal N debe estar conectado al riel +ve y el MOSFET de canal P debe estar conectado al riel -ve. Su circuito explota porque ambos MOSFET se encenderán durante un tiempo cuando la entrada cambie de baja a alta o de alta a baja. ¡Esto provocará un cortocircuito y obtendrás el humo mágico!

Por favor, consulte el enlace de referencia a continuación:

http://www.talkingelectronics.com/projects/MOSFET/MOSFET.html

Estoy seguro de que el diseño debe ser correcto. He usado ese diseño push-pull varias veces. La diferencia ahora es que estoy usando un componente con MOSFET dual, en comparación con el uso de MOSFET individuales en el pasado. Buscando un controlador mosfet de medio puente, ambos diseños parecen ser populares.
@Johis hay una diferencia significativa en los tiempos de conmutación de los mosfets. Incluso si puede garantizar que las señales de la puerta lleguen simultáneamente, HABRÁ un tiempo de "ambos encendidos". Le sugiero que maneje las puertas por separado o agregue algo de inductancia en la línea eléctrica con un diodo de retorno para cortar los picos.
@Johis también, funcionó antes, tampoco es una indicación de que fuera correcto. Estamos hablando de diferencias minúsculas aquí con picos actuales que duran nS. Lo que mata a un dispositivo puede no matar al siguiente.
@Johis, me siento tonto porque miré esto antes, cuando verifiqué que sus fuentes FET estaban conectadas correctamente en su PCB. Pero su esquema funcionaría... si sus puertas tuvieran un tiempo de subida y bajada realmente rápido. Para evitar los problemas de esto, es mucho mejor e igual de fácil usar el esquema opuesto, que se muestra en los enlaces de vivekholia. Eso asegura que ambos FET estén apagados a medida que el voltaje de las puertas cambia a través de la 'zona muerta' entre muy alto y muy bajo. Me mostraron esto en un motor hace unas décadas, debería haberlo visto.
@Johis si tiene que usar la misma configuración que está usando, considere conducir los MOSFET individualmente. Permita un tiempo muerto para asegurarse de que no estén conduciendo al mismo tiempo.
@vivekholia OK, lo consideraré la próxima vez. Sin embargo, dudo que este sea el principal problema actual, ya que tengo humo mágico incluso cuando no estoy cambiando.
@Johis también puede ser asesinado durante el encendido.
Sin embargo, simplemente cambiar los mosfets no conducirá de riel a riel.
@Johis, si tiene acceso a DSO, conéctelo a la fuente de alimentación de su circuito, posiblemente en la fuente del MOSFET de canal P donde se conectan 12 V y las puertas. configure el DSO para un disparador de disparo único y encienda la fuente de alimentación. Si ve un pico grande, puede estar seguro de que la sobretensión probablemente lo mató. Las puertas MOSFET son muy sensibles a las sobretensiones.
@Johis, como sugerí hace una hora, ¿podría quitar el IC y colocar un capacitor de 2700 pF en el pin de la puerta del IC y GND, luego usar un DSO para medir el tiempo de subida y el perfil en el encendido? Esto es rápido de hacer.
@vivekholia La fuente de alimentación parece estar bien en el DSO. El voltaje de la puerta aumenta limpiamente a 12V.
@vivekholia su fuente (el segundo enlace) es simplemente incorrecta. Por favor, reconsidere su respuesta.
@WhatRoughBeast No estaba simplemente mal . Probablemente era irrelevante para la pregunta formulada. También dije algunas cosas extra antes de publicarlo. Aunque lo eliminé.
@TonyM Mi DSO no quiere activarse de una manera en la que pueda ver el aumento. En la resolución más alta, se eleva instantáneamente en mi alcance. (intentaré encontrar un mejor alcance)
A los controladores de potencia les gusta oscilar. 10nH y 10nF resonarán a 16MHz, peligrosamente rápido para estos FET. Las pérdidas de conmutación son enormes y esta pérdida se repite 16.000.000 veces por segundo.

Los circuitos push-pull de ese diseño son notorios por fusionarse debido a que inadvertidamente se encienden ambos mosfets simultáneamente.

Obviamente, esto puede suceder durante la conmutación, pero también puede suceder cuando se aplica energía al circuito. El pulso de corriente normalmente es muy corto, sin embargo, cuanto más pequeños son los dispositivos mosfet, más probable es que ocurra una falla en uno o ambos.

Como tal, cuando se utilizan controladores push-pull de riel a riel como este, se requiere que se proporcione cierta protección para garantizar que la corriente no pueda atravesar el puente.

A continuación se muestra un ejemplo que utiliza un inductor en línea como un estrangulador de corriente.

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

L1 y D1 en el esquema anterior deben dimensionarse para limitar el tiempo de subida de la corriente para que sea significativamente menor que el tiempo de conmutación de los mosfets.

Se debe incluir la resistencia R2 para forzar el circuito a un estado particular mientras la lógica que lo impulsa se enciende. Esto es especialmente cierto si la señal se origina en un micro que inicialmente está configurado como un pin de alta impedancia. Si esta resistencia se conecta a tierra de la lógica 1 dependerá del estado en el que desee que comience la salida.

C1 está destinado a tratar de proteger los mosfets de cualquier pico de voltaje de arranque en la fuente de alimentación.

R1 tampoco debe tener un tamaño excesivo. Necesita drenar la capacitancia de M1 y cargar M2 lo suficientemente rápido cuando el transistor se apaga.

En última instancia, con este tipo de controlador, se prefiere que se usen señales de control separadas con un tiempo muerto incorporado donde ambos interruptores se apagan antes de que uno se encienda. Además de brindarle más protección a su controlador, también agrega la funcionalidad de poder desconectar la salida por completo.

Cuando dice 'probando sin señal de accionamiento', quiere decir que "sin accionamiento" es tierra de baja resistencia o O/C.

Si Vin siempre es alto o bajo, se define el estado Q1.
Pero O/C Vin permite que Q1 posiblemente se encienda parcialmente, lo que puede ser desastroso.
De todos modos, se necesita una resistencia de valor alto desde la base Q1 a tierra, digamos 10K.

Varias personas han mencionado disparar a través de M1 y M2 y se han propuesto varios esquemas. POSIBLEMENTE útil es un zener de Q1 C a cada puerta FET y una resistencia por FET que apaga cada FET desde la puerta a la fuente.
2 x digamos 6V8 zeners en un suministro de 12V significa que hay un cruce mínimo.

En el siguiente diagrama, suponga que V+ es 12 V y FET Vgsth es 2 V en cada caso.
FET requiere Vc más bajo para estar en 2V + 6V8 = 8.8V o más alto para encender.
FET superior requiere que Vc esté en 12V - 8.8V = 3.2V o menos para encender.

Para Vin <6,8 V. FET inferior está completamente apagado.
Para Vin > 12 - 6,8 V = 5,2 V FET superior está completamente apagado.
Esta importante protección de banda muerta PUEDE ayudar a evitar disparos.

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Probaré tu sugerencia y volveré a consultarte. La prueba anterior fue con un circuito abierto en la base (ya que supuse que la fuga no sería suficiente para encender el NPN BJT).
@Johis Antes de probar zeners, etc., simplemente agregue la base desplegable. La corriente de fuga se multiplica por Beta (al menos) y puede ocurrir un aumento de la corriente del colector "una vez que se pone en marcha". | Esta es definitivamente la fuente de problemas en algunos casos. Si es así aquí es TBD. | NB: NUNCA le des a Murphy un respiro: es bastante capaz de crear problemas incluso cuando haces las cosas correctamente :-).

12V y no hay límite de corriente. Supongamos una incidencia en la que ambos se comportan por cualquier motivo y conducen al fracaso. Coloque una resistencia de límite de corriente en el suministro o una resistencia en el suministro y una resistencia a tierra para equilibrar el voltaje de salida dentro de la tolerancia de corriente de los dispositivos.

¡Pronto tengo la intención de experimentar con FET de doble puerta (MOS) y este artículo me ha servido de inspiración! Gracias :-)

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