Optimización de potencia para el interruptor de lado alto

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Estoy tratando de encontrar una manera de optimizar el consumo de energía de un grupo de dos interruptores de lado alto. Se supone que no deben cambiarse más de una vez por minuto.

No sé si mi manera de conectarlos es correcta. Tengo dos cargas (ambas constituidas por reguladores de voltaje de bajada y de subida, controladores de velocidad electrónicos, etc.). El objetivo es comandarlos mediante interruptores manuales. Hay una resistencia desplegable en cada compuerta del MOSFET (si uno de los interruptores tiene un mal funcionamiento, las cargas siguen funcionando).

Si la carga 2 está desactivada, la carga 1 debería desactivarse automáticamente (gracias al diodo).

Las cargas están entre 10 y 60 amperios. (Los valores de carga son para fines ilustrativos)

Tengovariaspreguntas:

  • ElegíMOSFETdecanalP(IPD042P03L3),probablementeaumentanlapérdidadepotenciaencomparaciónconunMOSFETdecanalN.¿Existeotraforma"fácil" de tener la misma funcionalidad sin MOSFET de canal P? En la hoja de datos, dicen que Rds (activado) es de aproximadamente 4,2 mOhms para Vgs = 10 V (Vgs debería ser más alto que 10 V en este circuito), eso me parece un valor decente, ¿verdad? Si mi cálculo es correcto, la pérdida de potencia sería de aproximadamente 0.25 W para una carga de 60 amperios.

  • Decidí usar el mismo MOSFET para ambas cargas, la razón es que no vi ningún otro MOSFET de canal P con un Rds más bajo (en) en Digikey. ¿Debo usar un MOSFET clasificado para una corriente más pequeña? Mi conjetura es que la carga de la puerta podría ser más pequeña con un MOSFET más pequeño, pero realmente importa si solo cambio de vez en cuando. ¿Hay algún parámetro que importe en mi caso?

  • La resistencia desplegable es de aproximadamente 1k. Si lo aumento, eso debería reducir el consumo de energía, pero ¿cómo puedo saber hasta dónde puedo llegar?

Gracias de antemano,

Por favor, siéntase libre de comentar el diseño!

EDIT 1

Actualicé el diseño con los MOSFET de canal P del que Russell estaba hablando.

La fuente de voltaje es una batería LiPo de 4 celdas (el voltaje va de 12.8 V a 16.8 V), yo uso un diodo Zener para mantener el valor mínimo de Vgs en alrededor de -10 V, independientemente de la fuente de voltaje.

El diodo Zener que elegí es el MMBZ5240BLT1G. Cuando el interruptor está abierto, la corriente a través del diodo Zener está entre 0.9 mA (Vsource 12.8 V) y 2.3 mA (Vsource 16.8 V). Potencia disipada por el diodo Zener: entre 9 mW y 23 mW (muy por debajo de 225 mW).

Con este diseño, Rds (encendido) debe permanecer por debajo de 2mOhms ... La pérdida de potencia sería de aproximadamente 7 W para una carga máxima de 60 amperios (los valores de carga en el esquema son solo para fines ilustrativos).

¡Sigue publicando tus comentarios sobre el diseño! ¡Muchas gracias!

EDIT 2

Estoy pensando en otro aspecto de este diseño.

En el caso de que los MOSFET estén apagados durante un largo período de tiempo (durante varios meses).

Como el sistema funciona con una batería, puede ser una buena idea reducir la corriente de reposo a un valor insignificante.

Por ejemplo, en el esquema anterior, la corriente que necesitan los resistores cuando se cierra el interruptor es aproximadamente 2x (16.8 V / 3000 Ohms) = 11.2 mA. Para una batería de 4 celdas de 5000 mAh, eso significa que la batería se agotará después de 19 días (y probablemente mucho menos que eso).

No creo que lo implementaré en el primer diseño de esta placa, pero ¿cómo es posible reducir la corriente de reposo?

    
pregunta Marmoz

3 respuestas

2

Recientemente recibí 4 de estos :-) !!!
No los he probado todavía.
IPB180P04P4L-02 :-) :-) :-) :-)
IPB180P04P4L-02 hoja de datos aquí MOSFET de canal P, 40V, 180A,
1.8 miliOhm típico a 100A (!) Con Vgs = 10V a 25 C.
2.4 miliOhm max mismas condiciones.
En Vgs = -10V Rdson se trata de gobernar directamente a través de 180 amperios.
Será más alto a temperaturas más altas. Precios aquí $ 6.38 / 1 en E14 / Farnell y menos en volumen
$ 2.75 / 1 Mouser - 6000 en stock.
$ 1.31 / 1 Avnet !!!, - sin stock.

Las resistencias de accionamiento no son críticas para el encendido / apagado ocasional. Con 1K obtendrás quizás 10 en el peor de los casos de cambio de Estados Unidos, pero una pérdida general mínima.

PERO Vgs_max importa. Para el IPB180P04P4L-02, es de 16 V máx., Por lo que una pinza de 10 V (zener) estaría en orden si se utiliza una unidad de más de 10 V. (Por lo general, puede superar Vgsmax solo una vez por vida de MOSFET.

Consulte la hoja de datos de sus FET.

Su cálculo de pérdida tiene aglae de pandillas.

  

4.2 mOhms para Vgs = 10 V ... Si mi cálculo es correcto, la pérdida de potencia sería de aproximadamente 0.25 W para una carga de 60 amperios.

Potencia = I ^ 2 x R = 3600 x 0.0042 = ~ 15 vatios.

Para el IPB180P04P4L-02 a 60A a 2 mR, eso es ~ = 7 vatios.
Mi paquete es el TO263-7-3.
3 n + 1 corte + 1 en el paquete TO263 con clavijas dobladas para SMD.
Tjc = 1 K / W = 7 K aumento a 7 vatios. Usted quiere algún tipo de disipador de calor semi real para esto, por ejemplo, 10 vatios para estar seguro.
A 5 C / W (lo suficientemente fácil de lograr, es aproximadamente un aumento de 60C para 10W.) Disipador térmico de C / W inferior = enfriador.

respondido por el Russell McMahon
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"Se supone que deben cambiarse más de una vez por minuto"

Si solo se cambian a tasas tan bajas, lo único que debería preocuparte es Rds_on . Esto siempre es inherentemente más alto en los FET de canal P. Intente diseñar su circuito con N-FET de lado bajo que encontrará que tienen valores de Rds_on más bajos para un paquete / tecnología / capacidades similares.

Las principales pérdidas por el uso de FET como interruptores son el Rds_on para corrientes de estilo de CC y la pérdida de conmutación cuando se cambian muy rápido, generalmente con métodos PWM.

No está cambiando lo suficiente como para preocuparse por la pérdida de conmutación, y la resistencia de 1K está bien, pero podría ser mucho menor si quisiera.

    
respondido por el KyranF
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En primer lugar, su elección del tipo p no hará una gran diferencia en el poder disipado. ¿La razón? La unidad que ha elegido tiene un Rds nominal (encendido) de .0042 ohmios, y tendrá muchos problemas para hacer que una placa de circuito impreso con resistencias de traza sea menor que esto. El manejo de estas corrientes será un desafío si no tiene experiencia.

A continuación, tu cálculo de potencia está desactivado. Su cálculo (.0042 x 60) le da el voltaje a través del MOSFET cuando está encendido. La potencia es este voltaje por la corriente de carga, o aproximadamente 15 vatios. En realidad, asumiendo que las resistencias de carga son 3: 1, su corriente de peor caso para un solo MOSFET es de 45 amperios, y la potencia será de ~ 8.5 vatios.

Suponiendo que las impedancias de carga sean correctas, que la tensión de alimentación supere los 20 voltios y que la unidad de su puerta supere los Vgs máximos de 20 voltios. Esto también implica que su potencia de carga es superior a 1,2 kW. No nos has dicho por qué necesitas minimizar el poder de MOSFET. Si estás preocupado por la eficiencia general, realmente estás perdiendo el tiempo. Una disipación de potencia MOSFET de ~ 10 vatios es menos del 0.1% de la potencia total de su sistema.

Del mismo modo, la potencia disipada en las resistencias desplegables de su compuerta es insignificante (~ .4 vatios por resistencia a 1 k). El aumento de la resistencia a 10k reducirá esto a .04 vatios, y esto es mucho menor que la disipación de potencia del MOSFET, por lo que no tiene sentido preocuparse por ello.

    
respondido por el WhatRoughBeast

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