Encuentre una razón para todo y comprenderá mucho.
Otro misterio apareció en un dispositivo diseñado por uno de mis jóvenes colegas (en adelante, MMK). El dispositivo está diseñado para el control entrante de las baterías de la serie 18650 (no, Ilon Mask puede dormir tranquilo, nuestra compañía no fabricará autos eléctricos, esto es para productos completamente diferentes) y se implementa en el chip BQ29700 bastante conocido, que difiere de muchos controladores de batería similares en presencia de dos conclusiones separadas para el manejo de claves y la capacidad de controlar la corriente ("no se olvide, mi amigo, sobre los tirantes"). El esquema se implementa de acuerdo con las recomendaciones del fabricante (ver KDPV), no debería haber preguntas, pero ... lo son.
Lo siguiente será la experiencia de una pequeña investigación de ingeniería seguida de una moralidad trivial (y probablemente aburrida).
Antes de continuar con la descripción del problema, hablemos un poco sobre el esquema realmente recomendado. Primero, preste atención al hecho de que las teclas están en el hombro inferior (en el cable neutro) pero no en el superior. Por qué La respuesta, debido a que el microcircuito está diseñado de esta manera, no se acepta porque plantea la pregunta: ¿por qué está diseñado de esta manera?
La respuestaEn un circuito de tierra no aislado, las llaves deben recibir alimentación, de lo contrario es posible que haya fugas a través de los circuitos laterales conectados a tierra. En el caso de una fuente de alimentación aislada (solo la batería), la llave se puede colocar en cualquier lugar, aquí debemos tener en cuenta el método de control: para la parte superior del brazo necesitamos un transistor de canal n (si no vamos a bombear), para el canal P inferior y, en general, la resistencia este último es más bajo (y son más baratos), por lo que eligen este método.
La siguiente pregunta es por qué hay dos transistores: todos conocen la respuesta, porque necesitamos un interruptor bidireccional, y la presencia de un diodo incorporado hace que la implementación en un solo transistor sea imposible.
Pero la siguiente pregunta es más interesante: por qué los transistores están conectados por boquillas entre sí, parece que puede conectarlos con los otros lados (como se los llama, decida usted mismo).
No tan simpleEn realidad, es realmente posible para la parte inferior del brazo, todo con un voltaje de cierre es normal, pero con la parte superior del brazo con canales p (este no es nuestro caso), los matices son posibles, todo depende del dispositivo del controlador y ha habido casos ... tal vez escribiré sobre esto más tarde.
Bueno, ahora sobre el problema en sí mismo: el dispositivo ensamblado no funcionó. Síntomas externos y hechos establecidos:
- Después de instalar la batería de prueba (BAT), el voltaje no fluye a los terminales externos (o más bien, no va al menos bajo).
- El transistor T1 (tecla de carga) se enciende, el transistor T2 se apaga bajo en la puerta (salida Dout).
- Después de aplicar un voltaje externo de 4.2V a los terminales + y - (simulador de carga), ambos transistores se encienden, mientras que después de eliminar el voltaje externo permanecen encendidos y la batería puede probarse.
- Después de quitar la batería de la ranura, vaya al paso 1.
En general, parece que después de instalar la batería, el microcircuito considera necesario cargarla (al menos por una cantidad arbitrariamente pequeña) y solo entonces está lista para permitir que funcione como fuente. Bueno, en primer lugar, este es un comportamiento bastante extraño, y en segundo lugar, por qué no se describe en la documentación, por lo que la hipótesis parece dudosa. MMK recurrió a un método moderno probado para encontrar la causa de un mal funcionamiento: para buscar en Internet y en el foro e2e, se encontró una pregunta sobre una situación similar, a la que el gurú de TI dio una respuesta algo extraña (en mi opinión) de que este chip está diseñado para funcionar con baterías soldadas, y El complemento será inaceptable. Después de todo, también se insertó algo de basura, una batería soldada, por lo que buscaremos la causa utilizando los métodos antiguos: experimentos (las mediciones también son un experimento) y comprensión de sus resultados.
Vamos más allá: el voltaje de la batería es normal, no hay activadores en el diagrama de bloques del dispositivo (aunque los diagramas de bloques modernos, como las descripciones, son el tema de una canción separada y sombría), pero una de las teclas está cerrada, por lo que el sensor de corriente ha funcionado, no hay nadie más. Al mismo tiempo, hay un nodo lógico en el diagrama de bloques, y la descripción se refiere a disparadores (pero en un aspecto ligeramente diferente) y un contador interno. Se argumenta además que cuando ocurre una situación de sobrecorriente durante una descarga, el circuito ingresa al modo de defecto y regresa de él al modo normal después de quitar la carga o aplicar el voltaje de carga, es muy similar a nuestro caso.
Para probar, conectamos el extremo inferior de la resistencia R1 a la pata Vss (esto es importante, el MMK lo dejó colgando en el aire, lo que no es suficiente en este caso) y ... el efecto desaparece, después de insertar la batería, ambos transistores están abiertos, el voltaje de salida se suministra a los terminales externos.
Pnp: todavía hubo efectos sutiles asociados con una fuente de alimentación desconectada pero no desconectada, no los tengo en cuenta.
Entonces, el límite actual todavía funciona, pero con qué susto, ahora tenemos la carga desconectada cuando se inserta la batería. Luego, conectamos y desconectamos una pequeña carga, la corriente fluye, es bastante normal y no hay corte.
Esto significa que, ya sea en el momento de la inserción de la batería, una corriente fluye mucho más alta que la permitida, o el circuito decide erróneamente exceder la corriente. Puede conectar el osciloscopio y ver, pero es mejor pensar, porque todavía tiene que pensar.
Y de inmediato llega la decisión: cuál es la diferencia entre el proceso de insertar la batería desde su conexión continua, la presencia de rebote. Si tenemos en cuenta que el voltaje de la batería se suministra al microcircuito a través del filtro R2C1, y el voltaje en el terminal + es directamente a través de la resistencia R1, entonces es posible una situación cuando la entrada BAT todavía está operativa y la entrada V- ya es cero. Luego, el microcircuito decide que todo el voltaje ha caído en las teclas, luego se excede la corriente y se apaga la llave de descarga; todo parece ser lógico.
Al mismo tiempo, debe tenerse en cuenta que el funcionamiento del detector de sobrecorriente debe ser largo, hasta 10 ms, ya que hay retrasos dentro del microcircuito, y la constante de tiempo del filtro de potencia 330 * 0.1 * 10 ** - 6 = 33 μs es una contradicción. Pero esta es la constante de tiempo asociada con la carga del condensador, pero no se descargará a través de la resistencia (ya que cuando la batería hace ruido en la segunda almohadilla de contacto de la placa, no habrá un cero, sino una ruptura), sino a través del microcircuito. Luego, con una corriente de consumo de 1 mA, el voltaje a través del condensador desde 4.2 V disminuirá a 2.8 V dentro de 0.1 * 10-6 * 1.6 / 1 * 10 ** - 3 = 0.16 ms, con una corriente de 5.5 μA ya dentro de 30 ms, es suficiente para decidir sobre sobrecorriente.
Hay otra posible razón para este comportamiento, por ejemplo, un disparador puede reiniciarse (instalarse) simplemente aplicando energía al microcircuito (no, esta hipótesis parece refutarse cambiando la resistencia, aunque no todo es tan obvio), lo que conducirá a los mismos resultados. No hay un diagrama de dispositivo, el diagrama de bloques no es lo suficientemente informativo, por lo que la elección final depende de las preferencias personales.
En general, se determina la razón del comportamiento descrito anteriormente del microcircuito (generalmente no completamente, el mecanismo propuesto es solo uno de los posibles, aunque parece plausible, lo único que podemos decir con certeza es que está conectado con el control actual), no se encontraron defectos en él, extraño La respuesta en el foro dejó de ser extraña (aunque no se volvió más informativa). Cómo lidiar exactamente con este fenómeno: hay muchas formas, una no es peor que una, MMK eligió la más simple: dejó el extremo inferior de la resistencia en un nuevo punto y apagó el control de corriente. La solución es aceptable si estamos seguros de que la carga está calibrada (lo está) y nadie colocará las pinzas donde no debería (pero aquí es más difícil. Pero aún no estábamos protegidos del "tonto técnicamente competente" con pinzas en la mano, aquí está - falta de conmutación a tierra).
Y ahora viene la segunda parte del ballet Marleson, reflejado en el título. Solucionamos el defecto, insertamos la batería y observamos el voltaje en las salidas del dispositivo, conectamos una carga nominal de 4 ohmios y ... el voltaje cae bruscamente de 4.2V a 2.0V, y la batería aún produce 4.1V. Entonces, en dos transistores conectados en serie, 2.1V cae demasiado, lo entenderemos.
Bueno, aquí no hay acertijos, el voltaje de control claramente no es suficiente, lo que me permite pasar sin problemas a la segunda parte del mensaje. Para comenzar, abrimos la fecha en los transistores, y vemos allí, y qué deberíamos ver en la hoja de datos sobre el transistor de efecto de campo.
Estrictamente hablando, deberíamos ver al menos dos conjuntos de dos parámetros: el voltaje de la fuente de la compuerta y la corriente de la fuente, y en puntos absolutamente arbitrarios. Dado que la función de transferencia del transistor de efecto de campo viene dada por
, dos pares de voltaje / corriente son suficientes para encontrar dos incógnitas. Escribimos dos ecuaciones
y
, luego divide el primero por I2, obteniendo
. Luego, bajo la condición (I2 >> I1) && (Ugso! = 0) obtenemos la mitad de la respuesta Ugso = Ugs1.
Ahora está claro que todavía estamos limitados en nuestra elección de puntos comunes con sentido común, y el primero de ellos debe estar cerca del punto de apertura del transistor para que la corriente sea lo suficientemente pequeña. Por lo general, este es un punto con una corriente de 250 μA, que corresponde a dos valores del voltaje de la puerta: el mínimo y el máximo (también hay uno típico, pero no se trata de nada). Pero, ¿qué significan exactamente estos dos significados:
1. Estamos seguros de que cuando el voltaje en la puerta es menor o igual al mínimo, nunca obtendremos una corriente más marcada.
2. Estamos seguros de que cuando el voltaje en la puerta es mayor o igual que el máximo, nunca obtendremos una corriente menor que la indicada (por supuesto, siempre que los elementos externos del circuito sean capaces de proporcionarle un transistor).
Por encima de las dos condiciones indicadas, no tenemos garantizado nada, preste atención al cronograma con las áreas de la prohibición. Toda la parte sin llenar es la zona de posibles características de transferencia. En particular, cualquier suposición es cierta con respecto al valor de la corriente dentro del rango indicado, algunos de los cuales he representado en negro.
Todas las mismas consideraciones de sentido común, es lógico elegir un segundo punto con una corriente significativa, generalmente indica el voltaje máximo en la puerta, en el que fluye una corriente significativa significativa, generalmente cerca de la corriente de trabajo máxima, nuevamente preste atención a la formulación 2. Luego podemos calcular parámetro desconocido
y podemos escribir una expresión para la corriente a cualquier voltaje en el drenaje
simplificando, obtenemos
Es fácil mostrar que la última expresión en Ug € [Ugs1 ... Ugs2] disminuye al aumentar Ugs1, se deduce que para calcular la corriente de drenaje mínima (garantizada) a un voltaje de puerta determinado, debemos tomar el valor máximo de Ugs1.
El lector atento se dará por vencido: si no es difícil, ¿dónde está la prueba? En la fórmula, el parámetro aparece tanto en el numerador como en el denominador, por lo que su declaración no es obvia, y será absolutamente correcta. ¿Qué podemos responderle?
- Tome un transistor específico y calcule los valores en los bordes y en el medio e indique dónde resultó exactamente el mínimo. El método es regular, ya que no prueba que no haya un cierto punto interno en el que el cálculo dará aún menos valor.
- Dibuje gráficos de la corriente de drenaje para diferentes umbrales y ofrezca verificar esto visualmente. El método es un poco mejor, pero es puramente ilustrativo y requiere un análisis adicional, por lo que es más fácil pasar inmediatamente al método 3.
- Para analizar la expresión, para lo cual tomamos una derivada con respecto a la variable Ugs1 y luego de una serie de simplificaciones obtenemos
. Vemos cinco factores (excepto los constantes) y cada uno de ellos es negativo para nuestras condiciones, lo que significa que la derivada es negativa y la función alcanza el valor mínimo en el borde derecho del rango, etc.
Considere ejemplos específicos, basados en el hecho de que el nivel de corte para la descarga de este tipo de batería es 2.6V, es decir, a un voltaje dado en la puerta, el transistor debe proporcionar una corriente de descarga de 1C = 1A.
El transistor MMK seleccionado es el voltaje de apertura inicial en la puerta de 2.0V-4.0V, por lo que simplemente no tiene sentido calcular la corriente garantizada a 2.6V, toma cualquier valor, incluido cero, sin comentarios. Un lector atento hará una pregunta: después de todo, la corriente a través del transistor realmente se fue y, conociendo la carga, puede calcular su valor (no es tan pequeño, aproximadamente 0.5A). Y responderé: teníamos una batería completamente cargada con un voltaje de 4.2V y obtuvimos un transistor con un voltaje de umbral inferior al máximo, pero esto no siempre será así. Un ingeniero debe confiar en el peor de los casos y no tiene derecho a esperar lo mejor.
Otro transistor, seleccionado teniendo en cuenta las críticas, pero de acuerdo con el criterio principal para la disponibilidad de stock: voltaje inicial 1.4V-2.6V, a 2.6V obtenemos una corriente garantizada de 250 μA, que claramente no es suficiente. Intentemos reducir un poco los requisitos y trabajar hasta 2.8V, luego teniendo en cuenta 20A a 4.5V, obtenemos I (2.8) = 20 * (2.8-2.6) ** 2 / (2.8-4.5) ** 2 = 20 * 0.2 ** 2 / 1.7 ** 2 = 0.22A, que nuevamente no es suficiente. El cálculo para 3.0V muestra un valor actual de 0.8A y solo a 3.2V obtenemos el 1A requerido. Por supuesto, podemos esperar un valor umbral en el promedio de 2.0V, luego a 2.6V tenemos 1.12A y todo está bien, pero la palabra "esperanza", como dije anteriormente, no debería incluirse en el vocabulario de un ingeniero.
Ahora considere el transistor SCD16406 recomendado por TI con un voltaje inicial de 1.4V-2.2V y el mismo punto extremo. Luego obtenemos una corriente garantizada a 2.6 V igual a 20 * (2.6-2.2) ** 2 / (2.2-4.5) ** 2 = 0.6 A, lo cual es extraño, esa es la cuestión: el nivel de corte es 2.8 V y con este voltaje tenemos 1.36A, según se requiera, significa que todo está bien con TI. MMK también lo tendría si hubiera prestado más atención a leer la documentación técnica hasta el final (RTFMF). Al mismo tiempo, no puedo dejar de notar que, en mi opinión, la compañía no prestó suficiente atención a los problemas de elegir un transistor para implementar la clave en el circuito recomendado, aunque de lo contrario no habría habido esta publicación, por lo que estamos buscando aspectos positivos en todo (y eso característica, encontramos).
Y finalmente, otra pregunta: ¿por qué en la documentación dan el valor mínimo de la tensión umbral, porque no la usamos para calcular la corriente garantizada? La respuesta es determinar el umbral de garantía de no encender el transistor. Si está satisfecho con la corriente de 250 μA a través del transistor desconectado, la recibirá ajustando el voltaje en la puerta igual al umbral inferior. Si necesita una corriente más pequeña, debe hacer un cálculo similar del valor de Io y, utilizando la fórmula general, determinar el voltaje de la puerta a la cual la corriente de drenaje se vuelve bastante pequeña.
Para el último transistor considerado
Io = I2 ** U1 ** 2 / (U1-U2) ** 2 = 20 * 1.4 ** 2 / (3.1) ** 2 = 4.08A
Entonces el valor (1-U1 / U0) ** 2 difiere de 1 en 0.00025 / 4.08 ~ 0.5 * 10 ** - 5, tomamos la raíz cuadrada igual a 2 * 10 ** - 3 y esto significa que necesitamos reducir el voltaje en la puerta por 2 * 10 ** - 3 * 1.4, que será 0.006V, de modo que la corriente en el drenaje del transistor se detiene por completo (esa parte debido a las propiedades de amplificación del transistor). La regla general será la siguiente: Ugs1 (mínimo) -0.1V será suficiente en la gran mayoría de los casos para cerrar completamente el transistor, aunque aún debe observar el modo de medición de este parámetro, como dijo Winnie, "puede esperar todo de los cerdos".
Ah, sí, prometí moralidad, aquí está: por supuesto, un ingeniero se diferencia de todas las demás personas en que piensa con las manos, pero el pensamiento ordinario (con la ayuda del cerebro) y la atención a los detalles no son menos importantes en la práctica de la ingeniería. Sí, esto es trivial, pero no obstante cierto.