Auf die Frage nach dem Merkwürdigen (wieder) und der Wahl der Transistoren

Finden Sie einen Grund für alles und Sie werden viel verstehen.

Ein weiteres Rätsel tauchte in einem Gerät auf, das von einem meiner jungen Kollegen (im Folgenden: MMK) entworfen wurde. Das Gerät ist für die Eingangssteuerung von Batterien der Serie 18650 ausgelegt (nein, Ilon Mask kann ruhig schlafen, unsere Firma wird keine Elektroautos herstellen, dies gilt auch für andere Produkte) und ist auf dem bekannten BQ29700-Chip implementiert, der sich von vielen ähnlichen Batteriecontrollern in Gegenwart von zwei unterscheidet separate Schlussfolgerungen für die Verwaltung von Schlüsseln und die Fähigkeit, den Strom zu kontrollieren ("Vergiss nicht, mein Freund, über Hosenträger"). Das Schema wird in voller Übereinstimmung mit den Empfehlungen des Herstellers (siehe KDPV) umgesetzt, es sollten überhaupt keine Fragen vorliegen, aber ... das sind sie.



Als nächstes folgt die Erfahrung einer kleinen technischen Untersuchung, gefolgt von einer trivialen (und wahrscheinlich langweiligen) Moral.

Bevor wir mit der Beschreibung des Problems fortfahren, lassen Sie uns ein wenig über das tatsächlich empfohlene Schema sprechen. Achten Sie zunächst darauf, dass sich die Tasten in der unteren Schulter (im Nulleiter) befinden, nicht jedoch in der oberen. Warum so? Die Antwort - weil die Mikroschaltung so ausgelegt ist - wird nicht akzeptiert, weil sie die Frage aufwirft - warum ist sie so ausgelegt?


Die nächste Frage ist, warum es zwei Transistoren gibt: Jeder kennt die Antwort - weil wir einen bidirektionalen Schalter benötigen und das Vorhandensein einer eingebauten Diode die Implementierung auf einem einzelnen Transistor unmöglich macht.

Die nächste Frage ist jedoch interessanter: Warum sind die Transistoren durch Tüllen miteinander verbunden? Sie können sie anscheinend mit den anderen Seiten verbinden (wie sie genannt werden, entscheiden Sie selbst).


Nun zum Problem selbst - das zusammengebaute Gerät funktionierte nicht. Äußere Symptome und festgestellte Tatsachen:

1. Nach dem Einsetzen der Testbatterie (BAT) fließt keine Spannung an die externen Klemmen (bzw. nicht an das untere Minus).
2. Der Transistor T1 (Ladetaste) ist eingeschaltet, der Transistor T2 ist am Gate (Ausgang Dout) gesperrt.
3. Nach dem Anlegen einer externen Spannung von 4,2 V an die Klemmen + und - (Ladesimulator) werden beide Transistoren eingeschaltet. Nach dem Entfernen der externen Spannung bleiben sie eingeschaltet und die Batterie kann getestet werden.
4. Fahren Sie nach dem Entfernen des Akkus aus dem Steckplatz mit Schritt 1 fort.

Im Allgemeinen scheint es, dass der Mikrokreis nach dem Einsetzen des Akkus erforderlich ist, ihn aufzuladen (zumindest für eine willkürlich kleine Menge), und erst dann ist er bereit, ihn als Quelle arbeiten zu lassen. Nun, erstens ist dies ein ziemlich merkwürdiges Verhalten, und zweitens, warum wird es nicht in der Dokumentation beschrieben, so dass die Hypothese zweifelhaft aussieht. MMK griff auf eine erprobte moderne Methode zurück, um die Ursache einer Störung zu finden - um das Internet und das e2e-Forum zu durchsuchen, wurde eine Frage zu einer ähnlichen Situation gefunden, zu der der TI-Guru (meiner Meinung nach) eine etwas seltsame Antwort gab, dass dieser Chip für die Arbeit mit gelöteten Batterien ausgelegt ist, und Plugin wird nicht akzeptiert. Schließlich wurde auch ein Teil des Mülls mit einer gelöteten Batterie entsorgt, weshalb wir die Ursache mit den alten Methoden suchen - Experimente (Messungen sind auch Experimente) und deren Ergebnisse verstehen

Wir gehen weiter - die Spannung an der Batterie ist normal, es gibt keine Auslöser im Blockdiagramm des Geräts (obwohl moderne Blockdiagramme wie Beschreibungen Gegenstand eines separaten und düsteren Songs sind), aber eine der Tasten ist geschlossen, so dass der Stromsensor funktioniert hat, es gibt sonst niemanden. Gleichzeitig befindet sich im Blockdiagramm ein logischer Knoten, und die Beschreibung bezieht sich auf Trigger (jedoch in einem etwas anderen Aspekt) und einen internen Zähler. Es wird weiter argumentiert, dass, wenn eine Überstromsituation während einer Entladung auftritt, die Schaltung in den Defektmodus übergeht und von diesem in den Normalmodus zurückkehrt, nachdem die Last entfernt oder die Ladespannung angelegt wurde - dies ist unserem Fall sehr ähnlich.

Zum Testen verbinden wir das untere Ende des Widerstands R1 mit dem Vss-Zweig (dies ist wichtig, der MMK hat ihn in der Luft hängen lassen, was in diesem Fall nicht ausreicht) und ... der Effekt verschwindet, nach dem Einlegen der Batterie sind beide Transistoren offen, die Ausgangsspannung wird an externe Klemmen geliefert.

PNP: Es gab immer noch subtile Effekte, die mit einer getrennten, aber nicht getrennten Stromquelle verbunden waren. Ich berücksichtige sie nicht.

Die Strombegrenzung funktioniert also immer noch, aber was für ein Schreck - wir haben jetzt die Last getrennt, wenn die Batterie eingelegt wird. Als nächstes verbinden und trennen wir eine kleine Last, der Strom fließt, es ist ganz normal und es gibt keine Abschaltung.

Dies bedeutet, dass entweder zum Zeitpunkt des Einlegens der Batterie ein Strom fließt, der viel höher als der zulässige ist, oder die Schaltung fälschlicherweise beschließt, den Strom zu überschreiten. Sie können das Oszilloskop anschließen und sehen, aber es ist besser zu denken, denn Sie müssen noch denken.

Und sofort kommt die Entscheidung - was ist der Unterschied zwischen dem Einsetzen des Akkus aus seiner ständigen Verbindung - das Vorhandensein von Bounce. Berücksichtigen wir, dass die Spannung an der Batterie über das Filter R2C1 an die Mikroschaltung geliefert wird und die Spannung am + -Anschluss direkt über den Widerstand R1 liegt, ist eine Situation möglich, in der der Eingang BAT noch in Betrieb ist und der Eingang V- bereits Null ist. Dann entscheidet der Mikrokreis, dass die gesamte Spannung an den Tasten abgefallen ist, dann wird der Strom überschritten und die Entladetaste ausgeschaltet - alles scheint logisch zu sein.

Gleichzeitig sollte beachtet werden, dass der Betrieb des Überstromdetektors lange dauern sollte, bis zu 10 ms, da es Verzögerungen innerhalb der Mikroschaltung gibt und die Zeitkonstante des Leistungsfilters 330 * 0,1 * 10 ** - 6 = 33 μs ein Widerspruch ist. Dies ist jedoch die Zeitkonstante, die mit der Ladung des Kondensators verbunden ist, die jedoch nicht über den Widerstand entladen wird (da beim Rasseln der Batterie auf dem zweiten Kontaktfeld der Platine keine Null, sondern eine Unterbrechung auftritt), sondern über die Mikroschaltung. Dann sinkt bei einem Stromverbrauch von 1 mA die Spannung am Kondensator von 4,2 V innerhalb von 0,1 * 10-6 * 1,6 / 1 * 10 ** - 3 = 0,16 ms auf 2,8 V, wobei ein Strom von 5,5 μA bereits innerhalb von 30 ms ausreicht über Überstrom entscheiden.

Es gibt einen weiteren möglichen Grund für dieses Verhalten, zum Beispiel kann ein Trigger einfach durch Anlegen von Strom an die Mikroschaltung zurückgesetzt (installiert) werden (nein, diese Hypothese scheint durch Schalten eines Widerstands widerlegt zu werden, obwohl nicht alles so offensichtlich ist), was zu den gleichen Ergebnissen führt. Es gibt kein Gerätediagramm, das Blockdiagramm ist nicht informativ genug, sodass die endgültige Auswahl von den persönlichen Vorlieben abhängt.

Im Allgemeinen wird der Grund für das oben beschriebene Verhalten der Mikroschaltung bestimmt (im Allgemeinen nicht vollständig, der vorgeschlagene Mechanismus ist nur einer der möglichen, obwohl es plausibel erscheint, das einzige, was wir mit Sicherheit sagen können, ist, dass es mit der Stromregelung verbunden ist), es wurden keine Fehler darin gefunden, seltsam Die Antwort im Forum hörte auf, seltsam zu sein (obwohl sie nicht informativer wurde). Wie genau mit diesem Phänomen umgegangen werden soll - es gibt viele Möglichkeiten, eine ist nicht schlechter als eine, MMK wählte die einfachste -, ließ das untere Ende des Widerstands an einem neuen Punkt und schaltete die Stromregelung aus. Die Lösung ist akzeptabel, wenn wir sicher sind, dass die Last kalibriert ist (ist) und niemand eine Pinzette einsetzen kann, wo es nicht sein sollte (aber hier ist es schwieriger. Aber wir waren immer noch nicht vor dem "technisch kompetenten Narren" mit einer Pinzette in der Hand geschützt, hier ist es - fehlende Erdungsschaltung).

Und jetzt kommt der zweite Teil des Marleson-Balletts, der sich im Titel widerspiegelt. Wir beheben den Defekt, legen den Akku ein und beobachten die Spannung an den Geräteausgängen, schließen eine Nennlast von 4 Ohm an und ... die Spannung sinkt stark von 4,2 V auf 2,0 V und der Akku produziert immer noch 4,1 V. Bei zwei in Reihe geschalteten Transistoren fallen also 2,1 V zu stark ab - wir werden verstehen.

Naja, hier gibt es keine Rätsel, die Steuerspannung reicht eindeutig nicht aus, so dass ich problemlos zum zweiten Teil des Beitrags übergehen kann. Zunächst öffnen wir das Datum der Transistoren und sehen es - und was wir im Datenblatt des Feldeffekttransistors sehen sollten.

Genau genommen sollten wir mindestens zwei Sätze von zwei Parametern sehen: die Gate-Source-Spannung und den Source-Strom und an absolut beliebigen Punkten. Vorausgesetzt, die Übertragungsfunktion des Feldeffekttransistors ist gegeben durch

$$

$$Is (Ugs) = Iso * (1-Ugs / Ugso) ** 2$$

Zwei Spannungs- / Strompaare reichen aus, um zwei Unbekannte zu finden. Wir schreiben zwei Gleichungen

$$

$$I1 = (Iso / Ugso ** 2) * (Ugso-Ugs1) ** 2$$

und

$$

$$I2 = (Iso / Ugso ** 2) * (Ugso-Ugs2) ** 2$$

, dann dividiere das erste durch I2 und erhalte

$$

$$(I1 / I2) * Ugso ** 2 / Iso = (Ugso-Ugs1) ** 2 / I2$$

. Dann erhalten wir unter der Bedingung (I2 >> I1) && (Ugso! = 0) die halbe Antwort Ugso = Ugs1.

Es ist jetzt klar, dass wir bei der Auswahl der gemeinsamen Punkte mit gesundem Menschenverstand immer noch Grenzen haben. Der erste Punkt sollte sich in der Nähe des Öffnungspunkts des Transistors befinden, damit der Strom ausreichend klein ist. Normalerweise ist dies ein Punkt mit einem Strom von 250 μA, der zwei Werten der Gate-Spannung entspricht - dem Minimum und dem Maximum (es gibt auch einen typischen Wert, aber es geht um nichts). Aber was genau bedeuten diese beiden Bedeutungen:

1. Wir sind sicher, dass wenn die Spannung am Gate kleiner oder gleich dem Minimum ist, wir niemals einen stärker ausgeprägten Strom bekommen.

2. Wenn die Spannung am Gate größer oder gleich dem Maximum ist, erhalten wir niemals einen Strom, der unter dem angegebenen Wert liegt (vorausgesetzt natürlich, die externen Elemente der Schaltung können ihn mit einem Transistor versorgen).



Oberhalb der beiden angegebenen Bedingungen können wir nichts garantieren, beachten Sie den Zeitplan mit den Bereichen des Verbots. Der gesamte ungefüllte Teil davon ist die Zone möglicher Übertragungseigenschaften. Insbesondere treffen alle Annahmen hinsichtlich des Wertes des Stroms innerhalb des angegebenen Bereichs zu, von denen einige in Schwarz dargestellt sind.

Unter Berücksichtigung des gesunden Menschenverstandes ist es logisch, einen zweiten Punkt mit einem signifikanten Strom zu wählen, der normalerweise die maximale Spannung am Gate angibt, bei der ein bestimmter signifikanter Strom fließt, normalerweise in der Nähe des maximalen Arbeitsstroms. Beachten Sie erneut Formulierung 2. Dann können wir berechnen unbekannter Parameter

$$

$$Iso = I2 * Ugso ** 2 / (Ugso-Ugs2) ** 2$$

und wir können einen Ausdruck für den Strom bei jeder Spannung am Drain schreiben

$$

$$Ist (Ugs) = I2 * Ugs1 ** 2 / (Ugs1-Ugs2) * (Ugs1-Ugs) ** 2 / Ugs1 ** 2$$

Vereinfachung bekommen wir

$$

$$Ist (Ugs) = I2 * (Ugs1-Ugs) ** 2 / (Ugs1-Ugs2) ** 2$$

Es ist leicht zu zeigen, dass der letzte Ausdruck bei Ug € [Ugs1 ... Ugs2] mit zunehmendem Ugs1 abnimmt. Um den minimalen (garantierten) Drainstrom bei einer bestimmten Gate-Spannung zu berechnen, sollten wir den Maximalwert von Ugs1 verwenden.

Der aufmerksame Leser wird aufgeben - wenn es nicht schwierig ist, wo ist dann der Beweis, in der Formel erscheint der Parameter sowohl im Zähler als auch im Nenner, so dass Ihre Aussage nicht offensichtlich ist - und wird absolut richtig sein. Was können wir ihm antworten:

1. Nehmen Sie einen bestimmten Transistor und berechnen Sie die Werte an den Rändern und in der Mitte und geben Sie an, wo genau sich das Minimum herausgestellt hat. Die Methode ist so lala, weil sie nicht beweist, dass es keinen bestimmten internen Punkt gibt, an dem die Berechnung noch weniger Wert ergibt.
2. Zeichnen Sie Diagramme des Drainstroms für verschiedene Schwellenwerte und bieten Sie an, dies visuell zu überprüfen. Die Methode ist etwas besser, dient jedoch nur der Veranschaulichung und erfordert eine zusätzliche Analyse. Daher ist es einfacher, sofort zu Methode 3 überzugehen.
   
   
3. Zur Analyse des Ausdrucks, für den wir eine Ableitung davon in Bezug auf die Variable Ugs1 nehmen und nach einer Reihe von Vereinfachungen erhalten

   $$

   $$Is '(Ugs1) = 2 * I2 * (Ugs1-Ugs) * (Ugs-Ugs2) / (Ugs1-Ugs2) ** 3$$
   . Wir sehen fünf Faktoren (mit Ausnahme von konstanten) und jeder von ihnen ist negativ für unsere Bedingungen, was bedeutet, dass die Ableitung negativ ist und die Funktion den Minimalwert am rechten Rand des Bereichs erreicht, usw.

Betrachten Sie spezifische Beispiele, basierend auf der Tatsache, dass der Abschaltpegel für die Entladung für diesen Batterietyp 2,6 V beträgt, dh, dass der Transistor bei einer gegebenen Spannung am Gate einen Entladestrom von 1C = 1A liefern muss.

Der ausgewählte MMK-Transistor ist die anfängliche Öffnungsspannung am Gate von 2,0 V bis 4,0 V, so dass es einfach keinen Sinn macht, den garantierten Strom bei 2,6 V zu berechnen. Er nimmt einen beliebigen Wert an, einschließlich Null, ohne Kommentar. Ein aufmerksamer Leser wird eine Frage stellen - schließlich ist der Strom durch den Transistor wirklich abgelaufen, und wenn Sie die Last kennen, können Sie seinen Wert berechnen (er ist nicht so klein, etwa 0,5 A). Und ich werde antworten - wir hatten eine voll geladene Batterie mit einer Spannung von 4,2 V und wir haben einen Transistor mit einer Schwellenspannung, die unter dem Maximum liegt, aber dies wird nicht immer der Fall sein. Ein Ingenieur muss sich auf den schlimmsten Fall verlassen und hat kein Recht, auf das Beste zu hoffen.

Ein weiterer Transistor, der unter Berücksichtigung der Kritik ausgewählt wurde, aber dem Hauptkriterium für die Verfügbarkeit der Bestände entspricht: Anfangsspannung 1,4 V - 2,6 V, bei 2,6 V erhalten wir einen garantierten Strom von 250 μA, was eindeutig nicht ausreicht. Lassen Sie uns versuchen, die Anforderungen ein wenig zu senken und auf 2,8 V zu arbeiten. Berücksichtigen wir dann 20 A bei 4,5 V, erhalten wir I (2,8) = 20 * (2,8-2,6) ** 2 / (2,8-4,5) ** 2 = 20 * 0,2 ** 2 / 1,7 ** 2 = 0,22 A, was wiederum nicht ausreicht. Die Berechnung für 3,0 V zeigt einen Stromwert von 0,8 A und nur bei 3,2 V erhalten wir den erforderlichen 1A. Natürlich können wir auf einen Schwellenwert von durchschnittlich 2,0 V hoffen, dann haben wir bei 2,6 V 1,12 A und alles ist in Ordnung, aber das Wort „Hoffnung“ sollte, wie ich oben sagte, nicht in das Vokabular eines Ingenieurs aufgenommen werden.

Betrachten Sie nun den von TI empfohlenen Transistor SCD16406 mit einer Anfangsspannung von 1,4 V bis 2,2 V und demselben Extrempunkt. Dann erhalten wir einen garantierten Strom bei 2,6 V, der 20 * (2,6-2,2) ** 2 / (2,2-4,5) ** 2 = 0,6 A entspricht, was seltsam ist, das ist die Sache - der Abschaltpegel beträgt 2,8 V und mit dieser Spannung haben wir 1,36A bedeutet, dass bei TI alles in Ordnung ist. MMK hätte es auch, wenn es die technische Dokumentation bis zum Ende (RTFMF) genauer gelesen hätte. Gleichzeitig kann ich nur bemerken, dass das Unternehmen meiner Meinung nach die Auswahl eines Transistors für die Implementierung des Schlüssels in der empfohlenen Schaltung nicht ausreichend beachtet hat, obwohl es diesen Beitrag sonst nicht gegeben hätte, und wir suchen nach positiven Seiten in allem (und dem) charakteristisch finden wir).

Und zum Schluss noch eine Frage: Warum geben sie in der Dokumentation den Mindestwert der Schwellenspannung an, weil wir sie überhaupt nicht zur Berechnung des garantierten Stroms verwendet haben? Die Antwort ist, die Schwelle zu bestimmen, bei der der Transistor garantiert nicht eingeschaltet wird. Wenn Sie mit dem Strom von 250 μA durch den ausgeschalteten Transistor zufrieden sind, erhalten Sie ihn, indem Sie die Spannung am Gate gleich der unteren Schwelle einstellen. Wenn Sie einen kleineren Strom benötigen, sollten Sie den Io-Wert auf ähnliche Weise berechnen und anhand der allgemeinen Formel die Gate-Spannung bestimmen, bei der der Drain-Strom recht klein wird.

Für den zuletzt betrachteten Transistor
Io = I2 ** U1 ** 2 / (U1-U2) ** 2 = 20 * 1,4 ** 2 / (3,1) ** 2 = 4,08A
Dann unterscheidet sich der Wert (1-U1 / U0) ** 2 von 1 um 0,00025 / 4,08 ~ 0,5 * 10 ** - 5, wir nehmen die Quadratwurzel gleich 2 * 10 ** - 3 und dies bedeutet, dass wir die Spannung am Gate reduzieren müssen um 2 * 10 ** - 3 * 1,4, was 0,006 V entspricht, so dass der Strom im Drain des Transistors vollständig stoppt (dieser Teil davon aufgrund der Verstärkungseigenschaften des Transistors). Die allgemeine Regel lautet wie folgt: Ugs1 (Minimum) -0.1V wird in den allermeisten Fällen ausreichen, um den Transistor vollständig zu schließen, obwohl Sie sich den Messmodus dieses Parameters ansehen sollten, wie Winnie sagte: "Sie können alles von Ihren Schweinen erwarten".

Oh ja, ich habe Moral versprochen, hier ist es: Natürlich unterscheidet sich ein Ingenieur von allen anderen Menschen darin, dass er mit seinen Händen denkt, aber gewöhnliches Denken (mit Hilfe des Gehirns) und die Aufmerksamkeit für Details sind in der Ingenieurspraxis nicht weniger wichtig. Ja, das ist trivial, aber dennoch wahr.