A la question de l'étrange (encore) et du choix des transistors

Trouvez une raison à tout et vous comprendrez beaucoup.

Un autre mystère est apparu dans un appareil conçu par l'un de mes jeunes collègues (ci-après MMK). L'appareil est conçu pour le contrôle entrant des batteries de la série 18650 (non, Ilon Mask peut dormir paisiblement, notre société ne va pas fabriquer de voitures électriques, c'est pour des produits complètement différents) et est implémenté sur la puce BQ29700 plutôt bien connue, qui diffère de nombreux contrôleurs de batterie similaires en présence de deux conclusions distinctes pour la gestion des clés et la capacité de contrôler le courant ("n'oubliez pas, mon ami, sur les bretelles"). Le schéma est mis en œuvre en totale conformité avec les recommandations du fabricant (voir KDPV), il ne devrait y avoir aucune question, mais ... elles le sont.



Ensuite, l'expérience d'une petite enquête d'ingénierie suivie d'une morale banale (et probablement ennuyeuse).

Avant de passer à la description du problème, parlons un peu du schéma réellement recommandé. Tout d'abord, faites attention au fait que les clés sont dans l'épaule inférieure (dans le fil neutre) mais pas dans celle supérieure. Pourquoi La réponse - parce que le microcircuit est conçu de cette façon - n'est pas acceptée, car elle soulève la question - pourquoi est-il conçu de cette façon.


La question suivante est pourquoi il y a deux transistors: tout le monde connaît la réponse - parce que nous avons besoin d'un interrupteur bidirectionnel, et la présence d'une diode intégrée rend l'implémentation sur un seul transistor impossible.

Mais la question suivante est plus intéressante - pourquoi les transistors sont connectés par des becs les uns aux autres, il semble que vous pouvez les connecter avec les autres côtés (comme on les appelle, décidez par vous-même).


Eh bien, maintenant sur le problème lui-même - le périphérique assemblé ne fonctionnait pas. Symptômes externes et faits établis:

1. Après avoir installé la batterie de test (BAT), la tension ne circule pas vers les bornes externes (ou plutôt, elle ne va pas au moins négatif).
2. Le transistor T1 (clé de charge) est passant, le transistor T2 est bloqué bas à la grille (sortie Dout).
3. Après avoir appliqué une tension externe de 4,2 V aux bornes + et - (simulateur de charge), les deux transistors s'activent, tandis qu'après avoir retiré la tension externe, ils restent allumés et la batterie peut être testée.
4. Après avoir retiré la batterie de son logement, passez à l'étape 1.

En général, il semble qu'après l'installation de la batterie, le microcircuit juge nécessaire de la charger (au moins pour une petite quantité arbitraire) et alors seulement il est prêt à lui permettre de fonctionner comme source. Eh bien, premièrement, c'est un comportement plutôt étrange, et deuxièmement, pourquoi il n'est pas décrit dans la documentation, donc l'hypothèse semble douteuse. MMK a recouru à une méthode moderne éprouvée pour trouver la cause d'un dysfonctionnement - pour rechercher sur le forum Internet et e2e, une question a été trouvée sur une situation similaire, à laquelle le gourou TI a donné une réponse quelque peu étrange (à mon avis) que cette puce est conçue pour fonctionner avec des batteries soudées, et Le plugin sera inacceptable. Quelques ordures, après tout, une batterie soudée a également été insérée, nous allons donc rechercher la cause en utilisant les anciennes méthodes - expériences (les mesures sont également une expérience) et compréhension de leurs résultats

Nous allons plus loin - la tension sur la batterie est normale, il n'y a pas de déclencheurs dans le schéma fonctionnel de l'appareil (bien que les schémas fonctionnels modernes, comme les descriptions, fassent l'objet d'une chanson distincte et sombre), mais l'une des touches est fermée, donc le capteur de courant a fonctionné, il n'y a personne d'autre. En même temps, il y a un nœud logique dans le diagramme et la description fait référence à des déclencheurs (mais sous un aspect légèrement différent) et à un compteur interne. Il est en outre soutenu que lorsqu'une situation de surintensité se produit pendant une décharge, le circuit entre en mode de défaut et revient de celui-ci au mode normal après avoir retiré la charge ou appliqué la tension de charge - c'est très similaire à notre cas.

Pour tester, on connecte l'extrémité inférieure de la résistance R1 à la jambe Vss (c'est important, le MMK l'a laissée suspendue en l'air, ce qui n'est pas suffisant dans ce cas) et ... l'effet disparaît, après insertion de la batterie, les deux transistors sont ouverts, la tension de sortie est fournie aux bornes externes.

Pnp: il y avait encore des effets subtils associés à une source d'alimentation déconnectée mais non déconnectée, je n'en prends pas en compte.

Donc, la limite actuelle fonctionne toujours, mais avec quelle frayeur - nous avons maintenant la charge déconnectée lorsque la batterie est insérée. Ensuite, nous connectons et déconnectons une petite charge, le courant circule, c'est tout à fait normal et il n'y a pas de coupure.

Cela signifie que, soit au moment de l'insertion de la batterie, un courant circule beaucoup plus haut que celui autorisé, soit que le circuit décide par erreur de dépasser le courant. Vous pouvez connecter l'oscilloscope et voir, mais il vaut mieux penser, car il faut encore penser.

Et immédiatement la décision vient - quelle est la différence entre le processus d'insertion de la batterie de sa connexion continue - la présence de rebond. Si nous prenons en compte que la tension sur la batterie est fournie au microcircuit à travers le filtre R2C1 et que la tension sur la borne + est directement à travers la résistance R1, alors une situation est possible lorsque l'entrée BAT est toujours opérationnelle et l'entrée V- est déjà nulle. Ensuite, le microcircuit décide que toute la tension a chuté sur les touches, puis le courant est dépassé et la touche de décharge est désactivée - tout semble logique.

Dans le même temps, il convient de noter que la réponse du détecteur de surintensité doit être longue, jusqu'à 10 ms, car il y a des retards à l'intérieur du microcircuit et la constante de temps du filtre de puissance 330 * 0,1 * 10 ** - 6 = 33 μs est une contradiction. Mais c'est la constante de temps associée à la charge du condensateur, mais elle ne sera pas déchargée à travers la résistance (car avec le rebond de la batterie sur le deuxième plot de contact de la carte il n'y aura pas zéro, mais une coupure), mais à travers le microcircuit. Ensuite, avec un courant de consommation de 1 mA, la tension aux bornes du condensateur de 4,2 V diminuera à 2,8 V en 0,1 * 10-6 * 1,6 / 1 * 10 ** - 3 = 0,16 ms, avec un courant de 5,5 μA déjà dans les 30 ms, cela suffit décider de la surintensité.

Il existe une autre raison possible à ce comportement, par exemple, un déclencheur peut être réinitialisé (installé) simplement en appliquant une alimentation au microcircuit (non, cette hypothèse semble être réfutée en commutant la résistance, bien que tout ne soit pas si évident), ce qui conduira aux mêmes résultats. Il n'y a pas de diagramme d'appareil, le diagramme n'est pas assez informatif, donc le choix final dépend des préférences personnelles.

En général, la raison du comportement décrit ci-dessus du microcircuit est déterminée (généralement pas complètement, le mécanisme proposé n'est qu'un des possibles, bien qu'il semble plausible, la seule chose que nous pouvons dire avec certitude est qu'il est lié au contrôle du courant), aucun défaut n'a été trouvé dedans, étrange La réponse sur le forum a cessé d'être étrange (bien qu'elle ne soit pas devenue plus informative). Comment faire face exactement à ce phénomène - il existe de nombreuses façons, l'une n'est pas pire qu'une, MMK a choisi la plus simple - a laissé l'extrémité inférieure de la résistance à un nouveau point et a désactivé le contrôle de courant. La solution est acceptable si nous sommes sûrs que la charge est calibrée (elle l'est) et que personne ne mettra les pinces là où elles ne devraient pas (mais ici c'est plus difficile. Mais nous n'étions toujours pas protégés du "fou techniquement compétent" avec des pinces à la main, la voici - absence de commutation de masse).

Et maintenant vient la deuxième partie du ballet Marleson, reflétée dans le titre. Nous corrigeons le défaut, insérons la batterie et observons la tension aux sorties de l'appareil, connectons une charge nominale de 4 ohms et ... la tension baisse fortement de 4,2 V à 2,0 V, et la batterie produit toujours 4,1 V. Donc, sur deux transistors connectés en série, les baisses de 2,1 V, trop - nous comprendrons.

Eh bien, il n'y a pas d'énigmes ici, la tension de commande n'est clairement pas suffisante, ce qui me permet de passer en douceur à la deuxième partie du post. Pour commencer, nous ouvrons la date sur les transistors, et nous y voyons - et que devrions-nous voir dans la fiche technique du transistor à effet de champ.

À strictement parler, nous devrions voir au moins deux ensembles de deux paramètres: la tension grille-source et le courant source, et à des points absolument arbitraires. Étant donné que la fonction de transfert du transistor à effet de champ est donnée par

$$

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

, deux paires tension / courant suffisent pour trouver deux inconnues. Nous écrivons deux équations

$$

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

et

$$

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

, puis divisez le premier par I2, obtenant

$$

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

. Ensuite, sous la condition (I2 >> I1) && (Ugso! = 0) nous obtenons la moitié de la réponse Ugso = Ugs1.

Maintenant, il est clair que nous sommes encore limités dans notre choix de points communs avec bon sens, et le premier d'entre eux devrait être proche du point d'ouverture du transistor pour que le courant soit suffisamment petit. Habituellement, c'est un point avec un courant de 250 μA, ce qui correspond à deux valeurs de la tension de grille - la minimale et la maximale (il y en a aussi une typique, mais ce n'est rien). Mais que signifient exactement ces deux significations:

1. Nous sommes assurés que lorsque la tension à la grille est inférieure ou égale au minimum, nous n'obtiendrons jamais un courant plus marqué.

2. Nous sommes assurés que lorsque la tension à la grille est supérieure ou égale au maximum, nous n'obtiendrons jamais un courant inférieur à celui indiqué (bien entendu, à condition que les éléments externes du circuit soient capables de lui fournir un transistor).



Au-dessus des deux conditions indiquées, nous ne sommes garantis de rien, faites attention au planning avec les zones d'interdiction. Toute la partie non remplie est la zone de caractéristiques de transfert possibles. En particulier, toutes les hypothèses sont vraies concernant la valeur du courant dans la plage indiquée, dont j'ai représenté certaines en noir.

Toutes les mêmes considérations de bon sens, il est logique de choisir un deuxième point avec un courant significatif, généralement indiquer la tension maximale à la porte, à laquelle un certain courant significatif circule, généralement proche du courant de travail maximum, faites à nouveau attention à la formulation 2. Ensuite, nous pouvons calculer paramètre inconnu

$$

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

et nous pouvons écrire une expression pour le courant à n'importe quelle tension sur le drain

$$

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

simplifiant, on obtient

$$

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

Il est facile de montrer que la dernière expression à Ug € [Ugs1 ... Ugs2] diminue avec l'augmentation de Ugs1, il s'ensuit que pour calculer le courant de drain minimum (garanti) à une certaine tension de grille, nous devons prendre la valeur maximale de Ugs1.

Le lecteur attentif abandonnera - si ce n'est pas difficile, alors où est la preuve, dans la formule le paramètre apparaît à la fois au numérateur et au dénominateur, donc votre affirmation n'est pas évidente - et aura tout à fait raison. Que pouvons-nous lui répondre:

1. Prenez un transistor spécifique et calculez les valeurs sur les bords et au milieu et indiquez où exactement le minimum s'est avéré. La méthode est telle, car elle ne prouve pas qu'il n'y a pas de certain point interne auquel le calcul donnera encore moins de valeur.
2. Tracez des graphiques du courant de drain pour différents seuils et proposez de le vérifier visuellement. La méthode est légèrement meilleure, mais elle est purement illustrative et nécessite une analyse supplémentaire, il est donc plus facile de passer immédiatement à la méthode 3.
   
   
3. Pour analyser l'expression, pour laquelle nous en prenons une dérivée par rapport à la variable Ugs1 et après une série de simplifications

   $$

   $$Is '(Ugs1) = 2 * I2 * (Ugs1-Ugs) * (Ugs-Ugs2) / (Ugs1-Ugs2) ** 3$$
   . Nous voyons cinq facteurs (sauf ceux constants) et chacun d'eux est négatif pour nos conditions, ce qui signifie que la dérivée est négative et que la fonction atteint la valeur minimale sur la bordure droite de la plage, etc.

Prenons des exemples spécifiques, basés sur le fait que le niveau de coupure de la décharge pour ce type de batterie est de 2,6 V, c'est-à-dire à une tension donnée à la grille, le transistor doit fournir un courant de décharge de 1C = 1A.

Le transistor MMK sélectionné est la tension d'ouverture initiale à la grille de 2.0V-4.0V, donc cela n'a tout simplement aucun sens de calculer le courant garanti à 2.6V, il prend n'importe quelle valeur, y compris zéro, sans commentaire. Un lecteur attentif posera une question - après tout, le courant à travers le transistor est vraiment passé et, connaissant la charge, vous pouvez calculer sa valeur (il n'est pas si petit, environ 0,5A). Et je répondrai - nous avions une batterie complètement chargée avec une tension de 4,2 V et nous avons obtenu un transistor avec une tension de seuil inférieure au maximum, mais ce ne sera pas toujours le cas. Un ingénieur doit compter sur le pire des cas et n'a pas le droit d'espérer le meilleur.

Un autre transistor, sélectionné en tenant compte des critiques, mais selon le principal critère de disponibilité des stocks: tension initiale 1.4V-2.6V, à 2.6V nous obtenons un courant garanti de 250μA, ce qui n'est clairement pas suffisant. Essayons de réduire un peu les exigences et de travailler jusqu'à 2,8 V, puis en tenant compte de 20 A à 4,5 V, nous obtenons I (2,8) = 20 * (2,8-2,6) ** 2 / (2,8-4,5) ** 2 = 20 * 0,2 ** 2 / 1,7 ** 2 = 0,22A, ce qui n'est pas encore suffisant. Le calcul pour 3.0V montre une valeur actuelle de 0.8A et seulement à 3.2V nous obtenons le 1A requis. Bien sûr, nous pouvons espérer une valeur seuil dans la moyenne de 2,0 V, puis à 2,6 V, nous avons 1,12 A et tout va bien, mais le mot «espoir», comme je l'ai dit ci-dessus, ne devrait pas être inclus dans le vocabulaire d'un ingénieur.

Considérons maintenant le transistor SCD16406 recommandé par TI avec une tension initiale de 1,4 V à 2,2 V et le même point extrême. Ensuite, nous obtenons un courant garanti à 2,6 V égal à 20 * (2,6-2,2) ** 2 / (2,2-4,5) ** 2 = 0,6 A, ce qui est étrange, c'est le problème - le niveau de coupure est de 2,8 V et avec cette tension, nous avons 1.36A, comme requis, cela signifie que tout va bien avec TI. MMK l'aurait aussi s'il avait accordé plus d'attention à la lecture de la documentation technique jusqu'au bout (RTFMF). Dans le même temps, je ne peux que noter que, à mon avis, la société n'a pas accordé suffisamment d'attention aux questions du choix d'un transistor pour la mise en œuvre de la clé dans le circuit recommandé, bien que sinon il n'y aurait pas eu ce poste, nous recherchons donc des côtés brillants dans tout (et que caractéristique, nous trouvons).

Et enfin, une autre question - pourquoi dans la documentation ils donnent la valeur minimale de la tension de seuil, car nous ne l'avons pas du tout utilisée pour calculer le courant garanti. La réponse est de déterminer le seuil de non-allumage garanti du transistor. Si vous êtes satisfait du courant de 250 μA à travers le transistor déconnecté, vous le recevrez en réglant la tension à la grille égale au seuil inférieur. Si vous avez besoin d'un courant plus petit, vous devez effectuer un calcul similaire de la valeur Io et, en utilisant la formule générale, déterminer la tension de grille à laquelle le courant de drain devient assez faible.

Pour le dernier transistor considéré
Io = I2 ** U1 ** 2 / (U1-U2) ** 2 = 20 * 1,4 ** 2 / (3,1) ** 2 = 4,08A
Ensuite, la valeur (1-U1 / U0) ** 2 diffère de 1 par 0,00025 / 4,08 ~ 0,5 * 10 ** - 5, nous prenons la racine carrée égale à 2 * 10 ** - 3 et cela signifie que nous devons réduire la tension sur la porte de 2 * 10 ** - 3 * 1,4, qui sera de 0,006 V, de sorte que le courant dans le drain du transistor s'arrête complètement (cette partie en raison des propriétés d'amplification du transistor). La règle générale sera la suivante - Ugs1 (minimum) -0,1 V sera suffisant dans la grande majorité des cas pour fermer complètement le transistor, bien que vous devriez toujours regarder le mode de mesure de ce paramètre, comme l'a dit Winnie, "vous pouvez tout attendre des porcs".

Oh oui, j'ai promis la moralité, la voici: bien sûr, un ingénieur diffère de toutes les autres personnes en ce qu'il pense avec ses mains, mais la pensée ordinaire (avec l'aide du cerveau) et l'attention aux détails ne sont pas moins importantes dans la pratique de l'ingénierie. Oui, c'est trivial, mais néanmoins vrai.