Para a questão do estranho (novamente) e a escolha dos transistores

Encontre um motivo para tudo e você entenderá muito.

Outro mistério apareceu em um dispositivo projetado por um dos meus jovens colegas (a seguir designado MMK). O dispositivo foi projetado para o controle de entrada das baterias da série 18650 (não, a Ilon Mask pode dormir tranqüilamente, nossa empresa não fabricará carros elétricos, isso é para outros produtos) e é implementada no bastante conhecido chip BQ29700, que difere de muitos controladores de bateria similares na presença de dois conclusões separadas para o gerenciamento de chaves e a capacidade de controlar a corrente ("não se esqueça, amigo, sobre suspensórios"). O esquema é implementado em total conformidade com as recomendações do fabricante (consulte KDPV), não deve haver perguntas, mas ... elas são.



A seguir, será apresentada uma pequena investigação de engenharia, seguida por uma moral trivial (e provavelmente chata).

Antes de prosseguir com a descrição do problema, vamos falar um pouco sobre o esquema realmente recomendado. Primeiro, preste atenção ao fato de que as chaves estão no ombro inferior (no fio neutro), mas não no superior. Porque assim? A resposta - porque o microcircuito é projetado dessa maneira - não é aceita, porque levanta a questão - por que ele é projetado dessa maneira.


A próxima pergunta é por que existem dois transistores: todo mundo sabe a resposta - porque precisamos de um comutador bidirecional, e a presença de um diodo interno torna a implementação em um único transistor impossível.

Mas a próxima pergunta é mais interessante - por que os transistores são conectados por bicos uns aos outros, parece que você pode conectá-los aos outros lados (como são chamados, decida por si mesmo).


Bem, agora sobre o problema em si - o dispositivo montado não funcionou. Sintomas externos e fatos estabelecidos:

1. Depois de instalar a bateria de teste (BAT), a tensão não flui para os terminais externos (ou melhor, não vai para o menor valor negativo).
2. O transistor T1 (chave de carregamento) está ligado, o transistor T2 é desligado baixo no portão (saída Dout).
3. Depois de aplicar uma tensão externa de 4,2V nos terminais + e - (simulador de carregamento), os dois transistores ligam, enquanto após remover a tensão externa eles permanecem ligados e a bateria pode ser testada.
4. Depois de remover a bateria do slot, vá para a etapa 1.

Em geral, parece que após a instalação da bateria, o microcircuito considera necessário carregá-la (pelo menos por uma quantidade arbitrariamente pequena) e só então está pronto para permitir que funcione como fonte. Bem, em primeiro lugar, este é um comportamento bastante estranho e, em segundo lugar, por que não está descrito na documentação, portanto a hipótese parece duvidosa. A MMK recorreu a um método moderno testado e comprovado para encontrar a causa de um mau funcionamento - para pesquisar na Internet e no fórum e2e, foi encontrada uma pergunta sobre uma situação semelhante, na qual o guru da TI deu uma resposta um tanto estranha (na minha opinião) que este chip foi projetado para funcionar com baterias soldadas, e O plug-in será inaceitável. Afinal, um pouco de lixo, uma bateria soldada também foi inserida, então procuraremos a causa usando os métodos antigos - experimentos (medições também são experimentos) e compreensão de seus resultados

Vamos mais longe - a voltagem da bateria é normal, não há gatilhos no diagrama de blocos do dispositivo (embora os diagramas de blocos modernos, como descrições, sejam objeto de uma música separada e sombria), mas uma das teclas esteja fechada, portanto o sensor atual funcionou, não há mais ninguém. Ao mesmo tempo, há um nó lógico no diagrama de blocos e a descrição refere-se a gatilhos (mas em um aspecto ligeiramente diferente) e a um contador interno. Argumenta-se ainda que quando uma situação de sobrecorrente ocorre durante uma descarga, o circuito entra no modo de defeito e retorna ao modo normal após remover a carga ou aplicar a tensão de carga - é muito semelhante ao nosso caso.

Para verificar, conecte a extremidade inferior do resistor R1 à perna Vss (isso é importante, a MMK o deixou pendurado no ar, o que não é suficiente neste caso) e ... o efeito desaparece, após a inserção da bateria, os dois transistores estão abertos, a tensão de saída é fornecida aos terminais externos.

Pnp: ainda havia efeitos sutis associados a uma fonte de energia desconectada, mas não desconectada, não os levo em consideração.

Portanto, o limite de corrente ainda funciona, mas com um susto - agora temos a carga desconectada quando a bateria é inserida. Em seguida, conectamos e desconectamos uma carga pequena, a corrente flui, é bastante normal e não há corte.

Isso significa que, no momento da inserção da bateria, uma corrente flui muito mais alta que a permissível, ou o circuito decide erroneamente exceder a corrente. Você pode conectar o osciloscópio e ver, mas é melhor pensar, porque você ainda precisa pensar.

E imediatamente chega a decisão - qual é a diferença entre o processo de inserção da bateria e sua conexão contínua - a presença de ressalto. Se considerarmos que a tensão na bateria é fornecida ao microcircuito através do filtro R2C1, e a tensão no terminal + é diretamente através do resistor R1, é possível uma situação quando a entrada BAT ainda está operacional e a entrada V- já é zero. Então o microcircuito decide que toda a tensão caiu nas teclas, a corrente é excedida e a chave de descarga é desligada - tudo parece lógico.

Ao mesmo tempo, deve-se notar que a operação do detector de sobrecorrente deve ser longa, até 10 ms, pois há atrasos no microcircuito, e a constante de tempo do filtro de energia 330 * 0,1 * 10 ** - 6 = 33 μs é uma contradição. Mas esta é a constante de tempo associada à carga do capacitor, mas não será descarregada através do resistor (já que quando a bateria tocar no segundo bloco de contato da placa, não haverá zero, mas uma quebra), mas através do microcircuito. Então, com uma corrente de consumo de 1 mA, a tensão no capacitor de 4,2 V diminuirá para 2,8 V dentro de 0,1 * 10-6 * 1,6 / 1 * 10 ** - 3 = 0,16 ms, com uma corrente de 5,5 μA já dentro de 30 ms, é suficiente para decidir sobre sobrecorrente.

Há outra razão possível para esse comportamento, por exemplo, um gatilho pode ser redefinido (instalado) simplesmente aplicando energia ao microcircuito (não, essa hipótese parece ser refutada ao alternar um resistor, embora nem tudo seja tão óbvio), o que levará aos mesmos resultados. Não há diagrama de dispositivos, o diagrama de blocos não é informativo o suficiente, portanto a escolha final depende das preferências pessoais.

Em geral, a razão para o comportamento descrito acima do microcircuito é determinada (geralmente não completamente, o mecanismo proposto é apenas um dos possíveis, embora pareça plausível, a única coisa que podemos dizer com certeza é que ele está conectado ao controle atual), nenhum defeito foi encontrado nele, estranho A resposta no fórum deixou de ser estranha (embora não tenha se tornado mais informativa). Como exatamente lidar com esse fenômeno - existem muitas maneiras, uma não é pior que uma, a MMK escolheu a mais simples - deixou a extremidade inferior do resistor em um novo ponto e desligou o controle de corrente. A solução é aceitável se tivermos certeza de que a carga está calibrada (é) e ninguém encaixará uma pinça onde não deveria (mas aqui é mais difícil. Mas ainda não fomos protegidos do "tolo tecnicamente competente" com uma pinça na mão, aqui está - falta de ligação à terra).

E agora vem a segunda parte do balé de Marleson, refletida no título. Corrigimos o defeito, inserimos a bateria e observamos a tensão nas saídas do dispositivo, conectamos uma carga nominal de 4 ohms e ... a tensão cai drasticamente de 4,2V para 2,0V, e a bateria ainda produz 4,1V. Então, em dois transistores conectados em série, 2.1V cai demais - nós entenderemos.

Bem, não há enigmas aqui, a tensão de controle claramente não é suficiente, o que me permite ir sem problemas para a segunda parte do post. Para começar, abrimos a data nos transistores e vemos lá - e o que devemos ver na folha de dados sobre o transistor de efeito de campo.

A rigor, devemos ver pelo menos dois conjuntos de dois parâmetros: a tensão da porta-fonte e a corrente da fonte, e em pontos absolutamente arbitrários. Dado que a função de transferência do transistor de efeito de campo é dada por

$$

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

, dois pares de tensão / corrente são suficientes para encontrar duas incógnitas. Escrevemos duas equações

$$

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

e

$$

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

, depois divida o primeiro por I2, obtendo

$$

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

. Então, sob a condição (I2 >> I1) && (Ugso! = 0), obtemos metade da resposta Ugso = Ugs1.

Agora está claro que ainda estamos limitados em nossa escolha de pontos comuns com bom senso, e o primeiro deles deve estar perto do ponto de abertura do transistor, para que a corrente seja suficientemente pequena. Normalmente, este é um ponto com uma corrente de 250 μA, que corresponde a dois valores da tensão do portão - mínimo e máximo (também existe um típico, mas não se trata de nada). Mas o que exatamente esses dois significados significam:

1. Temos a certeza de que, quando a tensão no portão for menor ou igual ao mínimo, nunca teremos uma corrente mais marcada.

2. Temos a certeza de que, quando a tensão no portão for maior ou igual ao máximo, nunca obteremos uma corrente menor que a indicada (é claro, desde que os elementos externos do circuito sejam capazes de fornecer um transistor).



Acima das duas condições indicadas, não temos garantia de nada, preste atenção ao cronograma com as áreas da proibição. Toda a parte não preenchida é a zona de possíveis características de transferência. Em particular, quaisquer suposições são verdadeiras em relação ao valor da corrente dentro da faixa indicada, algumas das quais descrevi em preto.

Todas as mesmas considerações de senso comum, é lógico escolher um segundo ponto com uma corrente significativa, geralmente indica a tensão máxima no portão, na qual uma certa corrente significativa flui, geralmente perto da corrente máxima de trabalho, preste atenção novamente à formulação 2. Então podemos calcular parâmetro desconhecido

$$

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

e podemos escrever uma expressão para a corrente em qualquer voltagem no dreno

$$

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

simplificando, temos

$$

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

É fácil mostrar que a última expressão em Ug € [Ugs1 ... Ugs2] diminui com o aumento de Ugs1; segue-se que, para calcular a corrente de drenagem mínima (garantida) a uma certa tensão de porta, devemos tomar o valor máximo de Ugs1.

O leitor atento desistirá - se não for difícil, onde está a prova? Na fórmula, o parâmetro aparece no numerador e no denominador, para que sua afirmação não seja óbvia - e estará absolutamente certa. O que podemos responder a ele:

1. Pegue um transistor específico e calcule os valores nas bordas e no meio e indique onde exatamente o mínimo resultou. O método é mais ou menos assim, porque não prova que não há um certo ponto interno no qual o cálculo dará ainda menos valor.
2. Desenhe gráficos da corrente de drenagem para diferentes limites e ofereça-se para verificar isso visualmente. O método é um pouco melhor, mas é meramente ilustrativo e requer análise adicional, por isso é mais fácil recorrer imediatamente ao método 3.
   
   
3. Analisar a expressão, para a qual derivamos dela em relação à variável Ugs1 e, após uma série de simplificações, obtemos

   $$

   $$Is '(Ugs1) = 2 * I2 * (Ugs1-Ugs) * (Ugs-Ugs2) / (Ugs1-Ugs2) ** 3$$
   . Vemos cinco fatores (exceto os constantes) e cada um deles é negativo para nossas condições, o que significa que a derivada é negativa e a função atinge o valor mínimo na borda direita do intervalo, etc.

Considere exemplos específicos, com base no fato de que o nível de corte para a descarga para esse tipo de bateria é de 2,6V, ou seja, para uma determinada tensão no portão, o transistor deve fornecer uma corrente de descarga de 1C = 1A.

O transistor MMK selecionado é a tensão de abertura inicial na porta de 2.0V-4.0V, por isso simplesmente não faz sentido calcular a corrente garantida em 2.6V, é necessário qualquer valor, incluindo zero, sem comentários. Um leitor atento fará uma pergunta - afinal, a corrente através do transistor realmente foi e, conhecendo a carga, você pode calcular seu valor (não é tão pequeno, cerca de 0,5A). E eu vou responder - nós tínhamos uma bateria totalmente carregada com uma tensão de 4.2V e um transistor com uma tensão limite mais baixa que a máxima, mas isso nem sempre será. Um engenheiro deve confiar no pior caso e não tem o direito de esperar pelo melhor.

Outro transistor, selecionado levando em consideração as críticas, mas de acordo com o principal critério para disponibilidade de estoque: tensão inicial 1.4V-2.6V, a 2.6V, obtemos uma corrente garantida de 250μA, o que claramente não é suficiente. Vamos tentar diminuir um pouco os requisitos e trabalhar até 2,8V, e, considerando 20A a 4,5V, obtemos I (2,8) = 20 * (2,8-2,6) ** 2 / (2,8-4,5) ** 2 = 20 * 0,2 ** 2 / 1,7 ** 2 = 0,22A, o que novamente não é suficiente. O cálculo para 3,0V mostra um valor atual de 0,8A e somente em 3,2V obtemos o 1A necessário. É claro que podemos esperar um valor limite na média de 2,0 V, então em 2,6 V temos 1,12A e está tudo bem, mas a palavra “esperança”, como eu disse acima, não deve ser incluída no vocabulário de um engenheiro.

Agora considere o transistor SCD16406 recomendado pela TI com uma tensão inicial de 1.4V-2.2V e o mesmo ponto extremo. Então obtemos uma corrente garantida em 2,6 V igual a 20 * (2,6-2,2) ** 2 / (2,2-4,5) ** 2 = 0,6 A, o que é estranho, é isso - o nível de corte é de 2,8 V e com essa tensão temos 1.36A, conforme necessário, significa que está tudo bem com a TI. A MMK também a teria se tivesse prestado mais atenção na leitura da documentação técnica até o final (RTFMF). Ao mesmo tempo, não posso deixar de notar que, na minha opinião, a empresa prestou atenção insuficiente às questões de escolher um transistor para implementar a chave no circuito recomendado, embora, de outra forma, não houvesse esse post, então estamos procurando lados positivos em tudo (e que característica, encontramos).

E, finalmente, outra pergunta - por que na documentação eles fornecem o valor mínimo da tensão limite, porque não a usamos para calcular a corrente garantida. A resposta é determinar o limite de garantia de não ligar o transistor. Se você estiver satisfeito com a corrente de 250 μA através do transistor desconectado, você a receberá configurando a tensão no portão igual ao limite mais baixo. Se você precisar de uma corrente menor, faça um cálculo semelhante do valor Io e, usando a fórmula geral, determine a tensão da porta na qual a corrente de drenagem se torna bem pequena.

Para o último transistor considerado
Io = I2 ** U1 ** 2 / (U1-U2) ** 2 = 20 * 1,4 ** 2 / (3,1) ** 2 = 4,08A
Então o valor (1-U1 / U0) ** 2 difere de 1 por 0.00025 / 4.08 ~ 0.5 * 10 ** - 5, tomamos a raiz quadrada igual a 2 * 10 ** - 3 e isso significa que precisamos reduzir a tensão no portão em 2 * 10 ** - 3 * 1,4, que será 0,006V, para que a corrente no dreno do transistor pare completamente (essa parte devido às propriedades de amplificação do transistor). A regra geral será a seguinte - Ugs1 (mínimo) -0,1V será suficiente na grande maioria dos casos para fechar completamente o transistor, embora você ainda deva observar o modo de medição desse parâmetro, como Winnie disse, "você pode esperar tudo de porcos".

Ah, sim, prometi moralidade, eis a seguinte: é claro que um engenheiro difere de todas as outras pessoas por pensar com as mãos, mas o pensamento comum (com a ajuda do cérebro) e a atenção aos detalhes não são menos importantes na prática de engenharia. Sim, isso é trivial, mas mesmo assim é verdade.