Ogranicznik prądu na MOSFET: zasada działania i projektowanie

Pytanie

ogranicznik prądu na mosfecie

Odpowiedź Sztucznej Inteligencji

Bezpośrednia odpowiedź na pytanie

• Najprostszy ogranicznik prądu na MOSFET realizuje się przez pomiar spadku napięcia na rezystorze bocznikowym (Rsense) i sprzężenie zwrotne, które „przymyka” bramkę MOSFET-a po przekroczeniu progu.
• Do wyboru masz trzy klasy rozwiązań: dyskretny układ MOSFET+tranzystor BJT („dwutranzystorowy”), precyzyjny układ z wzmacniaczem operacyjnym, oraz gotowe kontrolery (e-fuse/hot-swap) z zewnętrznym MOSFET-em.
• Kluczem jest poprawny dobór: Rsense, MOSFET-u o odpowiednim liniowym SOA, kompensacji pętli oraz chłodzenia.

Szczegółowa analiza problemu

• Zasada: pętla ograniczająca utrzymuje prawie stały spadek na Rsense, a MOSFET pracuje w trybie liniowym (jak regulowany „rezystor”), rozpraszając moc P ≈ (Vin − Vout)·Ilimit.

• Topologie:

  1. Dyskretny „dwutranzystorowy” (low-side, N‑MOSFET + NPN):
     • Rsense w źródle MOSFET-a; gdy VRsense ≈ 0,6–0,7 V, NPN zaczyna przewodzić i ściąga bramkę, ograniczając prąd.
     • Przybliżenie: Ilimit ≈ 0,65 V / Rsense.
     • Wada: duża zależność od temperatury (VBE ~ −2 mV/°C), stosunkowo duży spadek napięcia na Rsense (straty).
  2. Z wzmacniaczem operacyjnym (low- lub high-side):
     • Op‑amp porównuje VRsense z Vref (np. 50–100 mV), steruje bramką tak, aby VRsense = Vref.
     • Zalety: małe straty na Rsense, wysoka precyzja, łatwa regulacja Ilimit potencjometrem lub DAC.
     • Wymaga kompensacji (mały C w pętli) i uwzględnienia zakresu wspólnego wejść (szczególnie dla pomiaru high‑side).
  3. Kontrolery e‑fuse / hot‑swap (high‑side, zewn. N‑MOSFET):
     • Zawierają wzmacniacz prądowy, soft‑start bramki, foldback, czasowy „blanking”, często latched‑off po zwarciu.
     • Najłatwiejsza droga do bezpiecznego, powtarzalnego projektu z ochroną SOA i inrush.

• High‑ vs low‑side:

  • Low-side (N‑MOS w masie): prostszy, ale „podnosi” potencjał masy obciążenia (może przeszkadzać w systemach pomiarowych/komunikacyjnych).
  • High-side: P‑MOSFET (prosty, większe RDS(on)) lub N‑MOSFET + driver nadnapięciowy; preferowany dla małych strat i lepszej SOA.

• SOA (Safe Operating Area): krytyczny punkt dla ograniczników prądu. MOSFET w trybie liniowym bywa „zabójczy” dla nowoczesnych tranzystorów trench (zjawisko Spirito).

  • Zawsze sprawdź wykres DC SOA dla czasu, w którym MOSFET ma utrzymać ograniczenie (DC lub ms).
  • Do trybu liniowego wybieraj MOSFET-y z deklarowaną pracą liniową („linear mode”) lub stosuj kontroler, który skraca czas energii (foldback/wyłączenie).

• Kompensacja i stabilność:

  • Szeregowy rezystor bramkowy 47–470 Ω, niewielki kondensator kompensacyjny (np. 100 pF–1 nF) w pętli op‑ampa lub C Miller między wyjściem a wejściem odwracającym.
  • RC w torze sense (np. 10–100 Ω + 1–10 nF) filtruje szpilki.

• Indukcyjne obciążenia i transjenty:

  • Dla obciążeń indukcyjnych konieczna ścieżka rozładowania energii: dioda swobodnego przepływu (low‑side), TVS lub snubber (high‑side).
  • Zabezpiecz bramkę diodą Zenera (np. 12–15 V) przed przepięciami VGS.

• Przykład obliczeń (12 V, Ilimit = 3 A, low‑side, wersja precyzyjna z op‑ampem):

  • Załóż Vref = 50 mV → Rsense = Vref / Ilimit = 0,05 / 3 ≈ 16,7 mΩ (rezystor 4‑terminal, 1% lub lepszy).
  • Strata na shuncie: P ≈ I²R = 3²·0,0167 ≈ 0,15 W → wybierz ≥1 W (z zapasem).
  • Zwarcie: P_MOSFET ≈ Vin·Ilimit = 12·3 = 36 W. Sprawdź DC SOA dla 36 W i przewidywanego czasu (np. 100 ms/1 s/DC).
  • Temperatura złącza: Tj ≈ Ta + P·(RθJC + RθCS + RθSA). Dla 36 W i docelowego Tj < 125°C dobierz radiator (np. RθSA ~ 2–3 K/W, zależnie od RθJC i przepływu powietrza).
  • Kompensacja: Rg = 100 Ω; w pętli op‑ampa Cc = 220 pF równolegle do R sprzężenia.

Aktualne informacje i trendy

• W praktyce projektowej dominują dziś kontrolery high‑side (e‑fuse/hot‑swap) z funkcjami: soft‑start, ograniczenie prądu z foldback, detekcja zwarcia w µs, latched‑off, monitorowanie napięcia i prądu.
• Nowe układy upraszczają wymagania wobec MOSFET‑a, ograniczając czas pracy liniowej oraz zarządzając energią w zwarciu, co poprawia niezawodność.
• W pomiarze prądu powszechne są wzmacniacze shunt o małym przesunięciu (np. rodziny INA/AD/LT) umożliwiające dokładny high‑side sensing przy 10–50 mV.

Wspierające wyjaśnienia i detale

• Ustawienie progu:
  • Układ BJT: Ilimit ≈ 0,6…0,7 V / Rsense.
  • Układ z op‑ampem: Ilimit = Vref / Rsense; Vref z dzielnika lub z precyzyjnego źródła odniesienia.
• Foldback: redukuje prąd zwarciowy poniżej prądu nominalnego, obniżając moc: dla Vout < Vfold ustaw I ≈ k·(Vout/Vfold)·Ilimit, a dla Vout → 0 A → kilka–kilkanaście % Ilimit.
• Rozruch/inrush: miękki start bramki (kondensator do bramki) ogranicza prąd ładowania pojemności obciążenia.

Aspekty etyczne i prawne

• Bezpieczeństwo: zapewnij, aby w scenariuszu zwarcia elementy nie przekraczały Tj i mocy – unikniesz ryzyka pożaru/uszkodzeń.
• Zgodność: dla sprzętu komercyjnego rozważ normy typu IEC/UL 62368‑1 (IT/AV), IEC 61010 (aparatura), normy motoryzacyjne (ISO 7637, ISO 16750), kolejowe/lotnicze – wymagają odpowiednich marginesów i testów zwarciowych.
• EMC: strome krawędzie bramki i prądy zwarciowe generują EMI – prowadź pętle prądowe krótko, filtrowanie na wejściu, TVS.

Praktyczne wskazówki

• Rsense: stosuj rezystory pomiarowe niskoomowe „4‑terminal/Kelvin”, umieszczaj blisko MOSFET‑a, prowadź oddzielnie ścieżki sense.
• MOSFET: wybieraj elementy z podanym liniowym SOA; unikaj „tylko niskiego RDS(on)” bez danych SOA.
• Op‑amp: wybierz wejściowy common‑mode i CMRR zgodnie z położeniem shunta; dla high‑side często lepszy wzmacniacz prądowy (INA/LTC/AD).
• Kompensacja: zacznij od Rg 100–220 Ω, Cc 100–470 pF; testuj na obciążeniu dynamicznym.
• Termika: przewidź najgorszy przypadek (zwarcie DC), ustaw timer/termikę lub foldback, jeżeli SOA DC nie jest spełnione.

Ewentualne zastrzeżenia lub uwagi dodatkowe

• Tryb liniowy bywa nieefektywny energetycznie; jeśli to możliwe, rozważ ograniczanie energii (czasowe odcięcie) zamiast długotrwałego ograniczania prądu DC.
• P‑MOSFET high‑side jest prosty, ale ma zwykle większe RDS(on) i gorszą SOA niż N‑MOSFET sterowany driverem nadnapięciowym.
• Układ BJT+MOSFET jest tani, ale ma słabą stabilność temperaturową i powtarzalność progu.

Sugestie dalszych badań

• „Hot‑swap/e‑fuse controllers” i „linear mode MOSFET SOA” – omówienia projektowe i noty aplikacyjne.
• Wzmacniacze do pomiaru prądu high‑side (rodziny INA/AD/LT) – wybór ze względu na pasmo, offset, zakres CM.
• Metody testów zwarciowych i inrush (prądy udarowe) oraz techniki pomiaru temperatury złącza.

Krótkie podsumowanie

• Ogranicznik prądu na MOSFET można zbudować prosto (BJT+MOSFET), precyzyjnie (op‑amp + Rsense) lub „bezpiecznie i szybko” (kontroler e‑fuse/hot‑swap).
• Najważniejsze: prawidłowy SOA MOSFET‑a, chłodzenie, kompensacja pętli i odpowiednie zabezpieczenia przeciwprzepięciowe.
• Podaj proszę parametry aplikacji: Vin (min/max), Ilimit, rodzaj obciążenia (rezystancyjne/indukcyjne/pojemnościowe), high‑ czy low‑side, wymagania dot. dokładności i czasu reakcji oraz ograniczenia termiczne – przygotuję konkretny schemat z wartościami elementów.