[LittleIronMan 0]

Прошу прощения за много букв, нуждаюсь в надежном схемотехническом решении, поэтому описываю не только саму задачу, но и весь её контекст, быть может я принципиально думаю не в той области.

Есть большая плата со множеством разъемов. Далее будем называть её "платой тестирования", или просто "тестером".
В эту плату вставляются другие мелкие платы разного рода(будем называть их "модулями"): разного напряжения импульсные блоки питания, аудиоусилители, raspberry pi, светодиодные блоки и проч.
Когда модули вставляется в плату(не все сразу, бывает и по-одному) - тестер, через ключи(p-канальные полевые транзисторы в верхнем плече цепи питания каждого модуля, IRLML6402, sot-23, макс. ток 3.7А) подает на них нужное им напряжение питания, и запускается программа тестирования, проверяющая что у модулей нет КЗ, ожидаемое выходное напряжения(для ИБП), с "умными" модулями "разговаривает" по uart, spi и проч.

Тестер запитан от внешнего блока питания на напряжение 12 вольт, ток 2 ампер, есть фильтрующий конденсатор приличной емкости(1000мкф) это важно.
У некоторых модулей на входе стоит электролит. Возмем к пример модуль импульсного БП со входным напряжением 8-15 вольт, электролит на входе 470мкф, максимальный выходной ток нагрузки - 1.5А.
В момент открытия ключа, от электролита тестера к электролиту модуля происходит бросок тока. Эксперементально измерить не удалось, но при ESR каждого конденсатора ~0.1ом и сопротивлении дорожек ~0.1ом получим ток 12/0.3 = 36А на время ~0.7мс. Допускаю что преувеличил.

Максимальный пиковый ток который могжет выдержать вышеупомянутый ключ по ДШ составляет 22А. Правда не нашел на какое время "дозволен" такой всплеск. Видать ограничение только по мощности.
В любом случае - или нагрузка на ключ будет или превышена, или на грани с этим, в рулетку играть не хочется.

Выход из ситуации напрашивается таким: чтобы не ставить индуктивность рядом с каждым ключом, хочется на самой тестовой плате реализовать ограничение выходного тока от электролита, и бонусом ограничивать ток при КЗ.
Подчеркиваю, что не такую защиту от КЗ, которая просто будет разрывать цепь, а именно ограничитель бросков, т.е. при скачке тока более 3-х ампер, он "обрежется" до ~3-х ампер, а в штатном режиме будет полностью открытым ключом с низким сопротивлением.
Как вы уже поняли, я намекаю на использование полевого ключа в качестве ограничителя, осталось только допилить к нему драйвер.

Небольшой флешбэк. Когда-то давно был опыт реализации стабилизатора тока на биполярных транзисторах, правда "тогда" шунт был в цепи "минуса", а сейчас он на "плюсе" питания. Адаптировав его под данную ситуацию получил такую схему:

На этой схеме:

• U2 (INA193) - монитор тока с коэффициентом усиления =20 и подавлением синфазной составляющей. Измеряет падение напряжения на шунте в верхней цепи, вычитает синфазную составляющую и умножает. Точность не нужна, поэтому подходит в самый раз.
• U1 (LM258) - ОУ в роли компаратора, сравнивает выход монитора тока с ИОН 3.3 вольта. При превышении тока на шунте 3.3V / (0.1ом * 20) ~= 1.65А стремится закрыть силовой ключ.
• Q2 и Q4 - транзисторная сборка в роли силового ключа
• Q3 - тот самый ключ, который будет подавать напряжение на модуль. В данной модели открывается через 1мс после старта.
• R2 - нагрузка модуля, подогнал под 1.5А
• R7 - некоторая нагрузка самой тестовой платы, мозги например и несколько лампочек, взял с потолка

А вот результаты симуляции:

• Желтый график - ток через силовой ключ
• Синий - напряжение на выходе компаратора
• Оранжевый - напряжение заряда на конденсаторе
• Красный - падение напряжения на ключе

Не смотря на то что данная схема выполняет задачу ограничения бросков тока, огромный её минус в том что в штатном режиме(без бросков) на силовом биполярном ключе происходит приличное падение напряжения(2.8 вольт). Там не обойтись без радиатора, а хотелось бы.

 

Идем дальше:

Вот что у меня получилось, если заменить силовой ключ на p-канальный полевик и поменять местами входы компаратора.

Также в схему добавлена дроссель, из-за того что после открытия ключа Q3 ключ Q2 не успевает также мнгновенно среагировать и закрыться и "пропускает" бросок тока.

Соответствующие графики:

Ядовито-зеленым на правом графике отображается напряжение на затворе ключа.

Вроде все работает как надо. Однако терзают смутные сомнения, сильно. Корректно ли вообще так делать защиту по току? Может полевые ключи для этого совсем не подходят? Может я в схеме не учел что-то принципиально важное?

[Corvus 1]

Может лучше использовать специализированную микросхему high-side power switch? Там и плавное открытие ключа, контроль тока, защита от КЗ и прочие прелести. ИМХО, для тестового стенда это будет лучший вариант.

[LittleIronMan 0]

9 minutes ago, Corvus said:

Может лучше использовать специализированную микросхему high-side power switch? Там и плавное открытие ключа, контроль тока, защита от КЗ и прочие прелести. ИМХО, для тестового стенда это будет лучший вариант.

Даже не знал о их существовании, хотя нутро подсказывало. Загуглил сейчас несколько, BSP772T кажется подходит по току, и доступность вроде неплохая

[1113 5]

2 hours ago, LittleIronMan said:

через ключи(p-канальные полевые транзисторы в верхнем плече цепи питания каждого модуля, IRLML6402, sot-23, макс. ток 3.7А) подает на них нужное им напряжение питания

вот этот кусок схемы покажите

если это пример схемы ключа сейчас, то доработайте его следующим образом:



номинал нового резистора нужно связать с номиналом R8 так, чтобы делитель R8-Rновый уверенно открывал транзистор Q3
номинал Cновый совместно с Rновый образуют времязадающую цепочку, на которое "растягивается" включение ключа от состояние полностью выключено до состояния полностью включено

если вы зададите максимальную ёмкость нагрузки и максимальный ток при включении ключа вы сможете рассчитать время включения ключа

[LittleIronMan 0]

26 minutes ago, 1113 said:

вот этот кусок схемы покажите

На 2-х представленных выше схемах ключ Q3 заменен на IRLML9303, но подразумевается IRLML6402, т.к. последнего нет в мультисиме из коробки. Резистор R2 это нагрузка модуля, а C1 - его входная емкость. Или вы хотели видеть схему самого модуля?

(пардон, не увидел ответ целиком)

Изменено 18 декабря, 2019 пользователем LittleIronMan

[1113 5]

и полностью удалите из схемы всё, что до R7

[LittleIronMan 0]

1 hour ago, 1113 said:

если вы зададите максимальную ёмкость нагрузки и максимальный ток при включении ключа вы сможете рассчитать время включения ключа

Есть забавный момент. Я уже задавал подобный вопрос о бросках тока на другом форуме. Только на тот момент я также хотел поставить токоограничение на каждый ключ, а сейчас хочу поставить ограничитель на весь всю цепь питания платы тестера.

Вот ссылка на конкретное сообщение, в котором я протестировал ключ в качестве одиночного рассеивателя мощности при броске. Вопрос о том, сможет ли рассеять ключ такую мощь остался открытым. Лично я придерживаюсь того, что нельзя заставлять маленький ключик так потеть.

В заключение того топика мне дали совет ставить ограничитель в цепь питания, а не на каждый ключ, что мне тоже кажется логичным, учитывая что теперь я знаю о существовании "интеллектуальных ключей". Теперь же советуют наоборот.

Правда на той модели "плавное" открытие ключа реализовано с помощью высокоомного резюка в затворе, схема с RC-фильтром даст принципиально другие результаты?

[1113 5]

все ваши плавные варианты сведутся на нет из-за изменений параметров ключевого транзистора. даже в течении нескольких минут из-за изменения температуры. в моей схеме влияние транзистора отсутствует, и время зависит только от RC

допустимая мощность рассеивания транзистора параметр известный. допустимый ток через транзистор параметр известный. вам осталось только рассчитать за какое время необходимо зарядить конденсатор нагрузки

 

U = I / C * t

если не знаете как заменить "интеллектуальный ключ" кучкой транзисторов, резисторов и конденсаторов, - нужно использовать ключ

[Garmin 0]

Ограничитель тока желательно делать в составе стабилизатора выходного напряжения. Тогда регулирующий транзистор, работающий в активном режиме, успеет адекватно отреагировать на скачок потребляемого тока.

А в вашем решении есть один неустранимый недостаток: коммутирующий транзистор, работающий в режиме насыщения. Пока разрядится ёмкость затвора до перехода в активный режим, импульс тока не контролируется.

Также ваши датчики тока находятся вне петли обратной связи стабилизатора питания и добавляют выходное сопротивление и падение напряжения на выходе.

Существуют интергальные решения от AD, но они дороги. Посмотрите схемы лабораторных блоков питания с ограничением выходного тока, это будет оптимальный вариант.

[Dormidont 0]

Я применял LM5069 Positive High-Voltage Hot Swap and In-Rush Current Controller With Power Limiting

[UnDerKetzer 0]

Если вопрос рассматривать с практической стороны, то рекомендую  подумать о решении с двумя ключами, один из которых запитывает нагрузку в начальный момент времени через последовательный резистор, ограничивая inrush current. Обычный pre-charge circuit. 

Это будет самым не элегантным, дубовым,  но простым и дешевым решением.