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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Kniffliges Problem bei PMOS Treiber Stufe mit Uds = -24V. Wie Ugs auf 12V begrenzen?


Autor: Rapunzel (Gast)
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Hallo Leute,

ich habe ein kniffliges Problem beim Schalten von High-Side PMOS. Dieser 
liegt an einer Spanung von 24V. Die folgende Schlatung habe ich als 
Ansatz genommen, da ich mit einer schnellen PWM (ca. 20kHz-100kHz) den 
PMOS ansteuern will.
http://www.mikrocontroller.net/attachment/7584/p-channel.jpg

Mein Problem liegt jetzt an der Gate-Source-Spannung, die beim 
Durchschalten 24V betragen würde und das für die meisten MOSFETs zu viel 
ist.
Ich habe hier im Forum auch schon nach einer Lösung gesucht und bin hier 
drauf gestoßen:
Beitrag "Re: Wie Ugs (p-FET) sinnvoll begrenzen?"

Diese Schaltung hat aber soweit ich das beurteilen kann einen Nachteil, 
es fließt immer ein Strom über Q2. Bei Q1 und Q2 bin ich mir nicht 
sicher ob dort auch nicht unnötig Strom verbraucht wird. Besonders bei 
DC=100%...???

Daher wäre mir die Schaltung aus dem ersten Link lieber. Aber das geht 
ja nicht wegen der zu hohen Ugs. :-(
N-MOS kommt nicht in Frage da ich noch Tachosignale etc. auswerten 
möchte.

Wer kann mir helfen?

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Bei der zweite Schaltung fließt sogar noch weniger Strom als bei der 
ersten, da diese als Stromquelle arbeitet. Nimm also die zweite, die 
funktioniert.

Autor: Rapunzel (Gast)
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Hallo Benedikt,

kannst du mir das genauer erklären? Vielen Dank.

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Hast du dir mal den von dir geposteten Thread durchgelesen? Da ist 
eigentlich die Schaltung genau beschrieben.
Falls ja, dann beschreib mal genau wo du was nicht verstehst.

Autor: Rapunzel (Gast)
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Naja ich verstehe einfach nicht genau wie groß man den Strom durch Q2 
demensionieren muss. ? Im Artikel wurde einfach mal mit 13mA gerechnet. 
Könnte ich da nicht einfach die Wiederstände an 1mA oder weniger 
dimensionieren?
Weiterhin verstehe ich nicht wiso die erste Schaltung mehr Strom 
verbraucht.

Autor: Fabian B. (fabs)
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Ja kannst du. Aber du musst um den Fet aufzusteuern ja dessen Kapazität 
am Gate umladen. Das dauert mit 1mA logischerweise ca 15 mal so lang wie 
mit 15mA. Ob das immernoch reicht, liegt an deiner Schaltfrequenz und 
dem Strom, da wärend des Schaltens ja die Hauptverluste entstehen.
Schau dir mal im DB des FET den Wert "Total Gate Charge" an. Dieser ist 
in nC angegeben. Grob kann man sagen:
Total Gate Charge * Umladestrom = Umladezeit
also
1nC * 1A = 1ns oder auch 1nC * 1mA = 1µs

da ein Powerfet aber locker mal 170nC hat geht dann die mögliche 
Schaltgeschwindigkeit schnell den Bach runter.

Gruß
Fabian

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Rapunzel (Gast)

>Naja ich verstehe einfach nicht genau wie groß man den Strom durch Q2
>demensionieren muss. ?

Kommt auf den MOSFET an.

>Im Artikel wurde einfach mal mit 13mA gerechnet.
>Könnte ich da nicht einfach die Wiederstände an 1mA oder weniger
>dimensionieren?

Sicher. Nur hat man dann weniger Strom für den MOSFET am Gate, sprich, 
der Umschaltvorgang dauert länger. Kommt auf den Typ an.

>Weiterhin verstehe ich nicht wiso die erste Schaltung mehr Strom
>verbraucht.

Die braucht sogar RICHTIG Strom, wenn T2 durchgeschaltet ist. Denn dann 
wird der Emitter von T1 auf ~1V gezogen (Sättigungsspannung von T2 + 
Diode). D.H. T1 bekommt über R1 ca. 10V/1k = 10mA Basistrom. Macht bei 
Stromverstärkung von 100 mal locker 1A. Autsch!

Die Schaltung ist einfach Schrott!

MFG
Falk

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Die Dimensionierung der Widerstände ist nicht so einfach, da diese von 
vielen Faktoren abhängt (u.a. den Schaltgeschwindigkeiten der 
Transistoren, sowie deren Stromverstärkung, der Gateladung der Mosfets 
usw.).
Mehr Strom bedeutet eine schnellere Schaltzeit, aber auch ein höherer 
Stromverbrauch und umgekehrt.
In der Praxis läuft das ganze daher meist auf einen Kompromiss aus 
Schaltzeit und Stromverbrauch hinaus.
Die 13mA sind also ein guter Mittelwert. Die Schaltung funktioniert mit 
0,1mA oder auch mit 50mA, nur die Schaltzeiten werden dann entsprechend 
größer/kleiner, der genaue Wert ist also unkritisch, solange die 
Rahmenbedingungen wie Schaltzeiten, Verlustleistungen usw. erfüllt 
werden.
Die Widerstände kann man dann anhand des Stromes wie hier berechnen:
Beitrag "Re: Wie Ugs (p-FET) sinnvoll begrenzen?"


Falk Brunner schrieb:
> Die braucht sogar RICHTIG Strom, wenn T2 durchgeschaltet ist. Denn dann
> wird der Emitter von T1 auf ~1V gezogen (Sättigungsspannung von T2 +
> Diode). D.H. T1 bekommt über R1 ca. 10V/1k = 10mA Basistrom. Macht bei
> Stromverstärkung von 100 mal locker 1A. Autsch!
>
> Die Schaltung ist einfach Schrott!

Du liegst falsch: T2 zieht die Basis von T1 auf Masse, somit ist T1 aus, 
dann fließt garnix mehr außer dem Strom durch R1.
Prinzipiell funktioniert die Schaltung also schon, nur eben ist die 
andere durch den konstanten Strom und die Spannungsbegrenzung dadurch 
besser.

Autor: Rapunzel (Gast)
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Also ich will als PMOS den FD658AP verwenden, der hat eine Gatekapazität 
von max 8,1nC.
Stimmt meine Beispiel Berechnung:

PWM=20kHz
Aflösung 8Bit

->Anstiegszeit muss sein Pulsweite geteilt durch Auflösung (=kleinste 
Pulsweite) geteilt durch zwei (Anstieg und Abfall)
= 1/( 20kHz * 2^8 *2) = 48ns

I= Q/t = 8,1nC / 48ns = 165mA
Wobei man die Anstiegszeit noch etwas kleiner wählen sollte um bei der 
kleinsten Pulsweite keine Spikes zu bekommen. ?

Muss dieser Strom durch Q2 fießen? Wo wäre dann die Stromverstärkung von 
Q1 und Q2? Also da haberts noch etwas beim Verständnis. Sorry.

@Falk

Die Schaltung 2 steht sogar in einem Fachbuch drin (analog zu NMOS 
Ansteuerung)
http://www.amazon.de/Elektronische-Bauelemente-Fun...

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Rapunzel schrieb:

> Muss dieser Strom durch Q2 fießen?

Nein, Q2 muss nur den Basisstrom liefern. Durch Q1 und Q3 fließt der 
Gatestrom (bei dieser Schaltung hier: 
http://www.mikrocontroller.net/attachment/34752/P_FET.png).

> Wo wäre dann die Stromverstärkung von
> Q1 und Q2? Also da haberts noch etwas beim Verständnis. Sorry.

Du meinst Q1 und Q3, oder?

Irgendwo im Bereich von um die 100 je nach Strom.

Es sollten also mindestens 1,6mA fließen.
Da der Spannungsabfall an dem Widerstand aber irgendwo zwischen 0 und 
20V liegt, ist der Strom nicht konstant. Daher dimensioniert man den 
Widerstand etwas kleiner. So um die 10mA sind daher ein guter Wert.
Bei 5V Steuerspannung ergeben sich dann 430 Ohm für R2 und 1,5k für R1.

Autor: Rapunzel (Gast)
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>Du meinst Q1 und Q3 oder?
Ja meine ich, sorry.

>Irgendwo im Bereich von um die 100 je nach Strom.
Du meinst die Stromverstärkung des Tranistors hFE?

>Es sollten also mindestens 1,6mA fließen.
diese müssten doch in die Basen von Q1 und Q3 fließen?

>Da der Spannungsabfall an dem Widerstand aber irgendwo zwischen 0 und
>20V liegt, ist der Strom nicht konstant.
Das verstehe ich jetzt wieder nicht.

Oh man ist gar nicht so einfach... :-(

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Rapunzel schrieb:

>>Irgendwo im Bereich von um die 100 je nach Strom.
> Du meinst die Stromverstärkung des Tranistors hFE?

Ja.


>>Es sollten also mindestens 1,6mA fließen.
> diese müssten doch in die Basen von Q1 und Q3 fließen?

Ja.

>>Da der Spannungsabfall an dem Widerstand aber irgendwo zwischen 0 und
>>20V liegt, ist der Strom nicht konstant.
> Das verstehe ich jetzt wieder nicht.

Wenn der Mosfet voll durchgesteuert ist, sollten an Source-Gate etwa 15V 
anliegen.
Diese Spannung fällt auch an R1 ab. In diesem Fall fließt der maximale 
Strom (15V/10mA -> 1,5k). Sperrt der Mosfet dagegen, liegen an 
Source-Gate 0V an. Daher ist der Strom durch R1 auch 0.
Der Basisstrom liegt also je nach Gatespannung zwischen 0 und 10mA.
Da zum Erreichen der von dir ausgerechneten Schaltzeit aber ein 
konstanter Strom von 165mA notwendig ist, dieser aber nicht immer 
erreicht werden kann, wird der Spitzenstrom etwas größer dimensioniert.

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Nachtrag:
Ein Großteil der Gatecharge entsteht durch die Millerkapazität und die 
ist im Bereich um die 5V wirksam. Bei 5V Gatespannung sollten also die 
165mA Gatestrom, bzw. 1,6mA Basisstrom fließen. Das ergibt rund 2,6kOhm. 
Die 1,5kOhm sind also genau passend.

Autor: Rapunzel (Gast)
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Hallo Benedikt,

soweit habe ich alles verstanden, bis auf folgende Punkte:

Wie kommst du noch mal auf die 10mA die durch R1 fließen? Das will mir 
noch nicht so in en Kopf

Die Stromverstärkung hFE (min) aus dem Datenblatt nehmen um dann den 
Basistrom zu bestimmen. Richtig?
NPN und PNP müssen gleiche hFE haben?
Ich habe gelesen, dass man die Bipolaren Transistoren nicht in die 
Sättigung bringen soll, weil man dann wohl wieder Probleme mit der 
Ansteurung bekommt, da es danach mehr Energie benötigt den Transistor 
wieder aus der Sättigung zu bringen. Für diesen Fall die 
Stromverstärkung nicht zu klein annehmen, also lieber mit hFE min 
rechnen und nicht kleiner annehmen. Richtig?

Wie verhält sich die Gatekapazität bei Ugs > 5V? wird die kleiner oder 
größer? Stimmt dann meine Berechnung für den Spitzenstrom überhaupt 
noch?

Danke für deine Hilfe!

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Rapunzel schrieb:

> Wie kommst du noch mal auf die 10mA die durch R1 fließen? Das will mir
> noch nicht so in en Kopf

Die 10mA habe ich mehr oder weniger willkürlich gewählt. Wie zuvor 
geschrieben, 2,6kOhm solltes es sein, um die Millerkapazität schnell zu 
laden (für 165mA bei 5V), daher den Widerstand nochmal großzügig 
verkleinert um auf der sicheren Seite zu sein, und man ist bei 1,5kOhm. 
Bei 15V Gatespannung sind das die 10mA. Aber wie gesagt: Mit 500 Ohm 
wird die Schaltung ebenso funktionieren wie mit 10kOhm. Nur die 
Schaltzeiten werden entsprechen schneller oder langsamer sein.

> Die Stromverstärkung hFE (min) aus dem Datenblatt nehmen um dann den
> Basistrom zu bestimmen. Richtig?

Ja.
Aber hier muss man beachten, dass die nicht konstant ist. Vor allem da 
hier der Bereich von einigen 100mA Kollektorstrom bis 0 Strom 
durchlaufen wird.

> NPN und PNP müssen gleiche hFE haben?

Müssen nicht unbedingt. Wenn der Mosfet ausgeschaltet wird, fließt 
konstant der durch R2 bestimmte Strom, wenn der Mosfet eingeschaltet 
wird, fließt ein linear mit der Spannung abnehmender Strom. Von daher 
sind die Ein/Ausschaltzeiten sowieo schon unterschiedlich.

> Ich habe gelesen, dass man die Bipolaren Transistoren nicht in die
> Sättigung bringen soll, weil man dann wohl wieder Probleme mit der
> Ansteurung bekommt, da es danach mehr Energie benötigt den Transistor
> wieder aus der Sättigung zu bringen.

Ja. Das ist bei der Schaltung aber eigentlich immer Sichergestellt, denn 
die Basisspannung kann nie größer werden als die Kollektorspannung, 
wodurch eine Sättigung unmöglich ist.

> Für diesen Fall die
> Stromverstärkung nicht zu klein annehmen, also lieber mit hFE min
> rechnen und nicht kleiner annehmen. Richtig?

Ja.

> Wie verhält sich die Gatekapazität bei Ugs > 5V? wird die kleiner oder
> größer? Stimmt dann meine Berechnung für den Spitzenstrom überhaupt
> noch?

Die Gatekapazität ist an sich eine konstante Kapazität. Gibt man einen 
konstanten Strom auf das Gate, steigt die Spannung linear an.
Um 5V rum (je nach Mosfet) wird dieser leitend. Die Drain-Sourcespannung 
beginnt zu fallen. Durch die Drain-Gate Kapazität hat man jetzt quasi 
eine Gegenkopplung: Eine positiver Spannung am Gate führt zu einer 
negativeren Spannung an Drain, was einen negativen Strom ins Gate 
bewirkt, was der Gatespannung entgegen wirkt. Rund um 5V herum steigt 
die Gatekapazität daher scheinbar stark an.
Im Datenblatt gibt es die Angabe total Gate Charge, da ist das schon 
berücksichtigt. Allerdings ist dieser Wert auch nicht konstant, sondern 
ändert sich mit der Spannung. Von daher rechnet man die Werte grob aus, 
und misst dann in der richtigen Schaltung mal nach ob es alles so passt 
wie man es gerne hätte.

Autor: Rapunzel (Gast)
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Gut wäre es ja dann, wenn man den Widerstand R1 frequenzabhängig 
nachbilden könnte. :-)
Also so dass sich der Widerstand automatisch auf die entsprechende PWM 
einstellt.

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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Mein damaliger Post sorgt ja für allerlei Diskussionen ;-)

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Benedikt K. (benedikt) (Moderator)

>Du liegst falsch: T2 zieht die Basis von T1 auf Masse, somit ist T1 aus,
>dann fließt garnix mehr außer dem Strom durch R1.

Uups, stimmt. War wohl gestern nicht so ganz fit 8-0

Mfg
Falk

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