MOSFET-Treiber wird beschädigt

[A. P. (adrian_p)]

Hallo zusammen

Ich versuche mich gerade an einem Brushless-Controller für einen 
Brushless-Motor. Bis vor kurzem hat alles perfekt funktioniert und ich 
konnte den Motor auf relativ hohe Umdrehungszahlen beschleunigen.

Es passiert neulich aber immer wieder, dass MOSFET-Treiber kaputt gehen. 
Ist der Treiber einmal zerstört, scheint er den Strom zwischen GND und 
+12V zu leiten. Es fliessen dort ca 0.5A und der Treiber wird heiss. Ich 
kann auch alle anderen Pins hochbiegen. Es sind nur der +12V und der GND 
Pin involviert.

Da ich mich mit den Treibern nicht so richtig auskenne, fällt es mir 
auch schwer den Fehler zu finden. Liegt es an der Firmware, dem Treiber, 
dem Layout oder habe ich etwas falsch gelötet (obwohl ich das schon 5 
mal kontrolliert habe)? Kennt jemand diesen Fehler?

Vielen Dank für die Hilfe.

Gruss, AP

[Falk B. (falk)]

Dein MOSFET-Treiber kann keine Halbbrücke so ansteuern. Dass es bisher 
scheinbar funktioniert hat, war reines Glück.

[A. P. (adrian_p)]

Falk Brunner schrieb:
> Dein MOSFET-Treiber kann keine Halbbrücke so ansteuern. Dass es bisher
> scheinbar funktioniert hat, war reines Glück.

Was ist denn das Problem? Bzw. was müsste ich ändern damit es geht?

[Bernd K. (bmk)]

Na, da hat Falk wohl nicht so richtig hingeschaut. Passt schon.

Ich habe mit dieser Schaltung (P-MOS oben, N-MOS unten) auch das
Phänomen erlebt, dass im Treiber highside die CMOS Endstufe
schlapp gemacht hat. Die einzige Erklärung, die blieb, ist der
Miller. Hierbei wird im Umschaltmoment über die Gatekapazität
ein kräftiger Impuls rückwärts in den Treiber geschoben.

Letztlich brachte eine anderer Treiber Ruhe in die Geschichte:
http://www.ti.com/lit/ds/symlink/ucc27323.pdf

Die zusätzlichen bipolaren Transistoren im Ausgang des Treibers
haben offensichtlich mitgeholfen, die bösen Impulse zu entschärfen.

[Falk B. (falk)]

@  Bernd K. (bmk)

>Na, da hat Falk wohl nicht so richtig hingeschaut. Passt schon.

Jain.

>Ich habe mit dieser Schaltung (P-MOS oben, N-MOS unten) auch das

Ok, das hab ich übersehen, aber der P-Kanal ist verpolt im Schaltbild, 
darum dachte ich auch, es sind zwei N-Kanal MOSFETs.

[A. P. (adrian_p)]

Vielen Dank Bernd K.! Das Problem ist nur, dass dieser Treiber in der 
Schweiz gerade nicht verfügbar ist.

Du kennst nicht zufälligerweise einen anderen Treiber, der dieses 
Problem lösen würde? Oder gibt es eine andere Möglichkeit dies zu 
korrigieren? Wenn ich das richtig verstanden habe, würde dann nicht eine 
einfache Diode dieses Problem beseitigen?

Und tut mir leid für den spiegelverkehrten P-MOSFET. Ich hab vergessen 
ihn mit Target umzudrehen.

Vielen Dank aber für deine Hilfe.

Gruss, AP

[Bernd K. (bmk)]

Der LM5111-2M wäre evtl. noch eine Möglichkeit.

http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm5111.pdf

Ausgang etwas unsymmetrisch bezüglich Source/Sink und nur bis 14V.
Dafür Compound Ausgang und bei Distrelec erhältlich.

[Jürgen (jliegner)]

Der MCP146E ist mit 2/9A spezifiziert. Wenn die Gate-Widerstände 
wirklich 220Ohm sind und die Betriebsspannung 12V, dann frage ich mich 
was da für Spannungsspitzen zusammenkommen müssen um den Treiber zu 
zerstören. Hier ist irgendwas faul und ich würde mich nicht darauf 
verlassen wollen, dass ein anderer Treiber das überlebt.

[A. P. (adrian_p)]

Bernd K. schrieb:
> Der LM5111-2M wäre evtl. noch eine Möglichkeit.
>
> http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm5111.pdf

Ich benötige leider einen Driver mit DIP. Eine Frage: Würde dieser 
(TPS2811P) auch funktionieren? Da ich zu viele MCP14E6 zerstört habe, 
muss ich diese sowieso ersetzen. Es ist nur wichtig, dass derjenige auch 
mit meiner Schaltung kompatibel ist.

http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tps2812.pdf

Jürgen Liegner schrieb:
> Der MCP146E ist mit 2/9A spezifiziert. Wenn die Gate-Widerstände
> wirklich 220Ohm sind und die Betriebsspannung 12V, dann frage ich mich
> was da für Spannungsspitzen zusammenkommen müssen um den Treiber zu
> zerstören. Hier ist irgendwas faul und ich würde mich nicht darauf
> verlassen wollen, dass ein anderer Treiber das überlebt.

Da hast du wohl recht. Es gibt auch einige Dinge, die nicht ins Bild 
passen. Auch ist es seltsam, dass meistens der unterste der drei 
MOSFET-Treiber zerstört wird. Hast du denn eine Idee, was es sein 
könnte? Ich bin mit meinem Latein ansonsten ziemlich am Ende.

Gruss, AP

[SCR (Gast)]

SCR-Latch-Up?

[A. P. (adrian_p)]

SCR schrieb:
> SCR-Latch-Up?

Hmmm... Ich bin mir nicht sicher ob ich genau verstanden habe was das 
ist. So werden doch die internen CMOS-FETs des Drivers beschädigt?

Wichtiger ist jedoch die Frage, was man dagegen tun kann, bzw. wie das 
zustande kommt?

Gruss, AP

[Bro (Gast)]

Warum hast du die Enable-Pins direkt mit 5V verbunden, und icht - wie 
auch im Datenblatt vorgeschlagen - mit einem Pull Up-Widerstand 
versehen?

Dann verstehe ich nicht, warum du zwischen IN A und GND einen 22k 
Widerstand hast, IN B aber direkt zum µC geht?
"Note 1: Unused inputs should be grounded."

Dann wäre es noch interessant zu wissen, was du für eine 
Layout-Strategie im Bezug auf die Stromführung vorgenommen hast. Sowohl 
deine Brücke als auch dein Treiber verwenden 12V. Daher sollte die 
Führung zuerst zum Treiber dann zur Brücke. 100nF am Treiber selbst sind 
zwar schön um "naja wir blocken mal irgend welche HF ab", da sollte aber 
noch ne wesentlich größere Pufferkapazität ran. Genau wie an die Brücke.

Ich gehe aber mal davon aus, dass meine Anmerkungen lediglich in deinem 
Schaltplan nicht eingezeichnet wurden und in der Realität aber vorhanden 
sind.

[A. P. (adrian_p)]

Bro schrieb:
> Warum hast du die Enable-Pins direkt mit 5V verbunden, und icht - wie
> auch im Datenblatt vorgeschlagen - mit einem Pull Up-Widerstand
> versehen?

Die Enable-Pins müssen einfach ständig auf 5V gezogen werden. Wie ist 
meiner Meinung nach doch egal. Der Pull Up-Widerstand würde nur 
Verwendung finden, wenn Enable z.B. an den mC führen würde.

Bro schrieb:
> Dann verstehe ich nicht, warum du zwischen IN A und GND einen 22k
> Widerstand hast, IN B aber direkt zum µC geht?
> "Note 1: Unused inputs should be grounded."

Zuerst mal: kein Input ist 'unused', somit fällt diese Note schon mal 
weg. IN A ist ge-pull down-t, weil der MOSFET nur mit einem Potential 
von 0V wirklich geschlossen ist. IN B benötigt hingegen 5V um zu 
schliessen, welche sofort nach dem Reset bereitgestellt werden.

Bro schrieb:
> Dann wäre es noch interessant zu wissen, was du für eine
> Layout-Strategie im Bezug auf die Stromführung vorgenommen hast. Sowohl
> deine Brücke als auch dein Treiber verwenden 12V. Daher sollte die
> Führung zuerst zum Treiber dann zur Brücke. 100nF am Treiber selbst sind
> zwar schön um "naja wir blocken mal irgend welche HF ab", da sollte aber
> noch ne wesentlich größere Pufferkapazität ran. Genau wie an die Brücke.

Siehe Bild. Schwarz = GND, Braun = +12V, Gelb = +5V. Und dass ein 
Kondensator fehlt, habe ich mir schon gedacht. Aber meiner Meinung nach 
müsste dies doch nicht die Ursache für das Zerstören der Treiber sein, 
oder?

Bro schrieb:
> Ich gehe aber mal davon aus, dass meine Anmerkungen lediglich in deinem
> Schaltplan nicht eingezeichnet wurden und in der Realität aber vorhanden
> sind.

Heisst das, dass du unter diesen Bedingungen einen 
Lösungsvorschlag/Vermutung bezüglich des Problems hast?

Gruss, AP

[Bro (Gast)]

Also ich habe es schon erlebt, dass ein solcher Treiberbaustein in 
irgend einen undefinierten Zustand geht, weil seine Spannungsversorgung 
zusammen gebrochen ist.

Hier hat mal einer ne Zundung für Gasentladungslampen entwickelt, der 
hat die Versorgungsspannung zuerst an die Leistungsstufe geführt und 
danach an den Treiber. Beides selbstverständlich nicht ausreichend 
gepuffert. Ergebnis war, dass die komplette Vollbrücke regelmäßig 
kurzgeschlossen war, weil der Treiber in irgendwelche undefinierten 
Zustände gegangen ist und es dann vorkommen konnte, dass alle 
Transistoren geöffnet wurden.

Mangow W. schrieb:
> Zuerst mal: kein Input ist 'unused', somit fällt diese Note schon mal
> weg. IN A ist ge-pull down-t, weil der MOSFET nur mit einem Potential
> von 0V wirklich geschlossen ist. IN B benötigt hingegen 5V um zu
> schliessen, welche sofort nach dem Reset bereitgestellt werden.

Ich vermute mal, dass das eine Frage des Glaubens ist, aber ich verwende 
generell IMMER Widerstände, um die Eingänge auch bei fehlendem µC o.ä. 
auf das benötigte Potenzial zu ziehen. Sprich: Bei deinem IN A den Pull 
Down und in B einen Pull Up.

Mangow W. schrieb:
> Die Enable-Pins müssen einfach ständig auf 5V gezogen werden. Wie ist
> meiner Meinung nach doch egal. Der Pull Up-Widerstand würde nur
> Verwendung finden, wenn Enable z.B. an den mC führen würde.

Auch bei solchen Sachen spendiere ich Generell einen Widerstand. Allein 
um sicherzustellen, dass der Stromfluss in das IC nicht zu groß wird. 
Vermutlich auch eine Glaubensfrage.

[SCR (Gast)]

Mangow W. schrieb:
> SCR schrieb:
> > SCR-Latch-Up?
> >
> > Hmmm... Ich bin mir nicht sicher ob ich genau verstanden habe was das
> > ist. So werden doch die internen CMOS-FETs des Drivers beschädigt?


http://www.analog.com/library/analogDialogue/archives/35-05/latchup/index.html

[A. P. (adrian_p)]

Bro schrieb:
> Hier hat mal einer ne Zundung für Gasentladungslampen entwickelt, der
> hat die Versorgungsspannung zuerst an die Leistungsstufe geführt und
> danach an den Treiber. Beides selbstverständlich nicht ausreichend
> gepuffert. Ergebnis war, dass die komplette Vollbrücke regelmäßig
> kurzgeschlossen war, weil der Treiber in irgendwelche undefinierten
> Zustände gegangen ist und es dann vorkommen konnte, dass alle
> Transistoren geöffnet wurden.

Okay ich werde morgen gleich versuchen mit Kondensatoren dem Problem 
entgegen zu wirken.

Bro schrieb:
> Sprich: Bei deinem IN A den Pull
> Down und in B einen Pull Up.

Aus Platzgründen wird das eher schwierig werden. Aber ich werde eine 
Endstufe mal separat aufbauen und das dort probieren. Obwohl ich das IN 
A-Signal schon mit dem Oszilloskop überwacht habe. Resultat: perfekte 
Signale.

Bro schrieb:
> Auch bei solchen Sachen spendiere ich Generell einen Widerstand. Allein
> um sicherzustellen, dass der Stromfluss in das IC nicht zu groß wird.
> Vermutlich auch eine Glaubensfrage.

Ich habe heute neue MOSFET driver erhalten. Diese besitzen keine 
ENB-Pins mehr, somit hat sich das erledigt.

SCR schrieb:
> SCR-Latch-Up?

Nach deinem Link gibt es drei Quellen für Latch-Ups:
- Versorgungsspannung überschreitet Maximum
- IN/OUT überschreiten die zugelassene Spannung
- Multiple Power Supplies

Die Versorgungsspannung überschreitet das Maximum nicht, das habe ich 
geprüft. Der Driver verfügt auch nur über einen Power Supply. Was eher 
sein könnte ist, dass auf OUT die Spannung kurzzeitig ausbricht, wie im 
Text beschrieben: 'this could occur as a result of spikes or glitches on 
input or output channels.' Da IN bestimmt nicht über 12V angehoben wird 
(sonst wäre der mC schon längstens verraucht), denke ich, dass OUT das 
Problem ist. Somit wären wir jedoch wieder bei Miller, wie am Anfang 
bereits erwähnt oder liege ich da falsch?

Vielen Dank, AP

[SCR (Gast)]

A. P. schrieb:
> Somit wären wir jedoch wieder bei Miller

Genau. Dadurch wird der "Thyristor" gezündet.

[Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)]

A. P. schrieb:
> Nach deinem Link gibt es drei Quellen für Latch-Ups:
> - Versorgungsspannung überschreitet Maximum
> - IN/OUT überschreiten die zugelassene Spannung
> Die Versorgungsspannung überschreitet das Maximum nicht, das habe ich
> geprüft.

Ich bewundere deinen Optimismus. Allerdings sind Motore aus 
Induktivitäten gebaut, die beim Abschalten eine schöne Spitze erzeugen, 
die über die Bodydioden der FETs zur Betriebsspannung abgeleitet werden. 
Dadurch entsteht dort ein nettes Gemisch von Spitzen. Den 
interessantesten Teil der Schaltung (nämlich die Siebung, Pufferung und 
Aufbereitung der Betriebsspannung) hast du ja nicht gezeichnet. Mein Tip 
wäre also, mal im laufenden Betrieb ein Oszi an Vcc zu halten und auch 
mit ESR festen Elkos zu sieben.
Der direkte Anschluss von Kontrolleingängen an Vcc wurde schon immer 
verpönt, weil eben Spitzen schnell mal die Eingänge beschädigen können. 
Also, wenn da Pullup steht, auch einen Widerstand nehmen.

[Mod (Gast)]

A. P. schrieb:
> Foto_11.07.12_13_15_29.jpg

Die Größe der Bilddatei ist mal wieder rekordverdächtig. Mehrere MB für 
einen Haufen rauschender Pixel. Meinst du, dass das Rauschen deiner 
Kamera irgendjemand interessiert?

[A. P. (adrian_p)]

Hallo zusammen zu einer neuen Woche.

Ich habe mittlerweile trotz etlicher Mühen mit Farnell endlich mehr 
MOSFET-Treiber bestellen können. Da es sich als sehr schwierig erwies 
passende MOSFET-Treiber zu guten Preisen zu finden entschied ich mich 
auf einige eurer Ratschläge hin wieder zum MCP14E6 in der festen 
Überzeugung den Fehler mit einem guten Layout zu beseitigen.

Während der Lieferzeit habe ich schonmal einen zweiten 
Brushless-Controller aufgebaut den ich schlussendlich eh brauchen werde. 
Das Resultat ist das selbe. Das seltsame: immer nur der unterste 
MOSFET-Treiber wird zerstört. Die GND und VCC-Leitungen habe ich stark 
ausgebaut um einem SCR-LatchUp entgegen zu wirken. Nochmals seltsam: der 
MOSFET-Driver wird nur zerstört, wenn z.B. ein Motor angschlossen wird. 
Schiebewiderstände genügen nicht.

Ich suche also immer noch nach einer Lösung und bin langsam mit meinem 
Latein am Ende. Den einzigen Unterschied, den ich noch im Vergleich zu 
anderen Schaltplänen ausmachen kann ist der hohe Widerstand. Kann es 
sein, dass durch die 220 Ohm zu wenig Strom in den Treiber fliesst und 
ihn somit auch nicht richtig schalten kann? Bzw. zu langsam. Doch auch 
wenn -> gibt es einen Zusammenhang zwischen einem Shoot-Through und 
einem kaputten MOSFET-Driver nicht aber zerstörten MOSFETS an sich?

Gruss, AP