PWM mit p-Channel MosFET an 6V Boardnetz

[Karsten Z. (karsten_z)]

Hallo,
ich grübel über folgendem Problem:
Ich will in einem 6V Boardnetz etwas mit elektronik spielen. Jetzt 
stellt sich mir die Frage: Wie steuer ich eine induktive Last mit PWM?
Ich benötige einen geschalteten Plus, also bräuchte ich einen p-Channel 
MosFET als Highsiderschaltung. Mir ist allerdings in Erinnerung das die 
Gatespannung irgendwo zwichen 10V und 15V sein müsste.

Lösungsansatz:
Die PWM kommt von einem AVR. Die 5V Hilfsspannung für jenen wird mit 
einem Stepdown erzeugt. Einfacher Spannungsregler fällt aus wegen 
mangelnder Spannungsdifferenz.

Um nun auf genug Gatespannung zu kommen würde ich eine 
Ladungspumpe/Spannungsnegator nach dem 5V Steppdown aufbauen um (fast) 
-5V gegenüber Masse zu bekommen. Das Gate wird dann entweder gegen 
Batteriespannung (FET aus) oder gegen -5V über ein komplementäres Paar 
Transistoren geschaltet.
Zwichen Batteriespannung und -5V entstehen also wenn man Überschlägt:
minimal: -5V bis +5,25V (minimale Batteriespannung) 10,25V
maximal: -5V bis +7,2V (Ladeschlussspannung) 12,2V
Beides meiner Meinung nach unkritsch für nen Gate.

Fragen dazu:
Ist es ein Problem für den FET wenn Gatespannung negativ gegenüber dem 
Massepotenzial der Last ist?
Kann das funktionieren oder habe ich einen Denkfehler/was vergessen?
Gibts inzwichen vieleicht P-Channels die weniger Gatespannung brauchen?

Wenn das Sinn machen sollte wird eine Schaltung zur weiteren Diskusion 
nachgeliefert.

Grüße und schon mal vielen Dank für Anregungen
Karsten

[ArnoR (Gast)]

Karsten Z. schrieb:
> Ist es ein Problem für den FET wenn Gatespannung negativ gegenüber dem
> Massepotenzial der Last ist?

Nein.

> Kann das funktionieren

Ja.

> Gibts inzwichen vieleicht P-Channels die weniger Gatespannung brauchen?

Ja, z.B. IRlx9343
Warum kein Bipo ohne den ganzen Aufwand?

> Wenn das Sinn machen sollte wird eine Schaltung zur weiteren Diskusion
> nachgeliefert.

Ja.

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

Karsten Z. schrieb:
> Mir ist allerdings in Erinnerung das die Gatespannung irgendwo zwichen
> 10V und 15V sein müsste.
In welchem Zusammenhang? Jeder Mosfet hat seine eigene Ugsth, und 
deshalb sollte man die Gatespannung anhand des Datenblatts auswählen, 
nicht anhand der Erinnerung. Viele Mosfets sind bei 15V am Gate schon 
kaputt...

> Gibts inzwichen vieleicht P-Channels die weniger Gatespannung brauchen?
Für welchen Strom?

> Lösungsansatz:
> Die PWM kommt von einem AVR. Die 5V Hilfsspannung für jenen wird mit
> einem Stepdown erzeugt.
Welchen Stom braucht denn diese Hilfsspannung?

> Einfacher Spannungsregler fällt aus wegen mangelnder Spannungsdifferenz.
Such mal nach Low-Drop Reglern.

> Um nun auf genug Gatespannung zu kommen ...
Gibts diese Idee auch als Schaltplan?

BTW: Ich würde einen P-Kanal-Fet einfach einschalten, indem ich sein 
Gate auf GND lege. 6V reichen da beim richtigen FET locker...

[Petr (Gast)]

Da mal wieder die anderen Umgebungsbedingungen wie Laststrom und 
PWM-Frequenz nicht genannt werden... warum nicht einen fertigen 
High-Side-Switch wie BTS555 verwenden? R_DSon @ 6V: 4,6mΩ Typ, 9mΩ max. 
Ist allerdings mit max. 600µs etwas langsam.

[Karsten Z. (karsten_z)]

Vorweg vieleicht mal noch das ich zwar mal die eine oder andere 
Vorlesung Elektronik hatte, aber das ist schon etliche Jahre her.

ArnoR: Das war die Bestätigung das ich auf dem richtigem Weg bin und das 
Weiterdenken lohnt. Danke!

>Warum kein Bipo ohne den ganzen Aufwand?

Weil ich der Meinung bin das dann die Verluste zu groß würden.

>Für welchen Strom?

Habe ich vergessen zu schreiben. Der Strom bewegt sich im Bereich 5A.

>Welchen Stom braucht denn diese Hilfsspannung?
>Such mal nach Low-Drop Reglern.

Die Hilfsspannung für den µC ist nicht mein Problem, die wird es sowieso 
auf die eine oder andere Art geben. Benötigte Leistung dort kann ich 
noch nicht abschätzen. Unabhängig davon sind die Low-Drop Regler ein 
guter Tip. Dachte die brauchen mehr Spannungsdifferenz.

>In welchem Zusammenhang? Jeder Mosfet hat seine eigene Ugsth, und deshalb sollte 
man die Gatespannung anhand des Datenblatts auswählen, nicht anhand der 
Erinnerung. Viele Mosfets sind bei 15V am Gate schon kaputt...

und

>BTW: Ich würde einen P-Kanal-Fet einfach einschalten, indem ich sein Gate auf GND 
lege. 6V reichen da beim richtigen FET locker...

Meiner Kentniss nach gab es p-Channel Typen nur mit Vgsth bis minimal 
etwa 4V. Was für mich bedeutet das ich zum voll Durchsteuern mindestens 
die doppelte Spannung brauche. Und laut Erinnerung war Zulässige Vgs 
dann im Bereich +-15..20V. Das die Information Überholt ist wusste ich 
nicht und darauf zielte die Frage nach den Typen mit geringerer 
Spannung... Das ich dann wenn ich weiß was es gibt und was ich brauche 
in Datenblätter schaun muss ist mir durchaus klar. Die kleine Übersicht 
hier auf der Seite hat mir dazu inzwichen etwas weiter geholfen.

Da es gerade um den Typ an sich geht: ich habe vor den etwas 
Überdimensioniert zu wählen um zu verhindern das es den bei 
Spannungsspitzen abschießt. Das ist bei KFZ-Bordnetz ja nicht so 
abwegig.

Bei der Suche bin ich dann auf IRF4905 gekommen. Der scheint mir 
geeignet, und siehe da: Ugs=+-20V und Ugsth=2..4V. (So schlecht kann 
meine Erinnerung nicht gewesen sein!)

>[...]PWM-Frequenz nicht genannt[...]

Die habe ich nicht erwähnt weil ich noch nicht weiß wie hoch ich die 
wählen mus. Mein Gefühl sagt mir so um die 5kHz.

>warum nicht einen fertigen High-Side-Switch wie BTS555 verwenden?

Gute Frage/guter Tipp. Da mus ich mich noch Schlau machen.

Die Schaltung im Anhang... es stehen bewusst noch keine 
Typen/Widerstandswerte dran. Ihr habt sicher auch ohne falsch 
dimensionierte Bauteile was dran auszusetzen.

Danke bis hier hin,
Karsten

[ArnoR (Gast)]

Karsten Z. schrieb:
> Ihr habt sicher auch ohne falsch
> dimensionierte Bauteile was dran auszusetzen.

Klar doch.
Die Schaltung funktioniert nicht, denn der AVR kann den npn vor dem 
Komplementärtreiber nicht ausschalten. Der AVR geht nur bis 0V runter, 
der Emitter liegt aber auf -5V.

[Karsten Z. (Gast)]

Auffallend richtig!
Ok... Mir fällt grad auf die Schnelle keine Lösung ein.
Vieleicht nen Transmissiongate?

Ich hab eindeutig zu lange nix mehr mit sowas zu tun gehabt. :(

[ArnoR (Gast)]

Karsten Z. schrieb:
> Mir fällt grad auf die Schnelle keine Lösung ein.

OK, kleine Hilfe im Anhang.
Die Schaltfrequenz hab ich mit 286kHz mal etwas höher als 5kHz 
angesetzt, um die Grenzen (Flanken) erkennen zu können. Wie man sieht, 
kann man die Schaltung auch noch hochohmiger dimensionieren (die 4 
Widerstände im gleichen Verhältnis erhöhen). Der 7555 soll nur den AVR 
simulieren.

[ArnoR (Gast)]

"Gate/Source-Spannung" stimmt natürlich nicht, es ist die Gate-Spannung 
bezogen auf Masse. Die Gate/Source-Spannung ist um 7V nach unten 
verschoben, sie geht also von 0V bis -11V, so wie es sein soll.

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

Karsten Z. schrieb:
> Mir fällt grad auf die Schnelle keine Lösung ein.
Bei einer Versorgung von 6V reichen beim vorgeschlagenen FET auch 0V für 
einen Strom von 50A. Und sogar bei 5V kann der noch 20A.
Ich würde da einfach einen 6-fach CMOS-Inverter parallelschalten und als 
Treiber nehmen...

                6V
                o
                |
           .---|>o----.
           |          |
           o---|>o----o
           |          |
           o---|>o----o
           |          |
 0V/5V ----o---|>o----o---------> Gate
           |          |
           o---|>o----o
           |          |
           '---|>o----'
                |
               --- 
               GND

[Michael B. (laberkopp)]

Lothar M. schrieb:
> Bei einer Versorgung von 6V reichen beim vorgeschlagenen FET auch 0V für
> einen Strom von 50A.

Bloss welcher der vorgeschlagenen ?

Hier wurde sowohl der IRLU9343 als auch der IRF4905 vorgeschlagen.

Der IRLU9343 schaltet zwar, schafft aber nur 2.7A, der IRF4905 hat ja 
schlechtestenfalls schon 4V UGS(th), ist also ungeeignet.

Bei einem "6V Bordnetz" sollte man auch noch überlegen, welche Spannung 
es denn wirklich hat, das sind ja keine geregelten 6V, sondern eher 4V 
bis 7.2V.

[ArnoR (Gast)]

Michael B. schrieb:
> Der IRLU9343 schaltet zwar, schafft aber nur 2.7A

Wie kommst du auf 2,7A? Der IRLU9343 hat bei -10V Ugs 100mOhm, das sind 
bei 5A 500mV und 2,5W. Das kann man in dem Gehäuse doch durchaus 
wegkühlen. Als Grenzwert bei idealer Kühlung und 25°C sind sogar 79W 
angegeben. Wem ein TO220 besser gefällt, kann auch den IRLIB9343 nehmen.

Sicher gibt es auch div. andere Typen, ich hab aber keinen anderen 
Lowlevel-P-Kanal in meinem Simulator.

[Joe F. (easylife)]

Mein Vorschlag:
FDS6375

8A,
sehr geringer R_DS(ON) (24mOhm bei V_GS=-4.5V, 32mOhm bei V_GS=-2.5V)
geringe Gateladung (26nC, also einfach zu treiben)

hat fast jeder im Programm, sogar Conrad.

[Karsten Z. (Gast)]

ArnoR:
Wenn mans sieht ists wieder einfach... Ich weiß, hinterher kann man das 
einfach so sagen.
Auch die Simulation find ich gut, welche Software ist das?
Danke!

Ich hab versucht das 9.1er PSpice Student auf Linux zu beleben... bis 
jetzt eher mittelprächtiger Erfolg. Die Pfadeauswahl scheint mit wine 
ein Problem zu haben.

Joe F.:
Der Typ könnte auch funktionieren.

Ich werde die beide Varianten mal aufbauen und versuchen. Mal schauen ob 
sich Unterschiede feststellen lassen. Ein paar Teile lassen noch auf 
sich warten.

[ArnoR (Gast)]

Karsten Z. schrieb:
> welche Software ist das?

Das ist TINA-TI von ti.com, eigentlich TINA 9.3 von Designsoftware.com 
auf analoge Simulationen beschränkt.