High Side Power Switch gesucht

[Patrick T. (Gast)]

Hallo zusammen!

Für einen kommerziellen Diodentreiber suche ich einen passenden 
Schalter.
Regulär fließen 1 A bei 5 V Spannungsversorgung (5 W Leistung).
Ein Low Side Switch ist ausgeschlossen, weil das Gehäuse mit der Logik 
verbunden ist und somit durchgehend auf Ground liegt.

Zielführend ist also nur ein High Side Switch.

Geschaltet werden soll das mit einem µC.
Der GPIO Pin gibt max. 40 mA bei 5 V.

Die Spannungsversorgung des µC und des Diodentreibers kommen von der 
gleichen Quelle (Batterie).
Gesucht ist nun ein Bauteil oder eine kleine Schaltung, die mir die 1 A 
bei konstanten 5 V zum Treiber freigeben. Die Schaltfrequenz liegt bei 
0,1 Hz und kleiner.

• P-Kanal MOSFET-Lösungen helfen meiner Erfahrung nach leider nicht 
weiter, weil dafür die Spannung am Source-Pin über 5 V liegen sollte.
• An PNP-Transistoren habe ich die Diodentypischen 0,7 V 
Spannungsverlust.
• Einen ähnlichen Spannungsabfall finde ich bei Optokoppler.

• Zuletzt habe ich noch OPV in Erwägung gezogen, die ich als 
Spannungsfolger betreibe. Rein von der Funktion her ist es das was ich 
suche. Problematisch ist da jedoch der Strom von einem Ampere.

Gibt es Eurer Seite aus Erfahrungen oder Tipps, ob es eine gute Idee 
ist, in meiner Anwendung einen Leistungs-OPV als "Schalter" zu 
betreiben, indem ich die Eingangsspannung über den µC zwischen 0 V und 5 
V schalte?

Für Alternativvorschläge bin ich immer offen.

Viele Grüße,
Patrick

[Guest (Gast)]

Wie wäre es mit nem USB Power Switch? Da gibt's  ein Haufen zur Auswahl 
bei TI zum Beispiel.

Der OPV geht prinzipiell solange er wirklich immer gegen die Versorgung 
schaltet dann ist die Abwärme relativ gering aber so cool finde ich die 
Lösung persönlich jetzt nicht.

Ansonsten gibt's auch massenhaft High Side Switchs beispielsweise die 
Profet Baureihe von Infineon. Die gehen glaube ich ab 4V

[Wilhelm M. (wimalopaan)]

Patrick T. schrieb:
> • P-Kanal MOSFET-Lösungen helfen meiner Erfahrung nach leider nicht
> weiter, weil dafür die Spannung am Source-Pin über 5 V liegen sollte.

Nein, genau die helfen Dir.

[Patrick T. (Gast)]

Wilhelm M. schrieb:
> Nein, genau die helfen Dir.

Dann bitte ich um Erläuterung.

Ausprobiert habe ich das mit einem IRF9Z24S P-Ch Mosfet.
V(GS) liegt zwischen -2 und -4 V.
Ziehe ich Gate über den µC auf 0 V, so habe ich ein V(GS) von -5V. Damit 
schaltet er auf jeden Fall voll durch.

Problematisch ist die Drain to Source Spannung V(GS).
Ich füge mal das Diagramm bei.
Weil die Spannung am Drain und an Source gleich sind, ist V(GS) = 0 V.
Laut den Datenblättern fließt dabei stets der kleinst mögliche Strom.
Auch wenn das Bauteil bis 11 A auslegt ist, fließen so nur (gemessen) 50 
mA bis die Spannung abfällt. Ja ich kann 1 A durchjagen, aber dabei 
fällt die Spannung am Treiber von 5 V auf 2,7 V ab.

Das Anlegen von 6,2 V an Source ermöglicht die Versorgung mit 1 A @ 5 V 
des Treibers. Jedoch habe ich diese größere Spannung im System nicht zur 
Verfügung.

Was übersehe ich da nun und mache ich falsch?

Beste Grüße :)

[Patrick T. (Gast)]

Patrick T. schrieb:

> Problematisch ist die Drain to Source Spannung V(GS).
> Ich füge mal das Diagramm bei.
> Weil die Spannung am Drain und an Source gleich sind, ist V(GS) = 0 V.

Soll hier natürlich V(DS) heißen.

[HildeK (Gast)]

Wozu brauchst du für diese Betrachtung das SOA-Diagramm?

[MaWin (Gast)]

Patrick T. schrieb:
> • P-Kanal MOSFET-Lösungen helfen meiner Erfahrung nach leider nicht
> weiter, weil dafür die Spannung am Source-Pin über 5 V liegen sollte

Deine Erfahrung trügt dich.

Patrick T. schrieb:
> V(GS) liegt zwischen -2 und -4 V.
> Ziehe ich Gate über den µC auf 0 V, so habe ich ein V(GS) von -5V. Damit
> schaltet er auf jeden Fall voll durch

Deine Erfahrung ist auch fur'n Arsch.

Nach der UGS(th) unter halb der der MOSFET erstmal  AUS ist, kommt erst 
der lineare Bereich bis zur etwa doppelten Spannung. Erst oberhalb von 
4-8V bei deinem Modell ist er also 'voll durchgeschaltet', erst da gilt 
der RDSon laut Datenblatt und kann der Maximalstrom laut Datenblatt 
geschaltet werden

Keine Ahnung warum so viele Leute kein Datenblatt lesen können und 
UGS(th) als angebliche Einschaltspannung missinterpretieren.

Aber keine Sorge, es gibt 'LogicLevel' P-MOSFETs die problemlos 1A 
schalten können mit -5V am Gate (relativ zum Source an +5V, also in 
Summe 0V), wie IRLML5203.

[Wilhelm M. (wimalopaan)]

Patrick T. schrieb:
> Ich füge mal das Diagramm bei.

Was willst Du mit dem SOA-Diagramm hier? Du brauchst einen P-Channel 
MosFet, der bei -5V Ugs einen Rds(on) unter 100mOhm hat. Dann bleibt er 
bei 1A und 0,1W Verlustleistung einigermaßen kühl. Da findest Du 
hunderte MosFets, die das erfüllen.

[Patrick T. (Gast)]

Danke für Eure Antworten.
Ich werde mich an Euren Empfehlungen orientieren.

[Joachim B. (jar)]

Patrick T. schrieb:
> Regulär fließen 1 A bei 5 V Spannungsversorgung (5 W Leistung).

warum nicht mit einem Photomos Relais

AQV252g z.B.

mit 3-5mA kann man locker 1A schalten, high oder low nach Belieben, 
galvanisch getrennt!

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

Patrick T. schrieb:
> • P-Kanal MOSFET-Lösungen helfen meiner Erfahrung nach leider nicht
> weiter, weil dafür die Spannung am Source-Pin über 5 V liegen sollte.
Wenn du das Gate auf 0V legst passt das bei einem passend ausgewählten 
Mosfet wie die Faust aufs Auge...

> • An PNP-Transistoren habe ich die Diodentypischen 0,7 V
> Spannungsverlust.
Das ist die zum Leiten BE-Spannung. Die taucht aber im Lastpfad gar 
nicht auf. dort hast du nur die CE-Sättigungsspanung, die aber auch 
schnell im Bereich um 0,4V ist.

> • Einen ähnlichen Spannungsabfall finde ich bei Optokoppler.
Wenn man die Potentialtrennung nicht braucht, nimmt man keinen 
Optokoppler.

> Gibt es Eurer Seite aus Erfahrungen oder Tipps, ob es eine gute Idee
> ist, in meiner Anwendung einen Leistungs-OPV als "Schalter" zu betreiben
Wie willst du denn diesen Leistungs-OPV versorgen?

Warum schaust du dir nicht einfach an, wie alle Anderen das machen?
Damit findest du recht schnell eine Lösung:
https://www.google.com/search?q=5v+high+side+switch

MaWin schrieb:
> Keine Ahnung warum so viele Leute kein Datenblatt lesen können und
> UGS(th) als angebliche Einschaltspannung missinterpretieren.
Das nennt sich umgangssprachlich "schönsaufen": man "wünscht" sich 
einfach, dass der Fet da ausreichend gut leitet und gibt zur Sicherheit 
noch ein Volt dazu.

[Joachim B. (jar)]

Lothar M. schrieb:
> Wenn man die Potentialtrennung nicht braucht, nimmt man keinen
> Optokoppler.

Einspruch, man nimmt ihn wenn es das Design vereinfacht.
Mit einem Optokoppler oder Photomos Relais kann ich wahlweise high oder 
low schalten!

Klar gibt es verschiedene Lösungen auch hi-side Schalter wie den UDN
https://www.reichelt.de/leistungstreiber-8-kanal-dil-18-udn-2981-p22008.html

oder ein "Transistorgrab"

[Axel S. (a-za-z0-9)]

Joachim B. schrieb:
> Lothar M. schrieb:
>> Wenn man die Potentialtrennung nicht braucht, nimmt man keinen
>> Optokoppler.
>
> Einspruch, man nimmt ihn wenn es das Design vereinfacht.

Aber nicht, wenn es das zehnfache kostet. Ein geeigneter P-MOSFET wie 
z.B. AO3401 kostet selbst bei Reichelt nur 21¢. Beim Chinesen nochmal 
deutlich weniger. Für ein PhotoMOS für 1A und weniger als 100mV 
Spannungsabfall legst du einige Euro hin.

> Mit einem Optokoppler oder Photomos Relais kann ich wahlweise high oder
> low schalten!

Toll. War nur gar nicht gefordert.

[Joachim B. (jar)]

Axel S. schrieb:
> Joachim B. schrieb:
>> Mit einem Optokoppler oder Photomos Relais kann ich wahlweise high oder
>> low schalten!
>
> Toll. War nur gar nicht gefordert.

ach

Patrick T. schrieb:
> Zielführend ist also nur ein High Side Switch.

nu erklär man warum high side switch nicht gefordert war!

Klar ist der Preis höher bei Vereinfachung der Schaltung im Gegensatz zu 
2 Transistoren und noch zusätzlichen Bauteilen oder eienm UDN der größer 
ist.

[Patrick T. (Gast)]

Joachim B. schrieb:
> Axel S. schrieb:
>> Joachim B. schrieb:
>>> Mit einem Optokoppler oder Photomos Relais kann ich wahlweise high oder
>>> low schalten!
>>
>> Toll. War nur gar nicht gefordert.


Doch doch. Wie geschrieben bin ich für jeden Hinweis und jede 
Alternative offen. In der Tat spielen zwei Faktoren eine wichtige Rolle: 
kleine Bauform und sehr hohe Zuverlässigkeit. Der Preis spielt 
hingegegen nur eine kleine Rolle. Die anderen Komponenten auf der 
Platine sind Automotive-, New Space- und teilweise Hi-Rel- bis Military 
Grade- Bauteile. Kostenpunkt pro Bauteil sind da gerne 5-50 €.

Sobald ich die Funktion evaluiert habe, kommen missionsrelevante Tests 
ins Spiel. Es ist möglich, dass 20c Bauteile diese erfüllen und 20€ 
Bauteile hingegen nicht. Wichtig ist primär, dass die Typen feststehen 
und ggfs. Alternativen existieren.

Daher nehme ich den Tipp mit den Photomos Relais mit und recherchiere 
ein wenig.

Die galvanische Trennung durch Optokoppler benötige ich nicht. Es geht 
rein um den "Schalter"-Charakter, den er erfüllen soll.

Ich habe leider keinen großen Überblick über elektronische Bauteile und 
lerne jeden Tag mindestens zwei neue kennen. Ich komme aus der 
Programmierung von FPGA und µC und muss den elektronischen Bauteilpart 
dieses mal mitübernehmen.
Daher danke ich Euch für alles bereits genannte.

[Harald W. (wilhelms)]

MaWin schrieb:

> Keine Ahnung warum so viele Leute kein Datenblatt lesen können

Vielleicht wird das ja heutzutage selbst an den Fachhochschulen
nicht mehr gelehrt.

[Axel S. (a-za-z0-9)]

Patrick T. schrieb:
> Joachim B. schrieb:
>> Axel S. schrieb:
>>> Joachim B. schrieb:
>>>> Mit einem Optokoppler oder Photomos Relais kann ich wahlweise high
>>>> oder low schalten!
>>>
>>> Toll. War nur gar nicht gefordert.
>
> Doch doch.

Lies einfach mal den ganzen Satz:

"kann ich wahlweise high oder low schalten"

und das war nicht gefordert. Gefordert war Schalten auf der H-Side. 
Und das geht hier ganz einfach mit einen P-Kanal MOSFET. Es muß halt ein 
logic level Typ sein, damit er bei -5V U_gs auch voll durchschaltet. Das 
ist aber kein Problem. Solche Typen sind handelsüblich und auch 
spottbillig. Ich habe dir sogar einen geeigneten Typ genannt.

[Joachim B. (jar)]

Axel S. schrieb:
> Gefordert war Schalten auf der H-Side.
> Und das geht hier ganz einfach mit einen P-Kanal MOSFET.

und deswegen geht schalten der H-Side mit dem Photomos nicht?

Ich denke du willst einfach nur Recht haben.
Bevor ich mir Hi-Side Probleme mit durchgeknallten FETs einhandel bleibe 
ich lieber beim Photomos Relais.
Privat und im Dienst baue ich nicht um Cents zu sparen, sondern lieber 
was mir sicherer erscheint!

Axel S. schrieb:
> Und das geht hier ganz einfach mit einen P-Kanal MOSFET. Es muß halt ein
> logic level Typ sein, damit er bei -5V U_gs auch voll durchschaltet.

hier OK

Trotzdem funktioniert mein Photomos auch

[Patrick T. (Gast)]

Axel S. schrieb:
> Ich habe dir sogar einen geeigneten Typ genannt.

Ist auch bestellt und wird getestet.

Der PhotoMOS-Ansatz ist aber auch interessant, weil er viele Vorteile 
mit sich bringt. Die Anwendung ist in einer Strahlungsumgebung. MOSFET 
reagieren auf eine Strahlungsdosis (TID) unterschiedlich. Bei allen 
verschieben sich jedoch die Kennlinien und so auch V(GS). Teilweise 
landen wir dabei in unzulässigen Bereichen, die nicht abgefedert werden 
können. Zudem reagieren MOSFET auch alle unterschiedlich auf SEE, die 
bei mir das größte Problem darstellen.

Alternativen zu haben ist daher aktuell ganz wichtig. Notwendig ist, 
dass die Funktion gegeben ist und Bauteile die Tests bestehen.

Der PhotMOS-Ansatz ist gut, weil er im destruktiven Fall (AQV251) den 
Stromkreis offen lässt (Ergebnis einer Doktorthesis am CERN): "The 
breakdown of the device leaves it in an open state which makes it
a secure component for a beam interlock."
Somit ist das ein fantastischer Kandidat, weil ein zweiter, paralleler 
PhotoMOS dann übernehmen könnte. Die Struktur ähnelt einer TMR (triple 
modular redundancy) über mehrere Bauteile auf einer Platine und/oder 
über mehrere Platinen.

Die Elektronik folgt dem Motto: Fire and Forget.
Sie muss alleine überleben. Redundanz ist da wichtig. Eventuell ist auch 
eine Kombination aus MOSFET und PhotoMOS zielführend - aber das werden 
erst die Tests zeigen. Fehler und Zerstörungen durch die Vielzahl and 
SEE an MOSFET abzufangen ist schwierig und noch schwieriger zu erkennen 
- zumindest für mich.

Daher wie gesagt: Danke für alle Hinweise, Tipps und Verweise an 
Funktionsgruppen oder konkrete Bauteile.

[Axel S. (a-za-z0-9)]

Joachim B. schrieb:
> Axel S. schrieb:
>> Gefordert war Schalten auf der H-Side.
>> Und das geht hier ganz einfach mit einen P-Kanal MOSFET.
>
> und deswegen geht schalten der H-Side mit dem Photomos nicht?

Das habe ich nicht gesagt. Dein Argument war (überspitzt): "Optokoppler 
bzw. PhotoMOS ist toll, weil man damit wahlweise H- oder L-Side schalten 
kann".

und dem habe ich entgegen gehalten, daß das gar nicht gefragt war. Der 
TE wollte nicht wahlweise H- oder L-Side schalten können. Er wollte ganz 
klar und eindeutig H-Side schalten. Das PhotoMOS bringt ihm genau gar 
keinen Vorteil, außer daß es 10- bis 20-mal teurer ist als der ebenfalls 
geeignete MOSFET.

> Ich denke du willst einfach nur Recht haben.

Nein. Ich halte mich nur an das KISS Prinzip. "Keep it simple, stupid"
Oder auf gut Deutsch: warum kompliziert, wenn's auch einfach geht?

> Bevor ich mir Hi-Side Probleme mit durchgeknallten FETs einhandel bleibe
> ich lieber beim Photomos Relais.

Nur zu. Ist ja dein (Taschen)geld.

[Axel S. (a-za-z0-9)]

Patrick T. schrieb:
> Der PhotoMOS-Ansatz ist aber auch interessant, weil er viele Vorteile
> mit sich bringt. Die Anwendung ist in einer Strahlungsumgebung. MOSFET
> reagieren auf eine Strahlungsdosis (TID) unterschiedlich. Bei allen
> verschieben sich jedoch die Kennlinien und so auch V(GS). Teilweise
> landen wir dabei in unzulässigen Bereichen

Aha. Dir ist aber schon klar, wofür das "MOS" in "PhotoMOS" steht?

Ich glaube nicht einen Augenblick, daß eine Strahlendosis, die einen 
herkömmlichen MOSFET zur Fehlfunktion bringt, ein PhotoMOS unbeeindruckt 
läßt. Allein schon deswegen, weil du bei letzterem überhaupt keinen 
Zugang zu Interna hast. Einem MOSFET kannst du einen niederohmigen 
Ableitwiderstand ans Gate hängen, damit er sicher(er) sperrt. Bei einem 
PhotoMOS mußt du mit dem leben, was da intern verbaut ist.

Aber weil da nur sehr wenig Leistung nach der optischen Strecke ankommt, 
wird das alles sehr schön hochohmig sein. Allein die Schaltzeiten von so 
einem PhotoMOS sprechen doch Bände.

[Joachim B. (jar)]

Axel S. schrieb:
> Allein die Schaltzeiten von so
> einem PhotoMOS sprechen doch Bände.

ja klar, mit hi-side VCC will man ja auch PWM machen

[Patrick T. (Gast)]

Axel S. schrieb:
> Dir ist aber schon klar, wofür das "MOS" in "PhotoMOS" steht?
>
> Ich glaube nicht einen Augenblick, daß eine Strahlendosis, die einen
> herkömmlichen MOSFET zur Fehlfunktion bringt, ein PhotoMOS unbeeindruckt
> läßt.

Ja.
Tatsache ist, dass alle FET unterschiedlich reagieren. Selbst gleiche 
Die von unterschiedlichen Wafern zeigen teilweise absurd große 
Unterschiede in ihrer Belastbarkeit. Jedoch können diese Unterschiede 
auch positiv ausfallen. So hatte ich serielle Transceiver die bis +85° C 
zertifiziert sind, jedoch einem Burn-In bei +125° C für 2 Wochen 
standgehalten haben (MAX483EESA+T).
Ob das nur bei dieser einen Produktionscharge der Fall war weiß ich 
nicht, weil ich danach keine weitere getestet habe.

Und am Ende habe ich lieber ein Bauteil mit 50 % Ausfallquote als eins 
mit 99 %. Immerhin gibt es Bauteile und Architekturen, die bei mir 
gänzlich ungeeignet sind.

Selbst die Strukturgröße im Die hat Auswirkungen: Je kleiner die sind, 
desto toleranter sind sie gegenüber der TID, jedoch desto anfälliger 
sind sie für SEE. Aber das ist ein anderes Thema.