STM32 MOSFET ansteuern (min. 5V Gate-Spannung)

[Robin U. (ulro)]

Hallo µC-Community,

ich (Einsteiger) habe gerade folgende Problemstellung vor mir und bitte 
um Mithilfe:

Das System ist eine 12V-Quelle (Lichtmaschine im KFZ), die mit einem 
Linearregler einen STM32G030F6 für eine einfache Auswertungselektronik 
versorgt.

Sobald die Auswertungselektronik dies ergibt, möchte ich eine max. 
30A-Ohmsche-Last mittels MOSFET schalten - egal ob der MOSFET-Switch vor 
oder nach der Last steht.
Hinweis an dieser Stelle:
- Schaltzeiten und Bauteil-Preise sind nicht relevant
- Ein Relais steht Platz-bedingt erstmal nicht zur Diskussion
- Ich habe keinen Plan von Optokopplern
- Der Linearregler und die Last teilen einen gemeinsamen Ground

Um mein Ziel zu erreichen, gibt es ja grundsätzlich p-Channel und 
n-Channel MOSFETs.

*Die Lösung mittels LOW-SIDE n-channel MOSFET:*

Würde ich einen n-Channel MOSFET verwenden (z.B. diesen 
https://datasheet.lcsc.com/lcsc/1810251611_Wuxi-NCE-Power-Semiconductor-NCE3080K_C108901.pdf) 
dann bräuchte ich für meine beabsichtigte Stromstärke eine entsprechend 
große Gate-Spannung von über 3,7V (laut Figure 2 auf Seite 4). Habe ich 
aber nicht.

Als mögliche Lösung dafür würde mir einfallen, einen zweiten 
Linearregler mit 5V Ausgang zu verbauen, und dann mittels Logic Level 
Shifting MOSFET den MOSFET anzusteuern. Das kommt mir nicht sonderlich 
sinnig vor. Würde aber funktionieren, oder?

Zweite Lösung rund um den n-channel-MOSFET wäre die Logik zu invertieren 
und über einen Pull-Up-Widerstand von z.B. 10kOhm die 12V 
Ausgangsspannung auf das Gate zu legen. Mittels open-drain-Ausgang 
könnte ich dann den Strom vom Gate durch den STM32 auf Ground abziehen, 
oder? Hier stellt sich mir allerdings die Frage ob der STM32 das 
verkraftet - irritierenderweise gibt ST im Datenblatt 
(https://www.st.com/resource/en/datasheet/stm32g030f6.pdf) als Fußnote 2 
zu "Table 18" nur an, dass höhere Eingangsspannungen als VddIn+4.0V 
zulässig sind, wenn alle Pull-up-down-Rs deaktiviert sind. Kann ja aber 
auch nicht sein, oder? Wenn ich einen 230V-Strom Steuerstrom durch den 
STM32 schicke funkt der mir doch sicherlich intern irgendwo durch, oder? 
Passiert das auch schon bei 12V?

*Die Lösung mittels HIGH-SIDE p-channel MOSFET:*

Würde ich einen p-Channel MOSFET verwenden, dann würde ich ebenso einen 
pull-up-Widerstand auf 12V verwenden müssen und dann zum Aktivieren das 
Gate z.B. auf GND runterziehen. Auch hier müssten also mittels 
Open-Drain-Ausgang 12V durch den µC - wieder die Frage ob das geht oder 
brutzelt?

*Abschlussfragen:*

1. Funktioniert die beschriebene erste Lösung mittels n-channel-MOSFET?
2. Brutzelt der STM32 bei der zweiten Lösung mittels n-channel-MOSFET 
bzw. bei der Lösung mittels p-channel-MOSFET durch?
3. Von Optokopplern habe ich keine Ahnung - aber das würde vmtl. auch 
gehen, oder? Was wäre hier zu beachten?
4. Gibt es alternative Lösungen die ich gar nicht bedacht habe?
5. Zusatzfrage: Ein KFZ kann beim Startvorgang mit Spannungsspitzen von 
100V glänzen. Wie verträgt sich dies mit einem MOSFET beziehungsweise 
einem einfachen Linearregler? Genügt als Gegenmaßnahme eine entsprechend 
dimensionierte TVS-Diode?

Danke für eure Mithilfe!

VG
Robin

[Robin U. (ulro)]

Zwei Fragen kommen mit gerade noch in den Sinn:

6. Führt die 12V Open-Drain-Lösung im Falle eines Reboots/Sleep modes zu 
Problemen? D.h. wird der STM32 standardmäßig in einem High-Z-Input 
gestartet, oder in einem anderem Modus, der zu Problem führt?

7. Könnte sich jemand nochmal das Datenblatt des n-channel-MOSFETs 
ansehen und mir "Figure 1" erklären? Wenn sich der MOSFET in der 
LOW-SIDE nach einer ohmschen Last mit 12V-30A=0,4Ohm befindet, und eine 
On-Resistance von (lt. Datenblatt) typ. 7.5mOhm hat, dann fallen am 
MOSFET doch nur 0,225V ab. Müsste ich demnach entsprechend Derating 
betreiben, wenn ich mit einer Gatespannung von 3,5V arbeiten würde? 
Deute ich das Diagramm richtig?

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

Sicher ist es im Automotive Bereich gar nicht so dumm, sich mal 
Smartswitches anzuschauen.
https://www.infineon.com/cms/en/product/power/smart-low-side-high-side-switches/

[Jobst Q. (joquis)]

Du hast 12V, die du schalten willst, also nutze sie auch als 
Gate-Spannung.

Ich würde es mit einem Optokoppler machen, damit kannst du sowohl 
lowside als auch highside MOSFETS schalten und die Leistungsseite kann 
nicht destruktiv auf die Steuerung rückwirken.

[Clemens L. (c_l)]

Robin U. schrieb:
> dann bräuchte ich für meine beabsichtigte Stromstärke eine entsprechend
> große Gate-Spannung von über 3,7V (laut Figure 2 auf Seite 4)

Diese Werte sind nur typisch. Die garantierten Werte (Min/Max) findest 
du auf Seite 2, und dafür brauchst du mindestens 5 V.

> Zweite Lösung rund um den n-channel-MOSFET wäre die Logik zu invertieren
> und über einen Pull-Up-Widerstand von z.B. 10kOhm die 12V
> Ausgangsspannung auf das Gate zu legen.

Mit so einem Widerstand geht das Umschalten nicht sehr schnell. Dann 
läufst du Gefahr, außerhalb der SOA (Figure 8) zu landen.

> irritierenderweise gibt ST im Datenblatt als Fußnote 2 zu "Table 18" nur
> an, dass höhere Eingangsspannungen als VddIn+4.0V zulässig sind, wenn
> alle Pull-up-down-Rs deaktiviert sind. Kann ja aber auch nicht sein,
> oder?

Die Fußnote sagt nicht "VddIn+4.0V", sondern "4 V".

> [...] Auch hier müssten also mittels Open-Drain-Ausgang 12V durch den µC
> - wieder die Frage ob das geht oder brutzelt?

12 V is mehr als VDD+4V.

> Gibt es alternative Lösungen die ich gar nicht bedacht habe?

Gatetreiber (z.B. UCC27517) sind genau für diese Anwendung entwickelt.

> Ein KFZ kann beim Startvorgang mit Spannungsspitzen von 100V glänzen.
> Wie verträgt sich dies mit einem MOSFET beziehungsweise einem einfachen
> Linearregler? Genügt als Gegenmaßnahme eine entsprechend
> dimensionierte TVS-Diode?

Schau die mal die Sicherheitsfeatures der Infineon-Bausteine an.

[Ingo S. (luziefer)]

Hallo,
es gibt N-Cannel Mosfet mit Interner Logic.
https://www.diodes.com/assets/Datasheets/ZXMS6004N8.pdf
ist nur ein Beispiel

[drm (Gast)]

>Schaltzeiten sind nicht relevant
sehr gut

>Ein Relais steht Platz-bedingt erstmal nicht zur Diskussion
OK, ist auch oldschool

>Ich habe keinen Plan von Optokopplern
nicht schwieriger als Transistoren+LEDs, aber egal

>Ich würde es mit einem Optokoppler machen
finde ich auch besser

>12V-Quelle (Lichtmaschine im KFZ)
Spannungsspitzen filtern !

für deinen FET und Versorgungsspannung ist das schon mal die 
Grundschaltung, viel Spaß beim Probieren