Lasttrennung zwischen USB +5V und externen +5V. MOSFET

[Felix N. (felix_n888)]

Moin Community,

Ich stehe aktuell bei meinem Projekt vor einem kleinen Problem. Es 
handelt sich dabei um eine LED-Matrix Anzeige welche wahlweise mittels 
USB-C Anschluss mit Strom versorgt werden kann oder alternativ mit einem 
Steckernetzteil 9-12V und entsprechenden Step-Down Wandler. Die 
Stormversorgung mit USB-C erfolgt später mit einem 5V/3A Netzteil ohne 
PC dazwischen.

Die LED-Matrix besteht aus 10 MAX7219 Treiber ICs also insgesamt 640 
LEDs(8x8 Displays). Die Stromaufnahme variiert je nach Anzahl der 
leuchten LEDs stark zwischen 0,3 bis 2,5A.

Den USB-C Anschluss brauch ich primär um eine serielle Verbindung 
mittels FTDI FT232RL zum ESP12F herzustellen um Grundlegende 
Einstellungen wie WLAN-Netzwerk und das angezeigt werden soll 
einzustellen. Wenn die +5V vom USB Port und eine serielle Verbindung 
hergestellt wurde weiß der ESP12F das und steuert die LED-Matrix 
entsprechend nur sehr begrenzt an um den USB Port nicht zu überlasten. 
Später kann man das System mittels einer TCP Verbindung weiter 
konfigurieren.

Das Problem ist aktuell die Trennung zwischen +5V von USB und den vom 
Step-Down Wandler(LM2596) diese müssen ja an einem Punkt verbunden 
werden um die gesamte Schaltung mit +5V zu versorgen. Als Trennung habe 
ich ein P-Kanal MOSFET genommen mit einer entsprechenden NPN-NPN Treiber 
Stufe die den MOSFET so ansteuert das er leitet wenn keine 9-12V extern 
anliegen und sobald externe 9-12V verfügbar sind sperrt.

Das ganze funktioniert auch Problemlos wenn da nicht die Body-Diode im 
MOSFET wäre. Die sorgt jetzt leider dafür das die +5V vom Step-Down 
Regler über die Diode in den USB Anschluss fließen können.

Beim Testaufbau wo ich den USB Port mit einem LM7805 ersetzt habe 
flossen schon knapp -100mA in den LM7805 über die +5V Schiene hinein. 
Die Spannung lag da bei 4,9V am 7805. Bin mir jetzt nicht sicher ob das 
eventuell auf Dauer den USB Port zerstören könnte wegen eventuellen 
Ausgleichströme da der USB Spannungsbereich ja auch auf 4,4V? runter 
gehen darf im schlimmsten Fall.

Lösen könnte man das Problem natürlich wenn man anstatt eines MOSFET ein 
Relais einsetzten würde das Problem wäre aber da das dass Relais zu groß 
wäre(mechanisch, die Platine soll möglichst schmal sein von der Höhe) 
und das 0,5W auch noch konstant für die Spule benötigt werden würde. 
Daher wollte ich das gerne mit einem Halbleiter lösen.

Hatte auch schon an einem Triac gedacht anstatt eines Fets aber das 
Problem wäre da glaubig das ich ihn wohl zünden kann und leitfähig 
bekomme aber nicht wieder ausschalten kann. Ein PNP Transistor komm ja 
auch nicht in Frage da der ja über die Kollektor-Emitter Strecke auch 
noch ein Spannungsabfall von ca 0,2-0,4V hat was ja dann auch wieder bei 
0,2V und 2,5A 0,5W Verlustleistung am Transistor wären mal abgesehen 
davon das die +5V dann auch zu gering wären mit 4,6-4,8V ...

Hab ihr eine Idee was man anstelle des MOSFETs einsetzten könnte? Oder 
wie man vielleicht die Body-Diode des FETs "umgehen" kann?

Mfg

[Clemens L. (c_l)]

Felix N. schrieb:
> Das ganze funktioniert auch Problemlos wenn da nicht die Body-Diode im
> MOSFET wäre. Die sorgt jetzt leider dafür das die +5V vom Step-Down
> Regler über die Diode in den USB Anschluss fließen können.

Zwei FETs hintereinander, in umgedrehter Richtung.

Oder einen integrierten Power-Mux, z.B. TPS2116.

[Wolf17 (wolf17)]

Darf der LM2596 überhaupt +5V am Ausgang, wenn der Eingang 0V ist?
Am einfachsten beide 5V Zweige über eine Doppelschottky koppeln, kostet 
aber 0,4V.

[Felix N. (felix_n888)]

Clemens L. schrieb:
> Zwei FETs hintereinander

Hallo Clemens,

Wenn ich jetzt noch ein P-Channel in umgedrehter Richtung dahinter 
schalte, wie schaut das dann mit der Ansteuerung aus? Das Gate muss ja 
negativer sein als Vgs(Gemessen zu Source) damit er durchschaltet. Muss 
ich das Signal dann nochmal invertieren?

Clemens L. schrieb:
> TPS2116.

Der gefällt mir ganz gut für mein Anwendungsfall. Ich muss eh für dieses 
Projekt noch bei mouser bestellen dort gibt es den sogar recht preiswert 
und lieferbar.

Ich habe mir das Datenblatt von dem TPS mal eben angeschaut eine Sache 
die ich nicht verstehe ich das mit dem beiden Switchover modes. Er kann 
ja im Priority mode oder Manual mode betrieben werden. Steuern über ein 
I/O Pin will ich ihn ja gar nicht. Und der LM2596 sollte wenn verfügbar 
so oder so immer Priorität haben als der USB Port(Das ist ja auch jetzt 
schon so angedacht).

Wenn ich ihn jetzt in den Manual Mode packe steht im Datenblatt 
"External Bias > 1V" dann kann ich ihn via PR1 mittels High/Low 
umschalten. Kann den Mode pin dann einfach an +5V legen?

Wolf17 schrieb:
> Darf der LM2596 überhaupt +5V am Ausgang, wenn der Eingang 0V ist?

Ich hab im Datenblatt des LM2596 nichts gefunden das dass zu Problem 
führen könnte.

Wolf17 schrieb:
> Am einfachsten beide 5V Zweige über eine Doppelschottky koppeln, kostet
> aber 0,4V.

Ja und bei USB kann die Spannung ja auch schonmal unter 5V leicht liegen 
und der AMS1117 der die 3,3V für den ESP12 bereitstellt funktioniert ja 
nur bis 4,3V ist mir ein bisschen zu gefährlich.

Aber ich habe ja die einstellbare Variante von dem LM2596 ich könnte den 
ja anstatt auf 5V auf 5,5V einstellen und eine Schottky Diode am Ausgang 
schalten zB. V3PM6 die hält 3A aus und hätte ein Spannungsfall von 
0,4-0,5V.

Die 5V gehen ja in den AMS1117 und in die MAX7219. Der MAX7219 darf bis 
5,5V haben. Dann kann ich vor der Diode direkt am Schaltregler den PR1 
Pin des TPS anschließen um umschalten auf den LM2596.

Ich habe mal ein Schaltplan mit dem TPS erstellt wie ich das mir jetzt 
vorstelle. Das dürfte doch so funktionieren? Bis auf den MODE pin da bin 
ich mir nicht ganz sicher :/

Oder muss ich +5V vom Regler und +5V vom USB über zwei Dioden jeweils an 
den MODE pin liegen. Die richtigen "+5V" sind ja hinterm TPS und ggf. 
erst verfügbar wenn der Pin richtig beschaltet ist?

Mfg

[Clemens L. (c_l)]

Felix N. schrieb:
> Wenn ich jetzt noch ein P-Channel in umgedrehter Richtung dahinter
> schalte, wie schaut das dann mit der Ansteuerung aus? Das Gate muss ja
> negativer sein als Vgs(Gemessen zu Source) damit er durchschaltet. Muss
> ich das Signal dann nochmal invertieren?

Nein. Die Source beider FETs verbinden, und die Gates normal ansteuern.

> Ich habe mir das Datenblatt von dem TPS mal eben angeschaut eine Sache
> die ich nicht verstehe ich das mit dem beiden Switchover modes. Er kann
> ja im Priority mode oder Manual mode betrieben werden. Steuern über ein
> I/O Pin will ich ihn ja gar nicht.

Also willst du Priority Mode; MODE = VIN1.

> Wenn ich ihn jetzt in den Manual Mode packe

... dann verhält er sich nicht so, wie du willst.

> Ich habe mal ein Schaltplan mit dem TPS erstellt wie ich das mir jetzt
> vorstelle. Das dürfte doch so funktionieren?

Mit dem TPS2116 brauchst du keine Diode an VIN1.

[Felix N. (felix_n888)]

Clemens L. schrieb:
> Nein. Die Source beider FETs verbinden, und die Gates normal ansteuern.

So wie auf dem angehängten Bild eingezeichnet? An sich bin ich mit der 
Lösung mit den FETs nicht mehr interessiert da der TPS Baustein für mein 
Problem genau die richtige Lösung im Verhältnis zu Anzahl an benötigen 
Bauteilen, aber dennoch interessiert mich wie das damit zu lösen gewesen 
wäre :)

Clemens L. schrieb:
> Also willst du Priority Mode; MODE = VIN1.



Also ich habe mir das Datenblatt jetzt nochmal in Ruhe angeschaut. Ich 
werde den Priority Modus nehmen. Hab auch nochmal ein Bild angehängt. So 
sollte der TPS2116 so funktionieren wie ich mir das vorstelle.

Den PR1 Pin hab ich mit an den Feedbackpin des LM2596 gehängt. Im 
Spannungslosen zustand sollte der PR1 Pin über den 1k Widerstand auf GND 
gezogen werden und somit tritt VPR1 < VREF ein und Vout ist Vin2 welcher 
die 5V vom USB-Port sind. Vref vom TPS liegt um 1V der LM2596 hat ein 
Spannung von 1.23V am Feedback pin das reicht aus um auf VIN1 
zuschalten. So kann ich mir die zwei Widerstände am PR1 Eingang sparen.

Und wenn man jetzt halt via USB das Gerät versorgt ohne Step-Down 
Wandler vorher sollte er beim Einschalten direkt auf VIN2 schalten oder?

Clemens L. schrieb:
> Mit dem TPS2116 brauchst du keine Diode an VIN1.

Ja stimmt. Keine Ahnung warum ich die da mit eingezeichnet habe. Hab 
mich wohl vertan mit dem anderen Post.

Mfg

[Manfred P. (pruckelfred)]

Felix N. schrieb:
> Wenn ich jetzt noch ..

.. den Schaltplan des originalen Arduino-UNO angucke, kann ich die 
Lösung direkt von dem abmalen.

[Clemens L. (c_l)]

Felix N. schrieb:
> Und wenn man jetzt halt via USB das Gerät versorgt ohne Step-Down
> Wandler vorher sollte er beim Einschalten direkt auf VIN2 schalten oder?

Genau.

[Felix N. (felix_n888)]

Clemens L. schrieb:
> Genau.

Okay alles klar. Danke dir vielmals.

Eine Frage hätte ich aber noch, was ich noch nicht so ganz verstanden
habe im Datenblatt. Ggf. muss ich das ganze auch später mal testen wenn
ich den Chip habe.

Auf der ersten Seite des Datenblatts steht:
"Reverse Current Blocking when VOUT > VINx"

Das heißt doch das die Ausgangsspannung größer sein muss als die
Eingangsspannung um mindestens 42mV(VRCB,R). Interessant wäre das ja für
den Fall wenn USB und der Step-Down Wandler mit Strom versorgt werden
und somit an beiden VIN pins +5V anliegt. Die Ausgangsspannung beim
LM2596 ein bisschen anzuheben auf 5,1 oder 5,2V wäre kein Problem.

Doch was passt wenn der USB-Port mal ein guten Tag hat und statt 5V 5,2V
rausgibt, was ja in den Specs für USB liegt? Dann würde doch wieder ein
Strom rückwärts durch den TPS in den USB Port fließen wenn ich das
Datenblatt da richtig verstehe. Normalerweise tritt dieser Fall nicht
ein weil im regulären Betrieb entweder ein USB Netzteil mit 5V/3A
verwendet wird oder ein 12V Steckernetzteil. Aber es könnte ja sein das
man zum Konfigurieren oder Firmware Upgrade des ESP12s den USB Anschluss
benutzt und normalerweise das Gerät via Steckernetzteil versorgt.

Der andere Parameter der mich so ein bisschen stuzig macht ist der:
"Reverse current blocking activation current(IRCB)"

Welcher im Datenblatt mit 1,4A definiert. Heißt das dass erst 1,4A
rückwärts fließen müssen bevor der TPS überhaupt eingreift und diesen
Strom blockt? 1,4A wäre ja schon heftig. Zumindest verstehe ich den
Graph im Datenblatt "Figure 7-1. Reverse Current Blocking Behavior" so
oder ist als ODER bedingung zu verstehen das wenn der Strom rückwärts
größer als 1,4A ODER die Ausgangsspannung größer als VRCB,R ist das der
Schutz einsetzt?

Oder verstehe ich da irgendwas Grundsätzlich falsch?

Mfg

[Mampf F. (mampf)]

Ich hatte damals "ideale Dioden" (MAX40200) benutzt. Mit denen kann man 
die beiden Ausgansspannungen mit quasi keinem Spannungsdrop und quasi 
ohne Verlustleistung zusammen-"odern".

Intern sind es glaub ich einfach ebenfalls MOSFETs.

Die kleinen Max können aber nur 1A - gibt aber sicherlich auch dickere 
ähnliche Teile.

Ansonsten würden mir noch "Power-Path"-Schaltungen einfallen, die man 
oft zum Umschalten von Akku-Betrieb auf externe Spannung sieht.

Der zuvor genannte Power-MUX ist ziemlich cool!

[Clemens L. (c_l)]

Felix N. schrieb:
> Die Ausgangsspannung beim LM2596 ein bisschen anzuheben auf 5,1 oder 5,2V
> wäre kein Problem.

Nein, dafür ist der Spannungsteiler an PR1 gedacht. Du kannst ihn so 
einstellen, dass nur dann auf VIN2 umgeschaltet wird, wenn VIN1 auf z.B. 
4,5 V fällt.

> Das heißt doch das die Ausgangsspannung größer sein muss als die
> Eingangsspannung um mindestens 42mV(VRCB,R).

Ja. Soweit ich das verstehe, ist das der Spannungsabfall über den 
MOSFET.

> Der andere Parameter der mich so ein bisschen stuzig macht ist der:
> "Reverse current blocking activation current(IRCB)"
>
> Welcher im Datenblatt mit 1,4A definiert. Heißt das dass erst 1,4A
> rückwärts fließen müssen bevor der TPS überhaupt eingreift und diesen
> Strom blockt?

Ja. (1,4 A × 37 mΩ ≈ 52 mV; weniger kann er nicht messen.)

Aber das passiert nur, wenn eine dritte Spannungsquelle den Ausgang 
anhebt. Es ist immer nur ein MOSFET aktiv.

[Clemens L. (c_l)]

Mampf F. schrieb:
> Ich hatte damals "ideale Dioden" (MAX40200) benutzt. Mit denen kann man
> die beiden Ausgansspannungen mit quasi keinem Spannungsdrop und quasi
> ohne Verlustleistung zusammen-"odern".

Aber wenn beide Eingänge (fast) die selbe Spannung haben, sind beide 
aktiv, und die beiden Quellen miteinander verbunden.

> Die kleinen Max können aber nur 1A - gibt aber sicherlich auch dickere
> ähnliche Teile.

Z.B. LM66100. Das ist die Ein-Kanal-Version des LM66200, der eine 
einfachere Version des TPS2116 ist.

Für noch größere Ströme gibt es Ideale-Dioden-Controller wie den 
LM74502, bei dem du dir beliebig dicke externe MOSFETs aussuchen darfst.

[Felix N. (felix_n888)]

Clemens L. schrieb:
> Nein, dafür ist der Spannungsteiler an PR1 gedacht.

Mit Anheben der Ausgangspannung des LM2596 auf 5,1V-5,2V meinte ich um 
die Bedingung "Reverse Current Blocking when VOUT > VINx" zu erfüllen.

Clemens L. schrieb:
> Ja. Soweit ich das verstehe, ist das der Spannungsabfall über den
> MOSFET.

Ah ok. Ja das würde sinn machen, hatte mich eh schon gefragt wie er das 
genau feststellen will. Wobei der Spannungsabfall über den MOSFET ja 
auch von der Versorgungsspannung abhängig ist er hat ja schließlich je 
nach VIN immer ein leicht anderen Rds(on) Wert. Bei +5V VIN sind es ja 
37mΩ. Dürfte aber kein so signifikanten Unterschied machen.

Clemens L. schrieb:
> Aber das passiert nur, wenn eine dritte Spannungsquelle den Ausgang
> anhebt. Es ist immer nur ein MOSFET aktiv.

Ja gut das passiert in meinem Fall ja nicht. Dann dürfte ja eigentlich 
maximal wenn an beiden VIN pins +5V anliegt der "Reverse leakage current 
out of
VINx(IREV)" maximal fließen welcher irgendwo weit im unteren uA Bereich 
ist.

Ich hatte ein Beitrag im TI Forum gefunden:

https://e2e.ti.com/support/power-management-group/power-management/f/power-management-forum/989934/tps2116-how-to-prevent-current-going-to-battery-from-main-voltage-source

Wo es auch um den TPS2116 geht eine "ähnliche" Anwendung wie in meinem 
Fall da ging es jetzt zwar darum das ein kleiner Strom(0.2uA) durch den 
TPS2116 zurück in eine Trockenzelle fließt. Aber das wäre ja in meinem 
Fall wo die Batterie der USB-Port ist egal, mit dem Strom wäre ich auf 
jeden Fall fine da sollte dem PC nichts passieren.

Ich werde das Bauteil mal mit bestellen auf der Platine ist es schon 
eingezeichnet. Ist ja recht erschwinglich vom Preis her und dann erstmal 
testen bevor ich die Platine selbst bestelle.

Mfg