Diseño de un circuito MOSFET para el funcionamiento PWM con filtro de paso bajo y con consideraciones de seguridad

Question

Estoy diseñando un circuito en este momento y, como parte de eso, necesito ser capaz de hacer funcionar 4 ventiladores de 12VDC (que haré funcionar en paralelo) con una corriente de funcionamiento de 150mA y una tensión de arranque de 4,5V. Mi problema es que mi carril de suministro es de 24V.

De momento estoy pensando en utilizar una señal PWM de 5V desde mi microcontrolador para controlar la tensión de puerta de un MOSFET. Con un ciclo de trabajo del 50%, debería conseguir una tensión media de 12V. Sin embargo, el PWM es ruidoso y sería bueno poder suavizar la tensión de salida con un filtro de paso bajo. Estaría bien poner el filtro entre el micro y la puerta del MOSFET, sólo tengo que asegurarme de que la tensión de la puerta está por encima de la tensión umbral.

Esta es mi pregunta: ¿es algo como este ¿adecuado? Además, ¿cómo puedo protegerme de cualquier cosa que pueda ir mal? Por ejemplo, si los ventiladores hacen cortocircuito, etc., no quiero provocar un incendio si el MOSFET está disipando grandes cantidades de energía.

Este es mi proceso de pensamiento para elegir el MOSFET

• \$V_{GS(th)}\$ = \$0.67 V\$ que es mayor que el voltaje "off" esperado de mi pin PWM
• \$V_{GS(max)}\$ es \$8V\$ que es menos que mi \$5V\$ salida PWM máxima
• La corriente de drenaje continua máxima es \$6.3A\$ que es mayor que mis 4 ventiladores ( \$4 \cdot 0.15 = 0.6A\$ )
• Con \$V_{GS}\$ a 2,5V (5V al 50% de servicio) puedo suministrar más de 20A. No entiendo esta parte porque la hoja de datos dice una corriente de drenaje máxima de 20A pulsada. Supongo que sólo puedo hacer esto por una cantidad muy corta de tiempo).
  • Max \$V_{DS}\$ es de 30V, mayor que mis 24V
  • \$R_{DS(on)}\$ es típicamente de 0,038Ohms a una tensión de puerta de 4,5V. A ( \$4\cdot 150mA =\$ ) La disipación de energía de 600mA es de 22,8mW que supongo que es lo suficientemente baja.

Aquí está mi esquema. ¿Qué puedo hacer para mejorarlo y/o protegerlo de cualquier cosa que pueda salir mal?

Answer 1

Como Andy señala correctamente (+1) estás llevando al MOSFET a una región de disipación de energía al añadir el filtro y se está calentando. El condensador C1 es la celebración de la tensión mucho después de que el impulso se ha apagado y se descargará (lentamente) a través de R1 y R12.

Para que el MOSFET se apague rápidamente es necesario descargar el condensador puerta-fuente. Se necesita una resistencia mucho menor para R12. También la resistencia de entrada de 10k (R1) cargará el condensador de puerta más lentamente - como la puerta es esencialmente una pequeña carga capacitiva se necesita una pequeña resistencia.

Alimentación de 24V, ventiladores de 12V:

Si los ventiladores son todos del mismo tipo podrías conducirlos en serie/paralelo para que sólo vean 12V cada uno. Esto también reducirá la cantidad máxima de corriente que debe manejar el MOSFET.

Ahora puedes hacer funcionar tu control de velocidad PWM hasta el 100% sin preocuparte de exceder el voltaje/corriente de los ventiladores (o si sólo quieres funcionar a máxima velocidad/apagado sólo tienes que usar una línea de E/S digital)

Protección contra sobrecorriente:

La forma más sencilla es poner un fusible en serie.

Answer 2

Yo buscaría otra solución porque tu sistema no es a prueba de fallos. Nunca confíes en el software para la integridad de tu hardware. Si tu MCU falla, o se detiene por cualquier razón, tu sistema puede detenerse con el MOSFET siempre encendido. Eso podría destruir sus ventiladores. Yo añadiría una protección de sobrevoltaje en la salida de tu sistema que apague el MOSFET en caso de sobrevoltaje o dispare una palanca y un fusible o lo que sea.

Answer 3

Utilice una etapa push pull con un PMOS y un NMOS. En teoría puedes conectar ambas puertas juntas y manejarlas con la misma señal pwm. En la práctica, probablemente quieras utilizar una MCU con soporte de pwm complementario para poder controlar la temporización.