¿Conducir dos MOSFETs con una puerta AND?

Question

Estoy diseñando un circuito para accionar los frenos de un motor de corriente continua. Los frenos son una bobina de 19,9 que se desactiva cuando se energiza (piense en frenos de estilo de motor de silla de ruedas). Los frenos funcionan con 24VDC.

Me he encontrado en una situación única en la que los frenos se activan y desactivan desde el microcontrolador principal (lógica de 5V), pero quiero poder desactivar los frenos si no se cumplen ciertas condiciones en el microcontrolador auxiliar (también lógica de 5V). El microcontrolador auxiliar está configurado como una especie de dispositivo de bloqueo de seguridad, con la idea de poder desactivar la alimentación del controlador del motor en caso de emergencia. Esto se hace mediante la conmutación de un solenoide (sistema separado de lo que estoy tratando de preguntar con este post). Seguro que esta tarea se podría trasladar al microcontrolador principal, pero me gusta la idea de mantener los sistemas separados.

Mi idea es usar una compuerta AND para controlar dos MOSFETS individuales para controlar dos frenos individuales SI ambos microcontroladores tienen los pines puestos en HIGH. Siento que he dado vueltas en círculos, tratando de encontrar la respuesta a esto / implementar este diseño de una manera inteligente...

Mi pregunta tiene varias partes:

• ¿Puede una compuerta AND accionar dos MOSFETs en la configuración de abajo? (Si no es así, ¿qué cambios habría que hacer?)

• ¿He elegido las resistencias correctas para las puertas del MOSFET?

• ¿Son necesarias las resistencias pull-down en el lado de entrada de la puerta AND?

Piezas:

Puerta AND - https://www.mouser.com/datasheet/2/916/74LVC1G08-1319751.pdf

MOSFETs - https://www.mouser.com/datasheet/2/916/PMV40UN2-1320360.pdf

Microcontrolador - Arduino Yun Rev2

Microcontrolador auxiliar - Arduino Nano

Freno - Carga inductiva 24V 19,9 ~1,2A

Este es mi primer post, así que por favor sean amables y gracias de antemano por cualquier aportación.

Answer 1

No necesitas R8, R9, R10 y R11... si quieres una resistencia limitadora de corriente para la puerta de cada mosfet puedes mantener R10 y R11 en tu diseño, dependiendo de lo rápido que quieras que se encienda este mosfet podrías querer un valor más bajo para ellos, creo que 100 ohmios está bien para esta aplicación.

En segundo lugar, yo añadiría un circuito integrado de control entre la puerta y los MOSFETs, las puertas lógicas no están pensadas para proporcionar corrientes de conducción, aunque los MOSFETs requieren pequeñas corrientes para su encendido (unos pocos mAs o así) yo añadiría un circuito integrado de control adecuado que tome la señal y pueda conducir algo de corriente a la puerta de su interruptor. un circuito integrado de control de MOSFET dual de 5V o algo similar hará el truco aquí probando la corriente para ambos interruptores.

Tercero, viendo tu corriente y voltajes parece que tu MOSFET va a estar bien, pero fíjate en cuáles son las contrapartidas de conseguir uno más grande y tener más margen de maniobra en ese extremo

Answer 2

Las resistencias de puerta en serie tienen dos propósitos. Reducen la corriente de puerta que se consume al conmutar y protegen al controlador contra los transitorios de la carga más allá del conector de salida.

Cuando la salida de la puerta AND pasa de bajo a alto, se presenta instantáneamente un cortocircuito, en teoría, por las capacitancias de la puerta del FET de 2 x 635 pF. Esto estresará al transistor de conducción superior en la puerta AND. Esto puede afectar a la fiabilidad a largo plazo de la pieza. Aunque las salidas de las puertas lógicas modernas son más resistentes que las de hace décadas, es mejor poner una resistencia de puerta en serie para limitar la corriente consumida.

Según la hoja de datos, la puerta AND puede alimentar/recibir hasta +/-50 mA y puede utilizarse una pérdida de salida de aproximadamente 0,6 V, es decir, la salida que conduce 50 mA da 4,4 V o menos (ignorando la precisión de la alimentación de 5 V), la salida que hunde 50 mA da 0,6 V o más. Esto sugiere una resistencia en serie de 4,4/0,05 = 88R. Así que yo usaría 100R, que es lo que tienes. Cuando la puerta AND conmuta, las puertas de los FETs estarán completamente cargadas o descargadas en 4,6RC = 584 ns. Podrías obtener un tiempo de conmutación del FET más preciso utilizando las características de transferencia reales, pero imagino que este tiempo está bien de todos modos.

Cuando aparece un gran transitorio en el drenaje del FET cuando se desconecta, su capacitancia de puerta de drenaje Crss puede hacer que el transitorio tire de la salida de la puerta AND excesivamente alta o baja y la dañe. (He visto esto en un par de diseños de otras personas que manejaban cargas medias en entornos ruidosos. El hecho de añadir resistencias en serie eliminó este fallo).

Las resistencias de pull-up o pull-down predisponen a los FETs a un estado preferente cuando no son accionados. La puerta AND tiene una salida push-pull y siempre conduce. Así que las resistencias pull-down no tienen ningún propósito y deben ser eliminadas.

Así que: (1) sí, la puerta AND puede accionar los dos FETs; (2) mantén R10 y R11 como están; (3) quita R8 y R9.

Answer 3

Vamos a desglosarlo:

1. ¿Puede la puerta AND accionar dos MOSFETs?

Como regla general, cualquier dispositivo puede accionar cualquier FET siempre que A) pueda superar la corriente de fuga puerta-fuente (100nA en tu caso, no hay problema) y B) consiga que el voltaje supere el umbral (yo diría que 2V con seguridad, mirando la página 7 de la hoja de datos del FET). La única pregunta es ¿cuánto tiempo se necesita?

Para un conductor, un FET se parece bastante a un condensador -- la tabla 7 dice que es de unos 635pF. 100Ω de resistencia de puerta hace que su constante de tiempo R*C sea 100*635e-9 = 64us. El voltaje de tu condensador se eleva al 63% del voltaje de la fuente (63%*5V ~ 3.15V, más que suficiente para encender tu FET) dentro de una constante de tiempo, así que toma menos de un latido encender el FET -- asumiendo que tu driver puede mantener un voltaje constante...

¿Pero puede? Según la Tabla 5 de la hoja de datos del chip, la puerta AND puede conducir 50mA a un cortocircuito a tierra. Al encender un condensador se ve como un cortocircuito muerto, por lo que realmente sólo se trata de su 100Ω tapas en paralelo, para 50Ω a tierra. A 5V esto es 100mA, que es un más que su chip puede suministrar. ¿Es esto un problema? No, el chip suministrará alegremente 50mA hasta que sus FETs se enciendan, lo que aún ocurrirá en menos de 1ms.

2. ¿Funcionan las resistencias de puerta y los pulldowns del MOSFET?

Hay dos razones principales por las que se utilizan las resistencias de puerta: una es para evitar el timbre que causa EMI y la otra es para ralentizar ("slew") el encendido del dispositivo. Dado que probablemente no te importa ninguno de los dos, es seguro dejarlos desactivados, pero puedes dejarlos activados si quieres. 100Ω o menos es un buen valor, realmente no puedes equivocarte en ese rango.

Los pull downs no son realmente necesarios: tu puerta AND opera en "push-pull", lo que significa que "empujará" la salida hacia arriba cuando sea un 1 y "tirará" hacia tierra cuando sea un 0. En algunos dispositivos sólo tirará en una dirección, lo que significa que necesitas un pull up/down para contrarrestarlo cuando el dispositivo esté flotando, pero ese no es el caso aquí.

Por supuesto, tenerlos allí no va a perjudicar nada y 10k es un buen valor si te gustan. A veces los dispositivos conectados a los FETs pueden tener fugas de corriente y causar un comportamiento impar si están en estados extraños (piensa en un microcontrolador que tiene tirones internos que se desconectan cuando está en modo de ahorro de energía) pero una vez más, eso no es algo que realmente tiene que preocuparse aquí.

3. ¿Son necesarios los pulldowns para la entrada de la puerta AND?

Por la misma razón que la anterior, estará bien sin ellos.

En resumen, el diseño debe ser bueno para ir. Usted podría cambiar los pull-downs del FET a pull-ups por seguridad, en cuyo caso tu dispositivo se frenaría a sí mismo si pierde 5V (asumiendo que el voltaje de frenado sigue presente) -- no estoy seguro de si esto es deseable o no Podrías hacer lo mismo en la entrada de la puerta AND si alguna vez hay una posibilidad de que el microcontrolador se desconecte.

Sólo una nota: si es posible, los esquemas deben dibujarse con los carriles de tensión apuntando hacia arriba. Voltea tu +5V (o voltea los pines 4 y 5 en la parte) y voltea tus diodos de sujeción con las líneas de entrada de los frenos.