Inrush Current Limiting ( P Mosfet)

[bymrz]

Merhabalar,

İçerisinde DC-DC Buck Regülatörlerin olduğu ve yaklaşık her biri 3A veya daha fazla akım çektiği cihazlar var. Bunlar aynı DC 12-60V üzerinden paralel bir şekilde besleniyorlar. Kablo mesafesi arttığında veya ürün adeti yükseldiğinde, devre girişindeki kapasitörlerden dolayı hatta oluşan inrush currentlar, iletken üzerinde ani transient voltajlara neden oluyor. Gerekli TVS diyotlar vs kullansam da her zaman yeterli olmuyor, devredeki komponentler arızalanabiliyor. TVS diyot vb koruma elemanları kullanmak yerine sorunun kaynağını (inrush current) en aza indirgemek istiyorum. 



Piyasada hazır "load switch" entegreleri olsa da benim voltaj akım değerlerini karşılamıyor. Dolayısıyla aşağıdakine benzer harici bir devre eklemem gerekiyor sanırım.


- Fakat bu devreyi kurarken hangi parametrelere dikkat etmem gerekiyor.
- Hesaplamayı nasıl yapmam gerekiyor.
- Örneğin bu devre 12 - 60V DC aralığında çalışması gerekiyor. Bu voltaj değişimleri içerisinde aynı devrenin çalışabilmesi için mosfetin Gate'ini nasıl sürmem gerekiyor.
- Mosfetin gate girişini transient voltajlardan nasıl koruyacağım.(zener yavaş kalır; TVS ya yetersiz kalırsa!)
- İlk soft start esnasında kısa süreli de olsa çok fazla gerilim düşümü olmayacak mı? Bu durumda kayıp güç mosfetin "Power Dissipation Max" değerini geçmez mi?


Şimdiden cevaplarınız ve yardımlarınız için çok teşekkür ederim...

[apsis]

NTC ile. Inrush current için kullanılan ntc'ler var. Tasarımına göre ister devrende kalıcı olarak üzerinden akım geçer ister bir role ya da başka bir kontrol elemanıyla inrush için bir süre bekleyerek devreden çıkartabilirsin.

[hwdesigner]

Yada devreler üzerindeki devasa giriş kapasitelerini azaltabilirsin. Bir çok tasarımcı gerekenin 3-5 hatta 10 katı kapasite kullanıyor. seri kapasiteler de eklenince direnç azalıyor ve abanıyor güç kaynağına

[bymrz]

NTC ile. Inrush current için kullanılan ntc'ler var. Tasarımına göre ister devrende kalıcı olarak üzerinden akım geçer ister bir role ya da başka bir kontrol elemanıyla inrush için bir süre bekleyerek devreden çıkartabilirsin.

Hocam DC devrelerde bu gerilimlerde NTC pek tercih edilmiyor gördüğüm kadarıyla. Ayrıca devrede alan çok kısıtlı, mekanik bir role vs. kullanmam mümkün değil. NTC devrede kalırsa da kendi iç direnci çok yüksek kalıyor. NTC yi belki devreden bir mosfet ile kısadevre ederek devre dışı bırakabilirim ama bu durumda da yine yukarıda belirttiğim devreyi eklemem gerekecek.

Yada devreler üzerindeki devasa giriş kapasitelerini azaltabilirsin. Bir çok tasarımcı gerekenin 3-5 hatta 10 katı kapasite kullanıyor. seri kapasiteler de eklenince direnç azalıyor ve abanıyor güç kaynağına

Hocam inanın mümkün olan en düşük değerleri kullanıyorum(10uF + 2.2uF). Fakat her bir cihaz içerisinde de birden fazla DC-DC Regulator olduğundan sayı yine çoğalıyor.

[pwr_24]

Hocam DC devrelerde bu gerilimlerde NTC pek tercih edilmiyor gördüğüm kadarıyla. Ayrıca devrede alan çok kısıtlı, mekanik bir role vs. kullanmam mümkün değil. NTC devrede kalırsa da kendi iç direnci çok yüksek kalıyor. NTC yi belki devreden bir mosfet ile kısadevre ederek devre dışı bırakabilirim ama bu durumda da yine yukarıda belirttiğim devreyi eklemem gerekecek.

Hocam inanın mümkün olan en düşük değerleri kullanıyorum(10uF + 2.2uF). Fakat her bir cihaz içerisinde de birden fazla DC-DC Regulator olduğundan sayı yine çoğalıyor.

Siz ekledigim linkteki inrush Current limitter leri inceleyin dilerseniz.
https://www.ametherm.com/inrush-current/inrush-current-data-sheets/

[ibocakir]

Hocam selam,

Fakat bu devreyi kurarken hangi parametrelere dikkat etmem gerekiyor.

- Seçilen FET'in Vds gerilimi ve mosfetten önceki kapasitörler 100V'a dayanabilir olsun.
- Gecikme için seçilen RC'deki R değeri 1Mega Ohm'un üzerine çıkmamalı. 

- Hesaplamayı nasıl yapmam gerekiyor.

Öncelikle şiddetle LTSpice ile simülasyon yapmanızı öneririm. Yapılacak hesap simülasyon ile gerçek devrede tam uyuşmayabilir. RC değerleriyle ufak oynarak optimum değerleri bulabilirsiniz. Doğrudan şu formulü/hesabı kullanın diye birşey belirtemeyeceğim.

- Örneğin bu devre 12 - 60V DC aralığında çalışması gerekiyor. Bu voltaj değişimleri içerisinde aynı devrenin çalışabilmesi için mosfetin Gate'ini nasıl sürmem gerekiyor.

Mosfetin Gate'ini verdiğiniz görseldeki gibi de sürebilirsiniz, ya da bir sinyal nMos ile de sürebilirsiniz. Ör: 2N7002. Power FET PMOS olduğu için kendiliğinden açılması gerekecek. Yalnız Power FET'i Source'dan Drain'e sürüyor görünüyorsunuz. Drain'den Source'a da aktarabilirsiniz.

- Mosfetin gate girişini transient voltajlardan nasıl koruyacağım.(zener yavaş kalır; TVS ya yetersiz kalırsa!)

TVS neden yetersiz kalsın? Yeterli gücü sağladıktan sonra.

- İlk soft start esnasında kısa süreli de olsa çok fazla gerilim düşümü olmayacak mı? Bu durumda kayıp güç mosfetin "Power Dissipation Max" değerini geçmez mi?

Power MOSFET'lerde SOA konusunu araştırın. Safe Operating Area, FET'ler belirli bir süre Power Dissipation Max değerini geçebilecek enerjiyi üzerlerinden boşaltabilir. FET'in paketi, kimyasal yapısına göre farklılık gösterebilir. Yani sorun olmaz.

[ibocakir]

Piyasada hazır "load switch" entegreleri olsa da benim voltaj akım değerlerini karşılamıyor. Dolayısıyla aşağıdakine benzer harici bir devre eklemem gerekiyor sanırım.

Proje maliyeti ne durumda bilmiyorum ama hazır IC'ler yok değil. LTC4365 ya da LTC4367 ile yapılabilir.(Sisteme bir de overvoltage, undervoltage, reversevoltage koruması da koymuş olursunuz) Onsemi ya da TI'ın da benzer ürünleri vardır diye tahmin ediyorum. Discrete yapıda yapmadan önce iyice araştırmanız gerekebilir.

Ayrıca sadece load switch diye arattığınız için birşey bulamamış olabilirisiniz. "Ideal Diode Controller" da aratabilirsiniz. Harici FET koyarsınız FET'i diode controller sürer.

[Sozuak]

Hatta aralıklarla endüktans ekleseniz olmuyor mu. Bizim yüksek akım çeken cihazlarda pi filtre şeklinde paralel kondansatör seri endüktans paralel kondansatör olur ani akım yüklenmeleri bu sayede indirgenir ve endüktansın sebep olacağı darboğaz da çıkışındaki kapasite ile karşılanır.

[bymrz]

Hatta aralıklarla endüktans ekleseniz olmuyor mu. Bizim yüksek akım çeken cihazlarda pi filtre şeklinde paralel kondansatör seri endüktans paralel kondansatör olur ani akım yüklenmeleri bu sayede indirgenir ve endüktansın sebep olacağı darboğaz da çıkışındaki kapasite ile karşılanır.

Hocam alan çok dar ve devrede çok ani akım değişimleri oluyor. Bu durumda oluşacak empedanstan dolayı sıkıntı olur diye düşünüyorum. Gerçi asıl sorun dediğim gibi alan.



@ibocakir hocam, dediğiniz gibi bu komponentlerin maliyeti kartın maliyetine yaklaşıyor neredeyse. Bir de yine harici fet kullanılması gerekiyor.

Sonuç olarak aşağıdaki devreyi kurmayı düşünüyorum. Dediğiniz gibi LTC Spice 'da analizlerine baktım. Kullanacağım FET'i kesinleştirdikten sonra C1 kondansatörüyle oynamam gerekecek sanırım.
Bazı uygulama notlarında C2 kondansatörünün de kullanıldığını gördüm fakat açıkçası mantığını pek anlayamadım. Bu konuda da bilgi verebilirseniz çok memnun olurum.

Gate'i korumak için de bir zener koydum. Sizce bu yeterli koruma sağlar mı. Fet'in bozulmaması için başka ne gibi önlemler almam gerekir(minimum komponentle).
Bu arada devrenin girişinde yine TVS diyot mevcut olacak...

[asma]

Merhaba

R2/R1 oranına dikkat etmeniz gerekir. 36volta kadar zener iletime geçmiyor , 12V ile Vth değerini geçemeye bilirsiniz.
Bu da mosfet i tam iletime sokmadığınız için düşük besleme voltajlarında ısıya dönüşür.
R2: 100K , R2: 220K olabilir. C1 i değiştirmenize gerek kalmaz. (kullandığınız mosfete göre değişir)

C2 i neden kullandınız anlayamadım. Yorum yapamadım.

Kolay gelsin.

[Sozuak]

Güç kaynağı çıkışına  koysanız ve endüktans çıkışına ve girişine kondansatör ekleseniz  o kadar da mı yeriniz yok. Devrelerin üzerine ekleyin demiyorum.

Öbür türlü her bir yük önüne bir devre parçası eklemek daha zor ve maliyetli olmaz mı? Benim bu bahsettiğim yöntem anlık çok yüksek güç çeken 10-50kw gibi röntgenlerde de kullanılıyor. Tabi endüktans ve kapasitelerin boyutu da ona göre büyük oluyor. Şebekeden doğrultulmuş voltaj üzerinde bulunuyor.

Bazen de sizinki gibi ufak  ama çok sayıda yüklerde örneğin çoklu grup akü şarj devrelerinde oluyor. (her birinde 8-10 adet  ikili grup bağlı 5-6 adet akü grubu mesela)

[JOKERAS]

Doğrusal DC hat üzerine bağlanacak her yük,Akım eşitsizliğine sebep olur.
Anlık hızlı değişimler,Anahtarlamalı Beslemelerin Anahtarlama Freknasları hatta sirayet eder.Bence bu sorun için en mantıklı yol Sozuak'ın önerdiği yöntem olur diye düşünüyorum.
Yani her besleme girişine LC Filitresi.Her düğüm kendi Akımından sorumlu olur.
Ayrıca Yıldız şeklinde,yani her beslemenin hattı ayrı olacak şekilde de denenebilinir.


Fet devresi bildiğiniz anahtar devresi.

Gate'e koyduğunuz zener,giriş voltajı yüksek olması muhtemel durumda Mos'u keser.Gereksiz.
C1,Gate'te olabilecek parazitleri,pik voltajları soğurmak için.
R1,PMos Gate'ini Kesmek, R2 ise PMos Gate'ini  doyurup iletime sokmak için.
C2,devreye ilk Start verildiğinde Mos'un iletime geçmeye başladığı ilk anda,çıkış voltajına çok küçük bir eğim vermek için.Soft Start ta denebilinir.Olmasada olur.

Bu devre,sadece hattan gelebilecek pikleri soğurur,hattaki beslemelerin çekeceği yükün etkisine karşı bir etkisi olmaz.Hat yine bayılır veya gürültü oluşturur.
Onun için LC filitre daha mantıklı gibi.

asma,Mosu N kanal ile karıştırmışsın sanırım.
Pmos,Gate voltajı yükseldikçe doyum azalır.Tam tersi durum.

[ibocakir]

Merhaba @JOKERAS hocam,

Gate'e koyduğunuz zener,giriş voltajı yüksek olması muhtemel durumda Mos'u keser.Gereksiz.

Zener yüksek gerilim gelmesi durumunda FET'i neden kessin? Clamp olacağı voltaj zaten belli. Yanmadığı sürece yüksek gerilimi örndeğin 10V'a bastıracaktır.

C1,Gate'te olabilecek parazitleri,pik voltajları soğurmak için.

C1'in yüksek frekans gürültüleri bastırmak için konulmaz. FET'in gate'ine gerilim direk binmesin kapasitör doldukta gate açılsın diye eklenir. Yani soft start görevini C1 yapar, C2 değil.

C2,devreye ilk Start verildiğinde Mos'un iletime geçmeye başladığı ilk anda,çıkış voltajına çok küçük bir eğim vermek için.Soft Start ta denebilinir.Olmasada olur.

C2 soft start işini yapmaz. Aksine C2'yi ne kadar büyük tutarsanız inrush akımı o orada artar. O nedenle bulk kapasitörler inrush limiter öncesine eklenir.

[JOKERAS]

Merhaba @ibocakir .

Giriş Voltajı yüksek olunca,oradaki zenerin sızdırma noktasını aştığında R1 Gate boşaltma direnci
iptal olur.Dolayısı ile R1 R2 düğümündeki Akım,Zener taşması nedeniyle fazla olacağı için
R2'yi iptal eder ve Pmos gate'ni boşaltır ve Pmos kesilir.

C1'in Soft Start yapacak hali yokki.Zaten R1 ile Paralel.Kapasitenin hızı Dirençten Daha
hızlıdır.Bu hız,Kapasite Doyana kadar.Doyduktan Sonra pasif olur, Paralel bağlı kapasite
gibi davranır.
Bu minvalde,Devre çalışırken hat üzerinde olabilecek gürültüler,parazitler hoplama zıplama vs
Kapasite tarafından soğrulur.Aksi halde Hat üzerinde olabilecek muhtelif gürültüler Mos gate'inde görülürdü.



C2 nasıl Soft Start yapıyor...
Dikkat ederseniz Kapasitenin bir bacağı Mos çıkışını izlerken,diğer bacağı Şaseye karşı bir direnç R2 ile Gate bağlı.
Devreye ilk enerji uygulandığında Gate hattı R2 ile Sıfıra çekilmiş vaziyette.
Bu,Kapasitenin bu bacağının ilk anda sıfır olduğunu belli eder.
Mos iletime geçmeye başladığında Mos çıkışındaki gerilim bu kapasiteyi kutuplar.Doğal olarak
bir bacağı bir direnç ile Şaseye bağlı olan kapasitenin bu bacağında,kapasite doyana kadar potansiyel bir gerilim farkı oluşur.Bu Fark,R2 ile Gate uygulanan Şase hattına küçük bir eğim uygular.Bu sayede Gate doyumu küçük bir eğime maruz kalır.Gate lineer bölgeyi geçince tam iletimde olur C2'de pasif hale gelir.



Acaba benmi yanlış görüyorum sizlermi.Yorumları N mos'a göre yapıyorsunuz gibi geliyor.
PMos olunca her şeyi tam tersi yorumlamak gerekli.

 

[ibocakir]

Giriş Voltajı yüksek olunca,oradaki zenerin sızdırma noktasını aştığında R1 Gate boşaltma direnci
iptal olur.

Abi valla anlamadım neden R1 iptal olur. Sanırım kısa devre olur demek istiyorsunuz. Zenerin yönüne dikkat ediyorsunuz değil mi?

LTSpice simülasyon da yaptım, kapanmıyor.