来自隔离式 3V3 GPIO 的高侧 mosfet 12V 开关

电器工程 场效应管 stm32 光隔离器
2022-01-20 08:41:28

我想从 3V3 STM32H753VI GPIO 切换 12V 激光传感器的电源。我会长时间打开或关闭电源(这里不是 PWM)我对 Mosfet 和光耦合器不满意,所以我需要帮助以确保我可以将它路由到我的电路板。我想走高边,因为当我切断地面时,传感器激光设置为 12V 输出。由于隔离电源,我需要隔离。


原理图

SCH 激光电源接CN1,消耗100mA左右,可以工作在10V到14V之间。
STM32H753VI工作在 3V3,GPIO 将设置为开漏。
由于占用空间小,我想使用EL3H7-G (C) 光电耦合器和STR2P3LLH6 Mosfet。


驱动光耦

当 GPIO 对地短路时,电流流向EL3H7-G led,我从表(第 3 页)和曲线(第 4 页)获得正向电压

正向电压 正向电压曲线

GPIO 无法处理超过 20mA 的 GPIO,所以我将设置If=10mA
R1=(3.3V-1.2V)/0.01A=210ohms

我会选择R1=200ohms
If=(3.3V-1.2V)/200=10.5mA


光耦 Ic 电流

我想当我查看EL3H7-G数据表(第 3 页)时,我可以看到光耦合器晶体管可以在 If=10mA 和 Ic=1ma 下饱和,因此 Vce(sat) 将处于 0.2V max 。(在曲线上我可以看到我可以进入 6ma 进入饱和区域)

VCEsat VCE曲线

R2=(12V-0.2V)/0.001=11.8kOhms
我会选择R2=10kOhms
Ic=(12V-0.2V)/10000ohms=1.18mA
Ic=1.18mA


MOSFET Vgs

Vgs为-R2电压
VR2=12V-0.2V=11.8V
Vgs=-11.8V

STR2P3LLH6数据表(第 3 页)我可以看到Vgs(th)=-2.5V

Vgs(th)

Vgs (-11.8V) 比 Vgs(th) (-2.5V) 更低,因此Mosfet 将打开。

Vgs 最大值

我可以在STR2P3LLH6数据表(第 2 页)上看到 Vgs max 为 +/-20V
,所以我可能不会用 -11.8V 破坏门


输出(VPWR)

STR2P3LLH6数据表(第 5 页)上,我可以看到 100mA 的 Rdson 约为 48mOhms

Vgs(th)
德森

Vds=-(0.048ohms*0.1A)=-4.8mV

VPWR=12V-0.0048V=11.99V
VPWR=11.99V

我现在可以计算 Mosfet 耗散功率

P=0.0048V*0.1A=480µW
P=480µW

P (480µW) 确实低于 Ptot (0.35W)


结论

  • 您认为 Mosfet 会按照我的意愿完全开启或关闭吗?
  • 你认为我会破坏 Mosfet、光耦合器或 STM32 吗?
  • 您认为光耦合器和 Mosfet 是一个不错的选择吗?
  • 您认为在收集器和门之间添加小值 R3 好吗?

R3

在此先感谢您的帮助

编辑 2021-06-24
我实现了这个设计,但这里遇到了永远在线的问题

编辑 2022-02-04
我的问题Always On 问题来自我的 PCB,而不是来自这里的原理图和方法,只要您尊重 MOSFET 足迹,您就可以毫无问题地使用它:)

3个回答

此设计具有非常高的余量,并且有很好的开/关余量选择。

在设计上具有 10:1 的 CTR 或 10% 的输出,并且远远超过了保证的 CTR。

  • 请记住,Vce 在饱和时会失去增益并迅速升至 0.5V 以上至 1V,此时最坏情况下的 FET 漏电流保证为 Id=-250 nA(最大值),其中 2mA LED 驱动器“可能”工作打开.

  • Ron 在 Vgs= - 10 时最大为 56 mohm,在 -12V 时略小一些。您的负载相当于 12V/0.1A = 120 欧姆,因此最大 1% 的开关电阻比是可取的,因此 0.056/120 或矫枉过正但很好。

  • Rg 与 Rce 等效电阻 Vce(sat)/Ic = 0.2V/1.18mA = 169 ohm 左右冗余。

好工作。

  1. 是的。

  2. 不会。而且,您可以将光耦合器 LED 电流降低到 5 mA,以获得更大的工作裕度。

  3. 是的。

  4. 无论如何都不需要,但不会伤害任何东西或影响电路的整体性能。

一个电阻器与栅极串联,以抑制在以非常快的上升时间信号驱动大功率 MOSFET(具有非常大的栅极电容)时发生的不需要的振荡,这在开关电源中很常见。栅极电容和布线电感形成了一个振荡电路,它的振铃频率可能是开关频率的许多倍,这会引起大量的合规性问题。这些都不适用这里。

  1. 出色的问题演示。

作为替代方案,您可能需要考虑将光隔离器更改为另一种类型的电流隔离技术,例如使用较少功率的电容或电感。

德州仪器 (TI) 有一系列关于电流隔离主题的视频,其中讨论了电感、电容和光隔离技术。

例如,这是Silicon Labs Si823Hx 的数据表,它是一个芯片中的隔离栅极驱动器。

它可能看起来像这样:

Si823H9 隔离式栅极驱动器