Mosfet gate driver com totem pole x push pull

Valdir Tech · 2 de março de 2023

Boa tarde,

Fiz o seguinte gate driver (foto) usando transistores, achando que iria ter entre 0-10V no gate usando 0-3v3 no controle, mas não tem.

Pelas minhas pesquisas, este totem pole pode virar um push-pull se eu substituir os transitores por mosfets P (na fonte) e N (no GND).

Gostaria de saber, ao substituir por mosfets, qual mosfets utilizar do mesmo encapsulamento destes BC807/817.

Considerando que meu controle PWM é 0-3v3.

.if · 3 de março de 2023

3 horas atrás, Valdir B2Z disse:

gate usando 0-3v3

é baixa V pro mosfet conduzir a contento. Uma opção minimalista que (dependendo da aplicação) pode dar certo

pode ser qualquer BCxxx NPN

Sérgio Lembo · 3 de março de 2023

Alguns erros para quem deseja comutar mosfet de potência:

R37 está sobrando, o ato de acionar um mosfet tem um pico de corrente elevado e a existência do R37 derruba o performance.

C26 é bom mas pense em 1uF cerâmico.

O desenho está correto mas esqueceste de elevar a tensão do controlador de 3V3 para 12V, basta adicionar 1 transistor e 1 resistor.

O segundo resistor de 1k, pense em 1/2W. Aquece e não é pouco. Para os 2 transistores de saída tem uns modelos de 800mA. São os mais adequados.

rmlazzari58 · 3 de março de 2023

18 horas atrás, .if disse:

é baixa V pro mosfet conduzir a contento

Lembrei de um erro que me aconteceu mas acabou virando acerto: comprei 5 IRFZ44N e a firma mandou 1 deles IRLZ44N. De cara achei estranho, achei até que era falso. Mas depois vi que não, vi que não apenas existe de fato esse "L" como que sua VGS(th) é entre 1v e 2v.

Não sei se é o caso mas, ué... vai que ajude, né? "Às vezes o trem errado te leva para o destino certo", rs...

Valdir Tech · 4 de março de 2023

@.if @Sérgio Lembo @rmlazzari58 boas opções sim, muito obrigado.

no entanto. eu precisaria de opções de mosfets para somente substituir estes transistores SOT23 porque ja tenho placas prontas.

Detalhe: com este BUK9880 funciona porque o VGSth dele é 2V... Hoje tenho somente PJW7N06A, que é 2.5 e esquenta bastante!

.if · 4 de março de 2023

1 hora atrás, Valdir B2Z disse:

opções de mosfets para somente substituir estes transistores

1 hora atrás, Valdir B2Z disse:

BUK9880 funciona porque o VGSth dele é 2V.

8 horas atrás, rmlazzari58 disse:

sse "L" como que sua VGS(th) é entre 1v e 2v.

Me parece uma opção. Outra: vá no site digikey ou mouser, digite mosfet na busca e ache um mosfet cujo parâmetro lhe atenda... sim... lá você busca por parâmetros (características eletroeletrônicas)

Sérgio Lembo · 4 de março de 2023

O mosfet PJW7N06A possui uma resistência menor, por consequência uma capacitância maior no gate. Se está aquecendo mais é porque o acionamento dele está muito lento. Localize a resistência de gate na placa e substitua-a por uma entre 1/3 e a metade do valor. Verifique também a tensão de gate aplicada. Por ter um VGSth um pouco mais elevado o PJW7N06A vai pedir um pouco mais de tensão mínima para ter um bom performance.

Valdir Tech · 6 de março de 2023

@.if certo, sei que posso encontrar vários mosfets compatíveis com minha aplicação, mas o fato é que tenho muito deste PJW7N06A em estoque e gostaria que o circuito funcionasse bem com este também

@Sérgio Lembo grato pela acertiva... ja testei com resistores menores, até mesmo com jumper direto, já aumentei a frequência de PWM para 10kHz (antes era 2,5)... mas ainda aquece... creio que por conta da VGSth estar no limiar mesmo...

Minha dúvida é: será que não acho mosfet P e N capazes de "somente" substituir os transistores e fazer um push-pull capaz de elevar o VGSth do gate ? O sinal do controle pode ser mantido em 0-3v3 @2,5kHz ?

.if · 6 de março de 2023

Recaptulando...

Pra aumentar a vgs com seu circuito tem que aumentar a v nas bases. Algo como ...

Eu (eu) dispensaria ....................este pnp ... \|/

Ahh.. uma opção muito mas muito lôca mesmo caso você já tenha as placas prontas e quer mexer o mínimo é :

-inverter o npn com o pnp: meio errado pois vai dar curto momentâneo mas seu r37 vai absorver

-colocar um zener duns 9V em série com r26 pro pnp - agora em cima - não conduzir com nível 3v3

-um diodo 'apontando' pra base em paralelo com o zener pra que o npn de baixo chaveie com nível 1 3v3... acho que nem precisa..

... bem .. eu avisei que a ideia era lôca... por sua conta e risco e só pra teste mesmo.. o certo são as ideias supramencionadas ...

Sérgio Lembo · 6 de março de 2023

Aumentar a frequência aumenta o aquecimento. Pense bem: temos 3 momentos de aquecimento, o acionamento é composto por 4 momentos.

1 - mosfet desligado = calor zero

2 - mosfet sendo acionado = entre o status de desligado e 100% acionado temos o momento em que se tem tensão e corrente simultaneamente. Se faz um acionamento robusto para diminuir ao mínimo a duração do evento.

3 - mosfet acionado = aqui o calor = I² x Rds_on x duty para qualquer frequência.

4 mosfet sendo desligado = entre o status de acionado e 100% desligado temos o momento em que se tem tensão e corrente simultaneamente. Se faz um desligamento robusto para diminuir ao mínimo a duração do evento.

Os momentos 2 e 4 tem seu cálculo de calor por evento e deve-se levar em conta as características do circuito. Por exemplo: se a carga for uma bobina que opera em, DCM (modo de corrente descontínuo) o cálculo do momento 2 resulta em zero. Se CCM (modo de corrente contínuo) usa-se a corrente do momento da comutação para o cálculo. Se for carga resistiva também se tem corrente no momento 2. Mas também se tem circuitos ressonantes em que a comutação ou desligamento são feitos no ZCS (momento de corrente zero) e nesses momentos o calor da transição é zero. Em resumo: quanto maior a frequência maior o calor resultante dos momentos 2 e 4 pois o calor final é dado pelo cálculo por evento multiplicado pela frequência.

Habitualmente o momento 3 costuma ser responsável entre 85% e 95% do calor nos circuitos de potência.

Sobre os transistores original e substituto. O gráfico abaixo é do substituto. Note que mostra o desempenho com Vgs de 4.5V e 10V.

PJW7N06A

Agora temos no original a mesma curva de desempenho em função do Vgs. Note que a curva se inicia bem abaixo dos 4.5V.

BUK9880

Seus comentários sugerem que o gate está sendo acionado com 3V3.

.if · 6 de março de 2023

9 minutos atrás, Sérgio Lembo disse:

Seus comentários sugerem que o gate está sendo acionado com 3V3.

corroborado por seu circuito.

As teorias são bonitas mas permita-me + uma vez + uma tradicional visão prática da coisa (considero que você jé fez as pci's)

-remova q7 e q4

-coloque q7 no lugar de q4. Vai inverter.. use sua criatividade

-dê um curto nas ilhas C e E de q7 removido

-remova c26 e r28 (curto nele)

-compare agora com...

-use a menor freq pwm possível.

Sérgio Lembo · 6 de março de 2023

@.if No seu circuito a corrente de acionamento está limitada por R37 em 12mA. Isto me incomoda. É verdade que C26 consegue acumular um pouco de energia para entrega no pico mas 100nf me parece pouco balde para uma grande vazão.

Outra coisa: não identifiquei um pré estágio que aumente a tensão de acionamento. Supondo que o comando venha de circuito de 3V3 o Vgs será pouco maior que 2V7 na estabilidade e uns 2V5 na transição.

Refiro-me ao primeiro circuito. No segundo circuito se tem a elevação de tensão mas um acionamento lento, só pode ser utilizado em baixas frequências.

.if · 6 de março de 2023

@Sérgio Lembo sua teoria está correcta. Perceba que recomendei a menor freq pwm possível. Não sei se você sabe mas não sabemos o que exatamente o garoto quer acionar. Supondo motor, luz, resistência ou do gênero suponho que não lhe deve causar dano. Se achar que deve ele pode sair do conforto teórico e partir pra ignorância

1 hora atrás, Sérgio Lembo disse:

o comando venha de circuito de 3V3 o Vgs será pouco maior que 2V7

De cara já percebi isso por isso aquela 1ª sugestão complementada pela última pois minha intuição é que o garoto quer uma opção que dói menos pois já fabricou as pci's... Caso contrário obviamente uma opção push pull de maior tensão e corrente é de longe a melhor opção

Valdir Tech · 6 de março de 2023

Boa Srs. @.if , @Sérgio Lembo Grato pelo grande auxílio.. Somente aproveitando: existe um push pull que recomendam para novo design desta placa?... a aplicação é para controle de luminária RGB 12V 9W.... então tenho um destes mosfets pra cada cor (R, G e B)

Detalhe: é um projeto sensível a custo, então creio que não consiga usar algo direto como IR44273 que sai R$2,15 cada

o micro que estou usando é STM32F030C6

Sérgio Lembo · 6 de março de 2023

Fica mais fácil entender o desafio quando se conhece a aplicação. Qual a frequência que pretende utilizar no PWM das cores? Não pode ser baixa demais para não provocar flicker e nem necessita ser muito elevada. Cinema funciona com 24 quadros por segundos e todos gostam do resultado. Fazer um simples teste de frequência ajuda e muito. Quanto mais baixa for a frequência mais simples poderá ser o acionamento. O STM32F030 possui alimentação entre 2.4V e 3.3V e é tolerante a 5V nas entradas e também na saída se esta estiver como open drain. Nos diga qual o transistor que pretende utilizar.

O teste de frequência mínima é simples:

Escolha qualquer um dos timers que possua ao menos 1 canal de compare, pode ser de 8 ou 16 bits.

colocando o clock em 16MHz programe o ARR para FF, só usaremos os primeiros 8 bits, terás uma frequência de 62.5kHz

selecione 2 portas para serem entradas analógicas.

A leitura será de 8 bits mas os registros vem em 32bits comk 12 significativos

coloque 2 potenciometros entre o VDDA e o GND com o cursor na porta analógica.

ligue o transistor que acionará o led na saída do compare.

deixe o timer correr livremente

após essas configurações o loop do programa será simples. Vai em pseudo código:

ler a entrada do potenciometro 1 // controle de frequência

valor_pot1 = valor_pot1/16 ou shift 4 posições à direita, tanto faz

timerX_preescaler = valor_pot1 // isso nos dará entre 244Hz e 62kHz de frequência.

O potenciometro 2 será utilizado para o duty do PWM. Se utillizar um timer com 4 canais poderá utilizar 3, um para cada cor, dutys independentes

ler entrada do potenciometro 2 // controle de luz R

valor pot2 = valor_pot2 / 16

timerXcompare1 = valor pot2

ler entrada do potenciometro3 // controle de luz G

valor pot3 = valor_pot3 / 16

timerXcompare2 = valor pot3

ler entrada do potenciometro4 // controle de luz B

valor pot4 = valor_pot4 / 16

timerXcompare3 = valor pot4

Fazer as avaliações manuais nos auxilia nas diretrizes finais do projeto. Acima de 30Hz já terá uma boa sensação de qualidade de luz mas, se fizer uma filmagem com a câmera do celular, o flicker aparece. Daí a necessidade dos testes antes de definir os parâmetros. Ir para uma frequência elevada é sempre tentador mas isso nos gera aquecimento por frequência (transições de comutação do transistor). O aquecimento por Rds_on é inevitável e independe da frequência. Quanto mais baixa a frequência mais lerda pode ser a comutação sem provocar grandes calores. Essa é a razão do teste.

Se conseguir um transistor que comute bem com 3V3 a simplificação do projeto será ótima.

Transistores que comutam bem para 3V3 costumam apresentar o Rds_on esperado para Vgs = 2.5V. O que economizar comprando transistor de alto Vgs vai gastar em triplo com o drive. Se o acionamento é de 12V qualquer VDS =>20V dá conta do desafio.

Selecionando o transistor:

Este acima (não importa o modelo) mesmo tendo VGSth baixo de 0.7V o próprio fabricante só o recomenda para 4.5V ou mais. Nesse caso teria que utilizar uma saída open drain com um resistor nos 5V para fazer a comutação. Não interessa.

Este acima já nos dá um desempenho interessante para VGS de 2.5V. Como cada cor puxa até 250mA teremos a 100% de duty 7,5mW que a 300ºC/W resulta em 2ºC de aquecimento, vai tranquilo. Os micros da ST garantem até 5mA contínuos por porta e bem mais para surtos. Alguns modelos também te dão a seleção da performance de saída, isto é, se vai querer com elevado dv/dt ou não, veja o datasheet e o Reference Manual da família, tem a opção high, medium e low. Para essa aplicação prefira o baixo dv/dt, te possibilita a utilização de um resistor mais baixo. Fazer os cálculos do valor de pico que o gate irá fazer no micro é chato. Prefiro colocar um trimpot de 500R + um resistor de 10R entre o micro e o gate e com um scope de 1 canal (barato, tenho um de 100MHz) ver os surtos de corrente durante as transições e comparar com os valores máximos de surto no manual (uns 20mA).

Os transistores utilizados nessa resposta foram os mais baratos que encontrei na Mouser utillizando os parâmetros: mosfetN, VDS entre 20V e 55V, corrente =>1A e custam entre 3 e 6 cents na bobina fechada (2500 peças).

Se olhar para os transistores chineses os preços caem 70% mas lembre-se: a qualidade e imagem do seu produto depende da qualidade da matéria prima. Se confia nos chinas...

Mais uma coisa: não se empolgue com modelos que, custando a mesma coisa, entregam um Rds_on menor ao mesmo preço. Para baixar o valor a capacitância do gate sobe e a dificuldade de controlar também, a ideia é utilizar o micro direto serm ter que construir drives. Com 120mR de Rds a temperatura sobe apenas 2ºC, então se um transistor de 200mR for mais fácil de trabalhar (menor capacitância no gate) vai deixar de simplificar seu projeto por causa de 2ºC a mais?

.if · 7 de março de 2023

Permita-me acionar o modo minimalista (que inclui o quesito custo) . Sua aplicação é simples e potência baixa. Teoricamente um bjt tipo bd135 ou até bc639 dá conta. Assim sendo pode aplicar direto (com resistor claro) do digital 3V em sua base. Uma freq em torno de 100Hz já deve atender.

5 horas atrás, Valdir B2Z disse:

um projeto sensível a custo

..compõe cerca de 98% do meu mundo. Quanto paga por este mc? Sério que é o mais barato que achou? Só ele que atende a expectativa do projeto? Vai criar algo inovador ou concorrer com alguém? Com chineses, nem perca tempo. Ou é só hobby mesmo? Posso desconsiderar o lance de placas prontas? ok.. perguntas xeretas mas que podem te apontar algum norte...p.ex. releia o que te foi exposto, modifique, teste, ... ponha a mão na massa e reporte os resultados. Penso que só assim, partindo pro pau, poder-se-á somar algo para aplacar tuas inquietações.