Найди всему причину и ты многое поймешь
Очередная загадка появилась в устройстве, спроектированном одним моим молодым коллегой (далее ММК). Устройство предназначено для входного контроля аккумуляторов серии 18650 (нет, Илон Маск может спать спокойно, наша фирма не собирается делать электромобили, это совсем для других изделий) и реализовано на довольно-таки известной микросхеме BQ29700, которая отличается от множества подобных ей контроллеров аккумулятора наличием двух раздельных выводов для управления ключами и возможностью контроля тока («не забудь, дружок, про подтяжки»). Схема реализована в полном соответствии с рекомендациями производителя (смотрите КДПВ), вопросов быть вообще не должно, но… они есть.
Для начала обратим внимание на то, что ключи стоят в нижнем плече (в нулевом проводе) но не в верхнем. Далее будет опыт небольшого инженерного расследования с последующей тривиальной (и наверняка скучной) моралью.
Прежде, чем перейти к описанию проблемы, немного поговорим о собственно рекомендованной схеме. Ответ — потому, что так спроектирована микросхема — не принимается, поскольку влечет за собой вопрос — почему именно так она спроектирована. Почему именно так?
Ответ
В случае изолированного питания (как раз аккумулятор) ключ можно ставить куда угодно, тут мы должны учесть способ управления — для верхнего плеча потребуется n-канальный транзистор (если мы не собираемся делать накачку), для нижнего P-канальный, а в общем случае сопротивление последнего ниже (и они дешевле), вот и выбирают такой способ. В схеме с не-изолированной землей следует ставить ключи в питание, иначе возможны утечки через побочные цепи, связанные с землей.
Следующий вопрос — почему транзисторов два: ответ знают все — потому что нам нужен двунаправленный ключ, а наличие встроенного диода делает реализацию на одном транзисторе невозможной.
А вот следующий вопрос поинтереснее — почему транзисторы включены носиками друг к другу, вроде можно их соединить и обратным сторонами (как они называются, решайте сами).
Не все так просто
На самом деле для нижнего плеча действительно можно, там с закрывающим напряжением все нормально, а вот с верхним плечом с p-канальными (это не наш случай) возможны нюансы, все зависит от устройства драйвера и бывали случаи… может, напишу об этом позже.
Ну а теперь собственно о проблеме — собранное устройство не работало. Внешние признаки неисправности и установленные факты:
- После установки тестируемого аккумулятора (BAT) напряжение на внешние клеммы не поступает (вернее сказать, не поступает на нижнюю минус).
- Включен транзистор Т1 (зарядный ключ), транзистор Т2 отключен низким на затворе (выходе Dout).
- После подачи внешнего напряжения 4.2В на клеммы + и — (имитатор зарядки) включаются оба транзистора, при этом после снятия внешнего напряжения остаются включенными и аккумулятор можно испытывать.
- После извлечения аккумулятора из гнезда переходим к пункту 1.
В общем, складывается впечатление, что после установки аккумулятора микросхема считает необходимым его зарядить (хоть на сколь угодно малую величину) и лишь затем готова разрешить ему работать как источник. Ну, во-первых, это довольно таки странное поведение, а во-вторых, почему оно не описано в документации, так что гипотеза выглядит сомнительной. ММК прибег к испытанному современному способу поиска причины неисправности — поиску в Инете и на форме е2е был обнаружен вопрос об аналогичной ситуации, на который гуру от TI дал несколько странноватый (на мой взгляд) ответ, что данная микросхема предназначена для работы со впаянными аккумуляторами, а вставляемый будет неприемлем. Фигня какая то, ведь впаяные аккумулятор тоже когда-то вставили, так что будем искать причину старыми методами — экспериментами (измерения — это тоже эксперимент) и осмыслением их результатов
В то же время на блок-схеме есть логический узел, а в описании говорится о триггерах (но в несколько ином аспекте) и внутреннем счетчике. Идем дальше — напряжение на аккумуляторе в норме, триггеров в блок-схеме устройства не наблюдается (хотя современные блок-схемы, как и описания, это тема отдельной и невеселой песни), но один из ключей закрыт, значит сработал датчик тока, больше некому. Далее утверждается, что при возникновении ситуации сверх-тока при разряде схема входит в режим дефекта и вернется из него в нормальный режим после снятия нагрузки или подачи зарядного напряжения — очень похоже на наш случай.
Для проверки подсоединяем нижний по схеме конец резистора R1 к ножке Vss (это важно, ММК оставлял висеть его в воздухе, что в данном случае недостаточно) и… эффект исчезает, после вставки аккумулятора оба транзистора открыты, выходное напряжение поступает на внешние клеммы.
Пнп: там еще были тонкие эффекты, связанные с отключенным, но не отсоединенным источником питания, я их не учитываю.
Далее подключаем и отключаем небольшую нагрузку, ток протекает, вполне нормальный и никакой отсечки нет. Значит, все-таки срабатывает ограничение по току, но с какого перепугу — у нас сейчас при вставке аккумулятора нагрузка отключена.
Можно подключить осциллограф и посмотреть, но лучше подумать, поскольку думать все равно придется. Значит, либо в момент вставки аккумулятора протекает ток, значительно превышающий допустимый, либо схема ошибочно принимает решение о превышении тока.
Если учесть, что напряжение на аккумуляторе подается на микросхему через фильтр R2C1, а напряжение на клемме + напрямую через резистор R1, то возможна ситуация, когда на входе BAT все еще рабочее, а на входе V- уже ноль. И сразу же приходит решение — чем отличается процесс вставки аккумулятора от его непрерывного подсоединения — наличием дребезга. Тогда микросхема решает, что на ключах выпало все напряжение, значит ток превышен и отключает разрядный ключ — вроде все логично.
1*10**-6=33мкс — противоречие. В то же время следует отметить, что срабатывание детектора сверх-тока должно быть длительным, до 10 мс, поскольку внутри микросхемы имеются задержки, а постоянная времени фильтра питания 330*0. Тогда при токе потребления в 1мА напряжение на конденсаторе с 4. Но это постоянная времени, связанная с зарядом конденсатора, а вот разряжаться он будет не через резистор (поскольку при дребезге аккумулятора на второй контактной площадке платы будет не ноль, а обрыв), а через микросхему. 8В в течении 0. 2В будет уменьшаться до 2. 6/1*10**-3=0. 1*10-6*1. 5мкА уже в течении 30 мс, вполне достаточно для принятия решения об сверх-токе. 16мс, при токе 5.
Схема прибора отсутствует, блок-схема недостаточно информативна, так что окончательный выбор зависит от личных предпочтений. Возможна и другая причина подобного поведения, например, триггер может сбрасываться (устанавливаться) просто при подаче питания на микросхему (нет, эта гипотеза вроде как опровергается переключением резистора, хотя не все так очевидно), что приведет к таким же результатам.
Как именно бороться с данным явлением — тут существует множество способов, один другого не хуже, ММК выбрал простейший – оставил нижний конец резистора в новой точке и контроль тока отключил. В общем, причина описанного выше поведения микросхемы определена (вообще то не до конца, предложенный механизм лишь один из возможных, хотя и выглядит правдоподобно, единственное, что мы можем утверждать твердо — он связан с контролем тока), дефектов в ней не обнаружено, странный ответ на форуме перестал быть странным (хотя и не стал более информативным). но мы все равно не были защищены от «технически грамотного дурака» с пинцетом в руке, вот он — недостасток коммутации земли). Решение допустимое, если мы уверены, что нагрузка калиброванная (так и есть) и никто не влезет пинцетом, куда не следует (а вот тут сложнее.
Дефект устраняем, аккумулятор вставляем и наблюдаем напряжение на выходах устройства, подключаем номинальную нагрузку в 4 Ом и… напряжение на ней резко падает с 4. А теперь наступает вторая часть марлезонского балета, отраженная в названии. 0В, причем аккумулятор по прежнему выдает 4. 2В до 2. Значит, на двух последовательно включенных транзисторах падает 2. 1В. 1В, многовато — будем разбираться.
Для начала, открываем дата на транзисторы, и видим там – а что же мы должны увидеть в даташите на полевой транзистор. Ну здесь никаких загадок нет, явно недостаточно управляющее напряжение, что позволяет мне плавно перейти к второй части поста.
Учитывая, что передаточная функция полевого транзистора задается выражением Строго говоря, мы должны увидеть минимум два набора из двух параметров: напряжение затвор-исток и ток истока, причем в абсолютно произвольных точках.
, двух пар напряжение/ток достаточно для нахождения двух неизвестных. Запишем два уравнения
и
, затем разделим первое на I2, получая
. Тогда при условии (I2>>I1) && (Ugso!=0) мы получаем половину ответа Ugso=Ugs1.
Обычно это точка с током 250 мкА, которой соответствует два значения напряжения на затворе — минимальное и максимальное (есть еще и типовое, но оно ни о чем). Теперь понятно, что мы все таки ограничены в выборе задаваемых точек здравым смыслом и первая из них должна быть вблизи точки открывания транзистора, чтобы ток был достаточно мал. Но что именно означают эти два значения:
Нас заверяют, что при напряжении на затворе, меньшем либо равным минимальному, мы никогда не получим тока, более обозначенного. 1.
Нас заверяют, что при напряжении на затворе, большем либо равным максимальному, мы никогда не получим тока, меньше обозначенного (разумеется, при условии, что внешние элементы схемы способны его транзистору обеспечить). 2.
Вся незакрашенная часть его — зона возможных передаточных характеристик. Сверх двух означенных условий, нам не гарантируется ничего, обратите внимание на график с областями запрета. В частности, относительно значения тока внутри указанного диапазона справедливы любые предположения, часть из них я изобразил черными.
Тогда можно рассчитать остающийся неизвестным параметр Все из тех же соображений здравого смысла логично выбрать вторую точку со значительным током, обычно указывают максимальное напряжение на затворе, при котором в стоке протекает некий значительный ток, как правило, близкий к предельному рабочему, опять таки обращаем внимание на формулировку 2.
и мы можем написать выражение для тока при любом напряжении на стоке
упрощая, получим
Нетрудно показать, что последнее выражение при Ug € [Ugs1… Ugs2] падает при увеличении Ugs1, отсюда следует, что для расчета минимального (гарантированного) тока стока при определенном напряжении на затворе нам следует брать максимальное значение Ugs1.
Что мы можем ему ответить: Внимательный читатель бросит — если нетрудно, то где доказательство, в формуле параметр фигурирует и в числителе и в знаменателе, так что Ваше утверждение не очевидно — и будет совершенно прав.
- Взять конкретный транзистор и рассчитать значения на краях и посередине и указать, где именно получилось минимальное. Способ так себе, поскольку не доказывает, что нет некоей внутренней точки, в которой расчет даст еще меньшее значение.
- Нарисовать графики тока стока для разных пороговых и предложить убедиться в этом визуально. Способ чуть лучше, но имеет чисто иллюстративный характер и требует дополнительного анализа, поэтому проще сразу обратиться к способу 3.
- Анализировать выражение, для чего взять от него производную по переменной Ugs1 и после ряда упрощений получить
. Мы видим пять сомножителей (кроме константных) и каждый из них отрицателен для наших условий, значит, производная отрицательна и минимального значения функция достигает на правой границе диапазона, ч.т.д.
Рассмотрим конкретные примеры, исходя из того, что уровень отсечки по пере-разряду для данного типа аккумуляторов 2.6В, то есть до данного напряжения на затворе транзистор должен обеспечивать разрядный ток 1С=1А.
0В-4. Выбранный ММК транзистор — начальное открывающее напряжение на затворе 2. 6В просто нет смысла, он принимает любое значение, в том числе нулевое — без комментариев. 0В, поэтому рассчитывать гарантированный ток при 2. 5А). Внимательный читатель задаст вопрос — ведь ток через транзистор реально шел и, зная нагрузку, можно рассчитать его значение (оно не столь мало, около 0. 2В и попался транзистор с пороговым напряжением, меньшим максимального, но это будет далеко не всегда. А я отвечу — у нас был полностью заряженный аккумулятор с напряжением 4. Инженер обязан рассчитывать на худший случай и не имеет права надеяться на лучшее.
4В-2. Другой транзистор, выбранный с учетом критики, но по основному критерию наличия на складе: начальное напряжение 1. 6В получаем гарантированный ток 250мкА, что явно не достаточно. 6В, при 2. 8В, тогда учитывая 20А при 4. Попробуем несколько снизить требования и работать до 2. 8)=20*(2. 5В, получим I(2. 6)**2/(2. 8-2. 5)**2=20*0. 8-4. 7**2=0. 2**2/1. Расчет для 3. 22A, что опять таки недостаточно. 8А и только при 3. 0В показывает значение тока 0. Конечно, можно надеяться на значение порога в средние 2. 2 В мы получаем требуемые 1А. 6В имеем 1. 0В, тогда при 2. 12А и все хорошо, но слово «надеяться», как я сказал выше, не должно входить в лексикон инженера.
4В-2. Теперь рассмотрим рекомендованный фирмой ТИ транзистор SCD16406 с начальным напряжением 1. Тогда получаем гарантированный ток при 2. 2В и той же крайней точкой. 6-2. 6В равным 20*(2. 2-4. 2)**2/(2. 6А, как то странно, вот в чем дело — уровень отсечки 2,8В и при таком напряжении имеем 1,36А, что и требуется, значит у TI все нормально. 5)**2=0. В то же время не могу не отметить, что фирма уделила, на мой взгляд, недостаточное внимание вопросам выбора транзистора для реализации ключа в рекомендуемой схеме, хотя в противном случае не было бы и этого поста, так что во всем ищем светлые стороны (и что характерно, находим). Так же было бы и у ММК, если бы он больше внимания уделил чтению технической документации до конца (RTFMF).
Ответ — для определения порога гарантированного не включения транзистора. Ну и напоследок еще вопрос — зачем в документации приводят минимальное значение порогового напряжения, ведь мы его совершенно не использовали для расчета гарантированного тока. Если же Вам нужен меньший ток, то следует произвести аналогичный расчет значения Iо и, пользуясь общей формулой, определить напряжение затвора, при котором ток стока станет достаточно мал. Если Вас устраивает ток в 250 мкА через отключенный транзистор, то Вы его получите, установив на затворе напряжение, равное нижнему пороговому.
4**2/(3. Для рассмотренного последним транзистора
Io=I2**U1**2/(U1-U2)**2=20*1. 08А
Тогда значение (1-U1/U0)**2 отличается от 1 на 0. 1)**2=4. 08~0. 00025/4. 4, что составит 0. 5*10**-5, извлекаем корень квадратный равный 2*10**-3 и это означает, что нам надо уменьшить напряжение на затворе на 2*10**-3*1. Общее правило будет следующим — Ugs1(минимальное)-0. 006В, чтобы ток в стоке транзисторе полностью прекратился (та его часть, что обусловлена усилительными свойствами транзистора). 1В будет вполне достаточно в подавляющем большинстве случаев для полного закрытия транзистора, хотя все таки следует смотреть на режим измерения данного параметра, как говорил Винни, «от вас, свиней, всего можно ожидать».
Да, это тривиально, но, тем не менее, правда. Ах да, я обещал мораль, вот она: конечно, инженер отличается от всех остальных людей тем, что думает руками, но обычное (при помощи мозга) мышление и внимательность к деталям не менее важны в инженерной практике.
