【经验】解析MOS管开关电路设计

2022-02-11 世强
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基带电路设计中,经常会使用一些三极管MOS管来作为开关电路,正常的逻辑信号控制,没有什么大电流应用,没有什么太大问题,能够实现电平0和1的转换。但是有一些特殊电路,需要用MOS管来进行电压阻断、过大电流的时候,就比较容易出问题。


MOS管的选取,Rdson的大小对电路设计会比较讲究,有些电路需要做压降比较大,有些电路需要压降比较小,还是要根据电路实际情况来选择。如果电路要求压降很小,可以采用两个MOS管并联的方式;比如这种:

需要重点注意的是当作为上述过流应用电路时,需要核算MOS管输入端和输出端的电容总容量,下面就题主遇到的问题及过程做详细描述,希望能帮助到硬件设计的朋友。


电路模型如下图所示,本产品通过12V 适配器供电,上电后,自动开机。内部转为5V 后,分两路,分别给主控供电和以太网电路供电。

本次项目设计,选用了长晶科技的三极管2SC4081和MOS管CJ3401来进行开关电路设计,MOS 开关电路详细如下图, 该电路是应用非常广泛且成熟的MOS管开关电路,常用于RS485/232 、CAN等小电流电路供电,方便做低功耗。

在本项目中,就出现一个非常严重且很容易忽视的问题,即:当ETH_Ctrl为高电平,Q501 导通,电流从VCC_5V流向VDDREG5,会导致VCC_5V拉到最低1V,持续时间大约8ms。


如下图波形,蓝色为ETH_Ctrl, 绿色为VCC_5V.

因为VCC_5V掉电的8ms,会使主控掉电,也就无法继续输出ETH_Ctrl信号,故ETH_Ctrl信号为低电平;


当VCC_5V在8ms后恢复,主控会上电并自动开机,然后程序运行到ETH_Ctrl输出高时,使上述电路工作,然后导致VCC_5V又掉电,故表现出来现象就是反复reset(外观有LED 灯,会重复亮灭)。


因为该项目是首次生产调试,基于上述现象,测量主控Reset信号、IO电压以及主控电压,推论,可能是在开关Q502打开的瞬间,VCC_5V通过R509被拉低了。(虽然理论不是这样,本着追根究底的原则,还是更换阻值更大的电阻进行验证,最终排除该推论,波形和上面波形一致)


然后经过分析,各种猜测,假设是否可能是开关开启瞬间,以太网电路瞬时功耗过大导致的呢?基于此想法,于是在VCC_5V电路上并联47uF电容数颗,再次验证,问题得到解决,但还是存在不稳定,偶尔还会有reset现象。经过该方法验证,貌似问题得到了解决,但是成本会增加,根本原因还有待分析。


最终,经过对MOS管前后两端的电容总容量以及整个VCC_5V 的电容布局分析发现,在VDDREG5 这一侧的电容,竟然高达44μF,而VCC_5V这一侧的电容,虽然有4个22μF电容,但是整个布局比较远,且分属不同DC/DC电路。如下红框是4个22μF电容,蓝色框是2个22μF电容;

那么最终结论就是,VCC_5V 这侧的电压,因电容太少,储能不够,导致在MOS管CJ3401打开的瞬间,电流会流向VDDREG5这侧,给VDDREG5 这侧的2个22μF电容充电,导致VCC_5V 被拉低,以至主控不能工作在正常电压。


经过最终的优化,在保证功能正常的情况下,本着节约成本的原则,在VCC_5V 这一侧增加22μF电容,且PCB 布局上,靠近Q501,同时,减少VDDREG5 这一侧的电容,确保VCC_5V这一侧电容总量是VDDREG5 的2倍及以上。相关电路修改如下:

最终波形如下:

该问题最终得到解决,在ETH_Ctrl 拉高时,VCC_5V 不会掉电。

最后的思考,以往使用该电路时,大家都按照器件手册推荐电路来设计,单电路性能验证是没有问题,但是综合起来,就没那么理想了,在该项目上,主要还是忽略了电路上电容的总容量以及各电容在PCB上布局的位置不够集中。



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数据手册  -  长晶科技  - Rev: 2.3  - 2023/8/14 PDF 英文 下载

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型号- BZT52B10S,CJAC100SN08,DTC143XUA,CJ13-250000910B20,CJ75L05,ESDU5V0C2,CJAC18SN03,CJB95N07,SK510,CJAB25N04,CJB120SN08,CESD SERIES,B1040WS,CJAC40N04,CJAC40N03,MMBT3904T,ESDQ12VFD1,CJ13-260000710B20,CJAB35P03,CJB92N07,CJ431,2N7002K,1N4148WS,CJ13-400001210B20,1N4148WT,ESDBU3V3AE1,CJAC110N04,CJ9218T5,CJAC110N03,CJQ18SN06,ESDBL3V3Y1,CJ6205,CJ6206,CJAB60N03,CESD,CJPF20N65,MESDBM12VD3,BAT54C,CJBD3020,CJAC70SN15,GBJ1510,CJX3134K,CJ86L05,08N65,CJ6386 SERIES,CJBM3020,CJZ251PL,CJAC110SN10,BAT54CM,CJAC90SN03,2N7002,ABS10,CJ6211,CJ6212,CJAC80N03,CJ9220T5,CJD80SN10S,CJ13-384001010B20,CJAC130SN04,MCESD5V0D3,CJBA3139K,ESDBL5V0Y1,CJAC130SN06,CJO05-270003320B30,CJL8820,CJ1117,GBJ2510,ESDBL5V0AH1,US2D,B1040A1,CJ2321,CJAC130N04L,CJP130SN10,CJK08-327681220B20,MESDM18VD3,CD431,CJ13-260000910B20,CJ6101,UIN2803,CJAB35SN03,BT3906,CJAC110N03A,CJ16-480001108C30+1,CJCD2003,CJAB55N03,CJB150SN10,CJ3407,CJAC80SN10,CJB120SN10,CJ3401,US1D,CJ2312,CJ3400,CJU80N03,CJ6101 SERIES,CJ13-200001210B20,CJ4056,CJU80N07,CJ4054,ESDBL3V3AE1,CJMP3009G,1N4148,CJ6330B33M,SS24,CJMNT33,CJBB3134K,B5819WSZ,CJ4056 SERIES,CJAB25P03,CJ13-250002010B20,CJ3134K,M7,ABS210,CJ13-250001810B20,MMBT3904,ESDSU5V0AE1,CJAC35SN03,CJ2309,MMBT3906,CJ2305,SMAJ5.0CA,BAT54,CJ2302,CJAC200N04,CJD65SN10H,CJH1311,CJ2301,BAV99,DTC114EE,07N65,CJB85SN08C,P6KE480A,CJAB35N03,UIN2003,ESDTU5V0A1,CJ16-320000810B20,2SK3019,MMDT3904,MSB30M,CJ16-480001108C30,CJ13-250002010B30,CJAB25N04S,CJAC13TH06,CJ16-240000910B20,CJ6330B28M,CJZ253PL,B1040X,CJ16-400000910B20,CJ9340T6,CJ6367B33M,SS8050,ESDBU3V3A1,CJAC150N03,CJ8833,10N65,SMAJ20CA,CJU60SN08,1N5819,CJU80SN10,SK210,BC847T,CJU12P06,CJ40561,CJU110N03,CJ6331 SERIES,CJPF30N65,ESDBM7V0A1,CJAE35SN06,CJBB3139K,ESDTU5V0AG4B,CJ7533S,CJ16-260000910B20,SS34,CJBA3134K,CJ6206B33M,CJ3139K,CJE3134K,ESDBL5V0AE1,ESDBM12VA1,ESDBL24VA1,SMAJ24CA,GBJ3510,SS8550,CJ16-960000810C30,B5819,ESDBH24VD1,DSR1M,CJ16-500001210C30,CJAE55P03,ESD3V3AP,CJFB30H20,FFM107-M

应用及方案  -  长晶科技 PDF 中文 下载

长电科技分立器件部门成立长晶科技公司,主营二/三极管、晶振、MOSFET、电源管理、运放等产品

近日,长晶科技签约世强硬创电商,授权世强代理旗下所有产品系列和型号,涵盖二极管、三极管、MOSFET、LDO、DC-DC、频率器件、功率器件等品类。长晶科技拥有国内高密度集成电路国家工程实验室、国家级企业技术中心、博士后科研工作站等,长期为集成电路封装测试企业提供从芯片中测、封装到成品测试及出货的全套专业生产服务。在频率器件产品领域,长晶科技自主研发设计生产出1612、2016小尺寸晶振,具备着超

公司动态    发布时间 : 2020-12-23

BC869 SOT-89-3L Plastic-Encapsulate Transistors

型号- BC869-25,BC869-16,BC869

数据手册  -  长晶科技  - Rev: 2.3  - 2023/8/17 PDF 英文 下载 查看更多版本

测试报告  -  长晶科技  - 2021年01月04日 PDF 中文 下载

AD-2SA1213* Series SOT-89-3L Plastic-Encapsulated Transistor

型号- AD-2SA1213* SERIES,AD-2SA1213*

数据手册  -  长晶科技  - Version 1.0  - 2021-07-01 PDF 英文 下载

数据手册  -  长晶科技  - Rev. - 2.2  - 2023/4/19 PDF 英文 下载 查看更多版本

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