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.



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. Для начала обратим внимание на то, что ключи стоят в нижнем плече (в нулевом проводе) но не в верхнем. Почему именно так? Ответ — потому, что так спроектирована микросхема — не принимается, поскольку влечет за собой вопрос — почему именно так она спроектирована.


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).


Ну а теперь собственно о проблеме — собранное устройство не работало. Внешние признаки неисправности и установленные факты:

1. После установки тестируемого аккумулятора (BAT) напряжение на внешние клеммы не поступает (вернее сказать, не поступает на нижнюю минус).
2. Включен транзистор Т1 (зарядный ключ), транзистор Т2 отключен низким на затворе (выходе Dout).
3. 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.
4. 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 форуме 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

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. В то же время на блок-схеме есть логический узел, а в описании говорится о триггерах (но в несколько ином аспекте) и внутреннем счетчике. 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.

Значит, все-таки срабатывает ограничение по току, но с какого перепугу — у нас сейчас при вставке аккумулятора нагрузка отключена. Далее подключаем и отключаем небольшую нагрузку, ток протекает, вполне нормальный и никакой отсечки нет.

Значит, либо в момент вставки аккумулятора протекает ток, значительно превышающий допустимый, либо схема ошибочно принимает решение о превышении тока. Можно подключить осциллограф и посмотреть, но лучше подумать, поскольку думать все равно придется.

И сразу же приходит решение — чем отличается процесс вставки аккумулятора от его непрерывного подсоединения — наличием дребезга. 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. Тогда микросхема решает, что на ключах выпало все напряжение, значит ток превышен и отключает разрядный ключ — вроде все логично.

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*0.1*10**-6=33мкс — противоречие. 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. Тогда при токе потребления в 1мА напряжение на конденсаторе с 4.2В будет уменьшаться до 2.8В в течении 0.1*10-6*1.6/1*10**-3=0.16мс, при токе 5.5мкА уже в течении 30 мс, вполне достаточно для принятия решения об сверх-токе.

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. Схема прибора отсутствует, блок-схема недостаточно информативна, так что окончательный выбор зависит от личных предпочтений.

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). 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. Решение допустимое, если мы уверены, что нагрузка калиброванная (так и есть) и никто не влезет пинцетом, куда не следует (а вот тут сложнее. но мы все равно не были защищены от «технически грамотного дурака» с пинцетом в руке, вот он — недостасток коммутации земли).

А теперь наступает вторая часть марлезонского балета, отраженная в названии. Дефект устраняем, аккумулятор вставляем и наблюдаем напряжение на выходах устройства, подключаем номинальную нагрузку в 4 Ом и… напряжение на ней резко падает с 4.2В до 2.0В, причем аккумулятор по прежнему выдает 4.1В. Значит, на двух последовательно включенных транзисторах падает 2.1В, многовато — будем разбираться.

Ну здесь никаких загадок нет, явно недостаточно управляющее напряжение, что позволяет мне плавно перейти к второй части поста. Для начала, открываем дата на транзисторы, и видим там – а что же мы должны увидеть в даташите на полевой транзистор.

Строго говоря, мы должны увидеть минимум два набора из двух параметров: напряжение затвор-исток и ток истока, причем в абсолютно произвольных точках. Учитывая, что передаточная функция полевого транзистора задается выражением

$$

, 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.

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. 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). Но что именно означают эти два значения:

1. Нас заверяют, что при напряжении на затворе, меньшем либо равным минимальному, мы никогда не получим тока, более обозначенного.

2. 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).



Сверх двух означенных условий, нам не гарантируется ничего, обратите внимание на график с областями запрета. Вся незакрашенная часть его — зона возможных передаточных характеристик. В частности, относительно значения тока внутри указанного диапазона справедливы любые предположения, часть из них я изобразил черными.

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. Тогда можно рассчитать остающийся неизвестным параметр

$$

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.

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. Что мы можем ему ответить:

1. 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.
2. 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.
   
   
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.

Выбранный ММК транзистор — начальное открывающее напряжение на затворе 2.0В-4.0В, поэтому рассчитывать гарантированный ток при 2.6В просто нет смысла, он принимает любое значение, в том числе нулевое — без комментариев. Внимательный читатель задаст вопрос — ведь ток через транзистор реально шел и, зная нагрузку, можно рассчитать его значение (оно не столь мало, около 0.5А). А я отвечу — у нас был полностью заряженный аккумулятор с напряжением 4.2В и попался транзистор с пороговым напряжением, меньшим максимального, но это будет далеко не всегда. Инженер обязан рассчитывать на худший случай и не имеет права надеяться на лучшее.

Другой транзистор, выбранный с учетом критики, но по основному критерию наличия на складе: начальное напряжение 1.4В-2.6В, при 2.6В получаем гарантированный ток 250мкА, что явно не достаточно. Попробуем несколько снизить требования и работать до 2.8В, тогда учитывая 20А при 4.5В, получим I(2.8)=20*(2.8-2.6)**2/(2.8-4.5)**2=20*0.2**2/1.7**2=0.22A, что опять таки недостаточно. Расчет для 3.0В показывает значение тока 0.8А и только при 3.2 В мы получаем требуемые 1А. Конечно, можно надеяться на значение порога в средние 2.0В, тогда при 2.6В имеем 1.12А и все хорошо, но слово «надеяться», как я сказал выше, не должно входить в лексикон инженера.

Теперь рассмотрим рекомендованный фирмой ТИ транзистор SCD16406 с начальным напряжением 1.4В-2.2В и той же крайней точкой. Тогда получаем гарантированный ток при 2.6В равным 20*(2.6-2.2)**2/(2.2-4.5)**2=0.6А, 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. Так же было бы и у ММК, если бы он больше внимания уделил чтению технической документации до конца (RTFMF). 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).

Ну и напоследок еще вопрос — зачем в документации приводят минимальное значение порогового напряжения, ведь мы его совершенно не использовали для расчета гарантированного тока. Ответ — для определения порога гарантированного не включения транзистора. Если Вас устраивает ток в 250 мкА через отключенный транзистор, то Вы его получите, установив на затворе напряжение, равное нижнему пороговому. 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.

Для рассмотренного последним транзистора
Io=I2**U1**2/(U1-U2)**2=20*1.4**2/(3.1)**2=4.08А
Тогда значение (1-U1/U0)**2 отличается от 1 на 0.00025/4.08~0.5*10**-5, извлекаем корень квадратный равный 2*10**-3 и это означает, что нам надо уменьшить напряжение на затворе на 2*10**-3*1.4, что составит 0.006В, чтобы ток в стоке транзисторе полностью прекратился (та его часть, что обусловлена усилительными свойствами транзистора). Общее правило будет следующим — Ugs1(минимальное)-0.1В 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».

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. Да, это тривиально, но, тем не менее, правда.