Реализация одновременного питания от батарейного элемента и внешнего питания. Напряжение питания БЭ выше, чем напряжение внешнего питания. Решено

Задача

Имеется устройство с несколькими видами питания :

Батарейный элемент с напряжением питания 3,6 В (в моем случае FANSO ER14505H) [PWR_INT на схеме]
Внешнее питание от плюс 6 до 24 В постоянного тока, подаваемое на DC/DC step down преобразователь с напряжением питания не выше 3,5 В (разброс напряжения DC/DC преобразователя, а также микросхемы не толерантные к напряжению питания и логики выше 3,6 В)

Решение №1

На схеме ниже представлен вариант #1

Рисунок 1 - Схема электрическая принципиальная варината №1

Теория

Рассмотрим первый случай - отсутствует внешнее питание (PWR_EXT = 0):

На затворе полевого п-канального полевого транзистора VT2 напряжение будет 0 В, напряжение на стоке 0 В. Согласно документации при напряжении Исток - Затвор (Gate-Source Threshold Voltage) меньше 0,4 В не происходит открытие канала (максимальное напряжение показывает открытие канала, при увеличении которого проводимость канала не увеличивается). Таким образом нам необходимо иметь на истоке напряжение минимум на 0,4 В больше, чем на затворе. https://www.vishay.com/docs/70080/si1401ed.pdf

Рисунок 2 - Спецификация транзистора Si1401EDH. Смотрим на Gate-Source Threshold Voltage

Рисунок 3 - Спецификация транзистора Si1401EDH. Смотрим на выходную характеристику транзистора, обрааем внимание на напряжения Vgs - чем выше напряжение, тем больший ток будет пропускать транзистор

Рисунок 4 - Окно симуляции в ПО Proteus

Рассмотрим второй случай - отсутствует батарейное питание (PWR_INT = 0):

Всё просто - диод Шоттки (из-за меньшего падения напряжения на p-n переходе), включенный прямо пропускает через себя постоянный ток. Напряжение на линии питания будет 3,4 В - 0,2 В = 3,2 В.

https://www.vishay.com/docs/85667/bat54ws.pdf

Рисунок 5 - Спецификация диода bat54ws. Смотрим на Forward voltage при разном токе. При потреблении свыше 10 мА лучше подобрать другой

Рисунок 6 - Спецификация диода bat54ws. Смотрим на Forward voltage при разном токе и разной температуре

Рисунок 7 Окно симуляции в ПО Proteus

Рассмотрим третий случай - присутствуют оба питания (PWR_INT = 3,6 В, PWR-EXT = 3,4 В):

На стоке полевого транзистора появляется напряжение равное 3,4 В - 0,2 В = 3,2 В. А напряжение Исток - Сток будет равно 3,6 - 3,2 = 0,4 В. Смотрим характеристику транзистора (см. рисунок 3), хотя напряжение Затвор - Исток будет равно 3,4 - 0,6 = 2,8 В (0,6 - стандартное падение напряжение на p-n переходе транзистора).

Рисунок 8 - Окно симуляции в ПО Proteus

Практика

Рассмотрим реальную плату с данной схемой включения питания.

На снимках ниже:

Канал 1 - 3,6 В, эмуляция батарейного питания (PWR_INT)
Канал 2 - 12 В (после DC/DC - 3,4 В), эмуляция внешнего питания

В качестве нагрузки выступает резистор номиналом 120 Ом

Рисунок 9 - Результат эксперимента. Подается питание на два канала

Рисунок 10 - Результат эксперимента. Подается питание только как батарейного элемента

Рисунок 11 - Результат эксперимента. Подается питание на внешний канал

Выводы №1:

Схема позволяет "перебрасывать на горячую" источники питания

Основное токопотребление при двух элементах идет через источник с бОльшим напряжением (в этом случае батарейку с напряжением 3,6 В)

Предположения:

Напряжение затвор-сток на полевом транзисторе (3,6 В - 2,8 В = 0,8 В) достаточно для открытия транзистора. Проверка. Собрал схема по рисунку 12.

Результат аналогичный. Получаем напряжение на затвор исток 0,4 В (3,6 В - 3,4 В), хотя согласно даташиту (рисунок 13) ток через транзистор должен быть около нуля.

Смотрим на другую характеристику транзистора (рисунок 14), при напряжении сток исток равное 3,6 - (3,4 - 0,2 В (падение напряжение на диоде Шоттки)) = 0,4 В. Исходя из аппроксимирующих прямых можно сделать вывод, что транзистор все-таки будет пропускать ток, что в реальности и наблюдаем.

Рисунок 12 - Дополнительная схема для увеличения напряжения на затворе полевого транзистора

Рисунок 13 - Спецификация транзистора Si1401EDH. Смотрим на Gate-Source Voltage

Рисунок 14 - Спецификация транзистора Si1401EDH. Смотрим на Drain-to-Source voltage. Красным проведены линии апроксимации, желтым подписаны примерные значения VGS.

Решение проблем

Из анализа выше следует, что необходимо уменьшить напряжение затвор-исток полевого транзистора. В качестве EXT_PWR было напряжение от DC/DC преобразователя с настраиваемым выходным напряжением.

В измененном варианте на вход VD1 BAT54WS подается напряжение 3,412 В (рисунок 15), а после диода 2.949 В. Такое значение падения согласуется с характеристикой диода Шоттки (рисунок 6, ток 30 мА, температура 25°С).

Рисунок 15 - Фото эксперимента. На мультиметре видно значение напряжения, подаваемое на анод VD1. Напряжение со второго канала подается на DC/DC преобразователь

Рисунок 15 - Фото эксперимента. На мультиметре видно значение напряжения, снимаемое с катода VD1. Напряжение со второго канала подается на DC/DC преобразователь

Рисунок 16 - Фото эксперимента. На мультиметре видно значение напряжения PWR. Подается питание на PWR-INT

Рисунок 16 - Фото эксперимента. На мультиметре видно значение напряжения PWR. Подается питание на PWR_EXT

Рисунок 17 - Фото эксперимента. На мультиметре видно значение напряжения PWR. Подается питание на PWR_EXT и PWR_INT

Выводы

Данная схема работает для относительно небольшого размаха по напряжению PWR_EXT - PWR_INT (необходимо менее 0,3 В)
Для такого токопотребления желательно изменить диод Шоттки в сторону увеличения пропускного тока и, как следствие, уменьшения падения напряжения на p-n переходе (потребление 30 мА при 3,3 В не характерно для этой платы, выбрано только для проведения экспериментов для более показательных значений потребления)

Рисунок 18 - Фото экспериментальной платы. Красным выделены ключевые элементы на плате

Решение №2

Рассмотрим схему найденную на просторах интернета. Суть примерно та же:

Рисунок 19 - Схема электрическая принципиальная варината №2

Питание PWR_EXT. Протекает ток через делитель R1-R2: (3,4 В / (100 + 10000) Ом) = 3,366 * 10-4 А. Напряжение на затворе VT1 и VT3: 3,4 В - (3,366 * 10-4 А * 100 Ом) = 3,4 В - 0,034 В = 3,366 В. Транзистор VT1 остается закрытым, т.к. см. рисунок 2 (напряжение сток-затвор 0,034 В), а транзистор VT3 открывается (напряжение затвор исток 3,366 В, рисунок 20).

https://ru.mouser.com/datasheet/2/916/2N7002P-1597489.pdf

Рисунок 20 - Спецификация транзистора 2N7002,215. Смотрим на Gate-Source Threshold Voltage

Следовательно затвор транзистора VT2 притянут к общему, а напряжение затвор исток становится больше порогового, следовательно транзистор открывается.

Питание PWR_INT. Ток через делитель R1/R2 отсутствует, следовательно, затвор транзистора VT1 притянут к общему. Напряжение Исток-Затвор = 3,6 В, следовательно транзистор отрывается.

Питание PWR_EXT и PWR_INT. Рассуждения аналогичные случаю с питанием PWR-EXT.

Практика

Данная схема была опробована навесным монтажом и с первым вариантом питания PWR_EXT. Данная схема показала аналогичный вариант работы (см. рисунок 9).

Эксперимент с увеличенным до 3.412 В напряжением PWR_EXT не были проведены.

Выводы общие

Работоспособным вариантом оказалось решение №1 с уменьшенной разницей напряжения между PWR_INT и PWR_EXT до < 0,3 В. (см. рисунок 1)