Power-Tipp Ströme begrenzen mit integriertem FET

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Nicht immer lässt sich der MOSFET im SOA-Bereich betreiben. Wir zeigen in diesem Power-Tipp die Möglichkeiten, wie Sie den Strom wirkungsvoll begrenzen.

Bei elektronischen Schaltungen müssen häufig Ströme begrenzt werden. Beispielsweise dürfen über einem USB-Anschluss keine zu hohen Ströme fließen, da andernfalls die Schaltung beschädigt wird.

Auch beim Entladen einer Batterie, etwa bei einer Power Bank, ist eine Strombegrenzung wichtig. Beim Entladen mit zu hohen Stromstärken kann die Batteriespannung stark einbrechen, wodurch das angeschlossene Gerät nicht ausreichend geladen wird.

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Es ist also in vielen Fällen notwendig, einen Stromfluss zu begrenzen. Die meisten Spannungswandler haben eine Überstrombegrenzung, um sich selbst vor Beschädigungen durch Überstrom zu schützen. Bei manchen DC/DC Wandlern ist die Schwelle sogar einstellbar. Bild 1 zeigt ein Beispiel eines derartigen Leistungspfades.

Wenn Sie im Leistungspfad einen DC/DC-Boost-Wandler mit eingebauter, eventuell sogar einstellbarer, Strombegrenzung einsetzen, entfällt der zusätzliche ‚Current Limiter‘. Es gibt jedoch viele Anwendungen, bei denen kein DC/DC-Wandler im Leistungspfad verwendet wird. Das ist der Fall, wenn eine 24-V-Spannung im System zur Verfügung steht, der Stromfluss in dieser Leitung limitiert werden soll, die Last aber genau bei diesen 24 V betrieben wird. Hier macht ein ‚Current Limiter‘, wie in Bild 1 gezeigt, Sinn.

Die Strombegrenzungsschaltung kommt in der Regel mit den Schutzbausteinen, wie Hot-Swap Controller, Überspannungsschutz, elektronische Sicherungen, ideale Dioden usw. Die meisten dieser ICs nutzen externe MOSFETs als Schalter; zum Ein- und Ausschalten des Stromflusses, aber auch zur Strombegrenzung. Hierbei arbeitet der Schalter wie ein Linearregler. Bei einer solchen Schaltung müssen Sie allerdings sicherstellen, dass der MOSFET zu jeder Zeit innerhalb seines sicheren Arbeitsbereiches (SOA, Save Operating Area) betrieben wird.

Ist dies nicht der Fall, kann der Halbleiter und damit die Schaltung beschädigt werden. Leider ist es häufig nicht so einfach, den passenden MOSFET auszuwählen und genauso zu betreiben, dass er niemals den SOA-Bereich verlässt. Betriebstemperatur, Spannung, Strom und vor allem die Zeit beeinflussen den SOA. In Bild 2 ist eine solche SOA-Kurve eines typischen N-Kanal MOSFETs dargestellt. Unterhalb der eingezeichneten Linien ist der Betrieb des MOSFETs erlaubt.

Bild 3 zeigt einen Strombegrenzungs-IC, den MAX17523. Er beinhaltet zwei MOSFETs, welche die Strombegrenzung zwischen 150 mA und 1 A bewerkstelligen. Wenn die Stromstärke an diese Grenze stößt, wird die Stromzufuhr entweder abgebrochen und nach einer gewissen Wartezeit wieder aufgenommen. In einer zweiten Variante wird der Stromfluss dauerhaft bis zum nächsten Einschalten unterbrochen. Die dritte Möglichkeit besteht darin, den Strom zu begrenzen, indem die Spannung reduziert wird.

Der interne MOSFET arbeitet dann bei allen Varianten im ohmschen Bereich und fungiert als eine Art Linearregler. In jeder dieser einstellbaren Begrenzungsmodi ist der interne MOSFET immer in seinem SOA und wird nicht beschädigt. Und das ganz ohne aufwändige Berechnungen und Evaluierungen.

Fazit: Ströme in einer Schaltung zu begrenzen ist mit den passenden hochintegrierten ICs kein großes Problem. Auch kann eine solche Schaltung sinnvoll mit einem DC/DC Wandler kombiniert werden, wenn dieser nicht über eine einstellbare Strombegrenzung verfügt.  (kr)

* Frederik Dostal arbeitet als Field Application Engineer für Power Management bei Analog Devices in München.

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