[INA226] Aktywne obciążenie MOSFET...błędne działanie równoległych kanałów

TechEkspert napisał:

Być może warto na tym etapie zrezygnować z ESP i 'analogowo' posterować układem aby zaobserwować jego zachowanie?
Brak oscyloskopu utrudnia sprawę, jednak przy ręcznym sterowaniu, możnaby obserwować ...

Bezpośrednia odpowiedź na pytanie

Tak, na tym etapie warto odłączyć ESP32 i INA226 od części mocy i uruchamiać układ czysto analogowo: potencjometr, wzmacniacz operacyjny, tranzystor MOSFET, bocznik, multimetr. To ograniczy liczbę zmiennych i przestaniesz palić kolejne ESP/INA podczas szukania błędów w pętli regulacji i PCB.

Co do topologii: dla sztucznego obciążenia z trzema tranzystorami końcowymi technicznie najlepsze jest rozwiązanie z osobnym pomiarem prądu i osobną pętlą regulacji dla każdego tranzystora, ale pod warunkiem poprawnie zaprojektowanej masy, połączeń Kelvina i kompensacji pętli. Wtedy:



czyli każdy MOSFET dostaje własny bocznik i własny wzmacniacz operacyjny, a wszystkie kanały dostają to samo napięcie zadane albo indywidualne napięcia zadane z DAC/ESP.

Rozwiązanie z jednym wspólnym sterowaniem trzech równoległych MOSFET-ów i rezystorami źródłowymi/emiterowymi jest prostsze, ale w aktywnym obciążeniu liniowym ma istotne wady: nierówny podział prądu, większe straty na rezystorach wyrównawczych, większe ryzyko przeciążenia jednego MOSFET-a i trudniejszą stabilizację dużej wspólnej pojemności bramek.

Jeżeli jednak nie czujesz się jeszcze pewnie z analogiem, praktycznie zaleciłbym:

1. Najpierw uruchom jeden kanał analogowo.
2. Potem dwa/trzy kanały jako niezależne moduły, każdy ze swoim bocznikiem i własnym op-ampem.
3. Dopiero na końcu dodaj ESP32, DAC/PWM, INA226 i komunikację.

Największym problemem u Ciebie prawdopodobnie nie jest sam ESP32, tylko prowadzenie masy, połączenia pomiarowe boczników, kompensacja op-ampów i fizyczne rozmieszczenie ścieżek mocy względem ścieżek sygnałowych.

---

Szczegółowa analiza problemu

1. Czy warto zrezygnować chwilowo z ESP32?

Tak. To bardzo dobry kierunek diagnostyczny.

ESP32, INA226, PWM, I²C, przetwornice, Wi-Fi/Bluetooth i programowa regulacja wprowadzają dodatkowe źródła problemów. Jeżeli sam analogowy układ prądowy nie jest stabilny, to mikrokontroler tylko utrudnia diagnozę.

Na czas uruchamiania proponuję taki minimalny układ jednego kanału:



Przykładowo, jeśli bocznik ma:



to:



czyli:

Prąd kanału	Spadek na 0,01 Ω	Moc bocznika
---:	---:	---:
1 A	10 mV	0,01 W
5 A	50 mV	0,25 W
10 A	100 mV	1 W
20 A	200 mV	4 W

Dla bocznika 1 mΩ sytuacja jest trudniejsza:

Prąd kanału	Spadek na 1 mΩ
---:	---:
1 A	1 mV
5 A	5 mV
10 A	10 mV
20 A	20 mV

Przy 1 mΩ każdy błąd masy, każdy milivolt offsetu, każdy spadek na ścieżce robi się krytyczny. Dlatego przy pierwszym uruchamianiu lepiej użyć większego bocznika, np. 10 mΩ albo 20 mΩ, nawet kosztem strat mocy. Dopiero gdy układ działa stabilnie, można zmniejszać rezystancję bocznika.

---

2. Trzy osobne pętle czy jeden wspólny układ?

Wariant A: każdy MOSFET ma osobny bocznik i osobny op-amp

To jest układ:



Każdy wzmacniacz porównuje:



i tak steruje swoim MOSFET-em, aby:



Jeżeli wszystkie trzy kanały mają takie samo napięcie zadane i takie same boczniki, całkowity prąd wynosi:



albo ogólnie:



Zalety

- Bardzo dobry podział prądu między MOSFET-y.
- Rozrzut parametrów MOSFET-ów ma małe znaczenie.
- Każdy tranzystor pracuje w swojej własnej pętli sprzężenia zwrotnego.
- Można mierzyć temperaturę i prąd każdego kanału osobno.
- Można programowo ograniczać kanał, który robi się zbyt gorący.
- Można łatwo skalibrować każdy kanał.

Wady

- Więcej elementów.
- Trzeba bardzo dobrze zaprojektować PCB.
- Każdy op-amp musi widzieć poprawnie swój bocznik.
- Źle poprowadzona masa powoduje dokładnie takie objawy, jakie opisujesz: różne wskazania, brak liniowości, losowe uszkodzenia INA/ESP, wzbudzenia.

To rozwiązanie jest najlepsze technicznie, ale wymaga dyscypliny projektowej.

---

Wariant B: jeden op-amp, trzy MOSFET-y równolegle, wspólny pomiar prądu

To wygląda mniej więcej tak:



Op-amp pilnuje tylko sumarycznego prądu:



Rezystory źródłowe

Rs

pomagają wyrównać prądy między MOSFET-ami.

Zalety

- Prostszy schemat.
- Jeden główny pomiar prądu.
- Łatwiejsza komunikacja z ESP32.
- Mniej układów INA226.
- Mniej indywidualnych pętli regulacji.

Wady

- Tranzystory nie będą dzieliły prądu idealnie.
- Potrzebne są rezystory źródłowe o sensownej wartości.
- Rezystory źródłowe grzeją się.
- Jeden op-amp widzi równolegle duże pojemności bramek MOSFET-ów.
- W razie różnic temperaturowych jeden MOSFET może przejąć większy prąd.
- Przy pracy liniowej trzeba bardzo pilnować SOA tranzystorów.

Przykład strat na rezystorach wyrównawczych:



Dla jednego MOSFET-a:

Prąd MOSFET-a	Rs = 0,01 Ω	Rs = 0,05 Ω	Rs = 0,1 Ω
---:	---:	---:	---:
5 A	0,25 W	1,25 W	2,5 W
10 A	1 W	5 W	10 W
20 A	4 W	20 W	40 W

Widać, że przy większych prądach rezystory wyrównawcze szybko stają się grzałkami.

---

3. Który wariant wybrać?

Moja rekomendacja:

Jeśli chcesz zrobić porządne sztuczne obciążenie o większej mocy

Wybierz:



Czyli rozwiązanie z indywidualnymi kanałami.

Ale nie rób tego od razu jako pełnego systemu z ESP32. Najpierw:



Jeśli chcesz możliwie szybko zbudować prostsze jedno obciążenie

Możesz wybrać wspólne sterowanie, ale wtedy:

- każdy MOSFET musi mieć osobny rezystor bramkowy,
- każdy MOSFET powinien mieć osobny rezystor źródłowy wyrównawczy,
- MOSFET-y powinny być na wspólnym radiatorze,
- trzeba pilnować temperatury każdego tranzystora,
- warto dobrać tranzystory z tej samej serii/partii,
- trzeba ograniczyć szybkość pętli regulacji.

W Twoim przypadku, ponieważ już miałeś problemy z kilkoma kanałami, nie powiedziałbym: „koniecznie łącz wszystko w jeden kanał”. Raczej powiedziałbym: zbuduj osobne kanały, ale zrób je poprawnie i uruchamiaj po jednym.

---

4. Krytyczna uwaga: MOSFET w pracy liniowej to nie jest MOSFET jako przełącznik

W sztucznym obciążeniu MOSFET pracuje w zakresie liniowym, czyli jednocześnie występuje na nim:



Przykład:



Jeżeli to ma być jeden MOSFET, musi on rzeczywiście wytrzymać 200 W w DC w zakresie liniowym, a nie tylko „na papierze” jako moc impulsowa czy przy idealnym chłodzeniu obudowy.

Przy trzech tranzystorach:



ale tylko wtedy, gdy prąd i temperatura są dobrze podzielone. Jeżeli jeden MOSFET przejmie połowę prądu, szybko przekroczy SOA.

Dlatego trzeba sprawdzać:

- wykres SOA z karty katalogowej,
- maksymalne

VDS

,
- maksymalny prąd DC w obszarze liniowym,
- moc strat przy realnym radiatorze,
- temperaturę złącza,
- rezystancję termiczną: złącze-obudowa, obudowa-radiator, radiator-otoczenie,
- wentylację.

---

5. Na co zwrócić uwagę przy PCB?

5.1. Podziel płytkę na strefy

Na PCB powinny być wyraźne strefy:



Nie prowadź linii I²C, sygnałów z potencjometru, wejść op-ampów i masy ESP pomiędzy drenami, źródłami, bocznikami i ścieżkami dużego prądu.

---

5.2. Masa: nie jedna przypadkowa płaszczyzna, tylko świadomy układ powrotów

Przy kilku lub kilkudziesięciu amperach „GND” nie jest jednym idealnym punktem. Każdy kawałek miedzi ma rezystancję i indukcyjność.

Przykład:



Jeżeli Ty regulujesz prąd na boczniku 1 mΩ, to 40 mV błędu odpowiada:



Oczywiście to uproszczenie, ale pokazuje skalę problemu.

Zasada:

- prąd mocy płynie grubymi ścieżkami/polami,
- masa analogowa nie może być częścią ścieżki prądu mocy,
- punkt odniesienia op-ampów musi być pobrany z odpowiedniego punktu bocznika przez połączenie Kelvina,
- masa ESP32 ma być dołączona do punktu odniesienia sygnałowego, nie gdzieś „po drodze” w prądzie MOSFET-ów.

---

5.3. Połączenia Kelvina do boczników

Do każdego bocznika powinny iść cztery połączenia:



Schematycznie:



Nie wolno mierzyć spadku „gdzieś na polu miedzi” obok bocznika. Sygnał do wejść op-ampa i INA226 bierzesz bezpośrednio z padów bocznika.

Jeżeli stosujesz trzy kanały:



każdy kanał ma swoje własne ścieżki pomiarowe.

---

5.4. Nie dawaj kondensatora bezpośrednio na wyjście OPA2188 bez rezystora

Z Twoich postów wynika, że były kondensatory rzędu 10 nF/100 nF w miejscach, które mogły obciążać wyjście op-ampa albo wejście pętli bez poprawnej kompensacji. To bardzo łatwa droga do wzbudzeń.

Dla op-ampa sterującego MOSFET-em trzeba pamiętać, że bramka MOSFET-a jest dużą pojemnością. Przy dużym MOSFET-cie pracującym liniowo dochodzi jeszcze pojemność Millera, która zmienia się z punktem pracy.

Minimalne elementy, które zwykle warto przewidzieć na PCB:

- rezystor w bramce każdego MOSFET-a: typowo

10 Ω...100 Ω

, blisko samej bramki,
- rezystor rozładowujący bramkę do źródła: np.

10 kΩ...100 kΩ

,
- miejsce na mały kondensator kompensacyjny w pętli, ale dobierany eksperymentalnie,
- miejsce na rezystor szeregowy z kondensatorem kompensacyjnym,
- osobne odsprzęganie każdego op-ampa:

100 nF

blisko pinów zasilania + kilka/kilkanaście µF w pobliżu.

Nie dobierałbym „na stałe” 10 nF tylko dlatego, że miernik pokazuje, że jest „w miarę”. Bez oscyloskopu możesz nie widzieć oscylacji kilkuset kHz lub kilku MHz.

---

5.5. Rezystory bramkowe osobno dla każdego MOSFET-a

Nawet przy wspólnym sterowaniu nie łącz bramek trzech MOSFET-ów bezpośrednio razem.

Poprawnie:



Rezystory

Rg

powinny być fizycznie blisko bramek.

Typowy zakres:



Przy problemach ze stabilnością czasem daje się więcej, ale wtedy pętla robi się wolniejsza.

---

5.6. Zabezpieczenie ESP32 i INA226

Skoro uszkadzają się INA226 i ESP32, to trzeba założyć, że prąd zakłóceniowy lub przepięcie wchodzi przez:

- linie I²C,
- masę,
- zasilanie 3,3 V,
- wejścia pomiarowe INA226,
- ewentualnie przez przewody do modułów.

Zalecenia:

- pull-up I²C tylko do

3,3 V

, nie do 5 V,
- rezystory szeregowe

47 Ω...220 Ω

w SDA/SCL blisko ESP32,
- krótkie linie I²C, z dala od MOSFET-ów i ścieżek dużego prądu,
- kondensatory odsprzęgające przy INA226,
- pomiar bocznika przewodami/ścieżkami Kelvina,
- ograniczniki/diody ESD/TVS na liniach wychodzących poza płytkę,
- rozważyć izolator I²C, jeżeli część cyfrowa ma być bezpieczna,
- nie zasilać ESP32 z tej samej „brudnej” ścieżki, którą wraca prąd obciążenia.

Przy pierwszych próbach w ogóle nie podłączaj INA226 do ESP32. Jeżeli chcesz obserwować napięcie na boczniku, użyj multimetru.

---

6. Uwagi do aktualnego schematu z obrazka

Na podstawie widocznego schematu i opisu zwróciłbym uwagę na kilka rzeczy.

6.1. Bocznik 1 mΩ jest trudny na start

Przy 1 mΩ masz:



To są bardzo małe sygnały. OPA2188 ma niski offset, ale PCB, spadki masy, termopary na połączeniach, zakłócenia i prądy wejściowe mogą w praktyce zrobić większy błąd niż sam op-amp.

Do uruchomienia daj raczej większy bocznik w jednym kanale, np.:



Później zmniejszaj.

6.2. Kondensatory 10 nF w pętli mogą być problemem

Jeżeli kondensator jest podłączony tak, że op-amp musi bezpośrednio ładować dużą pojemność, może się wzbudzać. Warto przewidzieć układ kompensacji typu:



albo kondensator w sprzężeniu, ale z rezystorem szeregowym lub równoległym dobranym świadomie. Bez oscyloskopu będzie to jednak loteria.

6.3. Wtórnik BC337/BC327

Para BC337/BC327 jako bufor bramki może mieć sens, bo duży MOSFET ma dużą pojemność bramki. Ale taki bufor też może wprowadzać własne oscylacje. Daj:

- rezystory bazowe,
- rezystory ograniczające prąd,
- rezystor bramkowy blisko MOSFET-a,
- lokalne odsprzęganie zasilania bufora,
- możliwie krótkie połączenie bufor–bramka.

6.4. Jeden wspólny punkt odniesienia dla op-ampów

W Twoim układzie maksymalne napięcia na bocznikach są rzędu milivoltów/dziesiątek milivoltów. Jeśli każdy OPA „widzi” inną masę o kilka milivoltów, to każdy kanał będzie regulował inaczej.

To tłumaczy objaw:

> na jednym kanale działa, po podłączeniu następnych zaczynają się kwiatki.

Po dołączeniu kolejnego kanału zmienia się rozpływ prądów w miedzi PCB, zmieniają się spadki na masie i pętla zaczyna pracować w innym punkcie.

---

7. Proponowana procedura uruchamiania

Etap 1: jeden kanał bez ESP i bez INA

- Jeden MOSFET.
- Jeden op-amp.
- Jeden bocznik, najlepiej 10 mΩ na początek.
- Potencjometr jako napięcie zadane.
- Zasilacz z ograniczeniem prądu.
- Na wejściu obciążenia najpierw małe napięcie, np. 5 V.
- Jako obciążany zasilacz użyj czegoś odpornego, nie drogiego pakietu akumulatorów.

Mierz:

- napięcie zadane

U_ZAD

,
- napięcie na boczniku

U_SHUNT

,
- napięcie bramka-źródło

VGS

,
- napięcie dren-źródło

VDS

,
- temperaturę MOSFET-a i bocznika.

Sprawdź, czy:



Etap 2: drugi kanał

Dodaj drugi kanał, ale nadal bez ESP. Oba kanały dostają to samo napięcie zadane.

Sprawdź:



Jeżeli po dołączeniu drugiego kanału pierwszy zaczyna się rozjeżdżać, to problem jest w masie/PCB albo stabilności.

Etap 3: trzeci kanał

Analogicznie.

Etap 4: pomiar cyfrowy

Dopiero gdy analog działa:

- dodaj INA226,
- najpierw tylko pomiar, bez regulacji z ESP,
- potem ESP generuje napięcie zadane,
- na końcu dodaj algorytmy, zabezpieczenia i menu.

---

8. Jak zrobić zadawanie prądu z ESP32

Nie polecałbym bezpośredniego PWM z ESP32 podawanego na op-amp bez dobrego filtru i bufora. Lepsze rozwiązania:

Opcja 1: zewnętrzny DAC

Najlepiej:



DAC 12-bitowy lub 16-bitowy da znacznie czystsze napięcie zadane niż PWM.

Opcja 2: PWM + filtr

Da się, ale trzeba dobrze filtrować:



Wadą jest tętnienie napięcia zadania i możliwe wchodzenie zakłóceń PWM w pętle prądowe.

Przy boczniku 1 mΩ nawet niewielkie tętnienie napięcia zadania oznacza duże tętnienie prądu.

---

9. Odpowiedź na pytanie: wspólny pomiar czy pomiar każdego tranzystora?

Najbardziej rozsądna wersja docelowa:

Dla regulacji

Każdy MOSFET:



Dla kontroli przez ESP

Możesz mieć:

- pomiar prądu każdego kanału osobno — najlepsze diagnostycznie,
- albo jeden bocznik główny do pomiaru sumy — prostsze,
- albo oba rozwiązania: kanałowe boczniki do regulacji analogowej, główny bocznik do wskazania całkowitego prądu.

Ale uwaga: dodatkowy główny bocznik w torze masy może wprowadzać przesunięcia potencjałów, jeżeli źle go umieścisz. Jeżeli ma być główny bocznik, powinien być w miejscu świadomie dobranym, a sense do niego również Kelvinen.

---

10. Minimalna lista dobrych praktyk dla nowej PCB

Przy nowej płytce zaplanuj:

1. Osobne ścieżki mocy i pomiarowe.
2. Kelvin do każdego bocznika.
3. Jeden świadomy punkt odniesienia masy analogowej.
4. Krótkie połączenia bramka–driver–MOSFET.
5. Osobny rezystor bramkowy przy każdej bramce.
6. Odsprzęganie 100 nF przy każdym scalaku.
7. Duże kondensatory przy zasilaniu driverów/wentylatora, ale nie jako lekarstwo na złą masę.
8. ESP32 daleko od ścieżek dużego prądu i radiatorów.
9. I²C daleko od drenów/bramek MOSFET-ów.
10. Szerokie pola miedzi dla prądów mocy.
11. Unikanie wspólnych odcinków masy dla prądu mocy i sygnału.
12. Miejsca na elementy kompensacyjne, nawet jeśli na start ich nie montujesz.
13. Miejsca pomiarowe/test-pointy dla: Uzad, Ushunt1/2/3, gate1/2/3, GND analog, GND power.
14. Zabezpieczenia wejścia obciążenia: bezpiecznik, TVS, zabezpieczenie przed odwrotną polaryzacją — zależnie od zastosowania.
15. Czujniki temperatury przy każdym MOSFET-cie/radiatorze.

---

11. Schemat blokowy zalecanego rozwiązania

Docelowo widziałbym to tak:



Jeżeli zostajesz przy INA226, to proponuję na początek jeden INA226 na głównym boczniku do pomiaru sumy, a nie trzy moduły porozrzucane po płytce. Gdy analog będzie działał poprawnie, można dodać pomiary kanałowe.

---

12. Najważniejsza rzecz: bez oscyloskopu nadal jesteś częściowo ślepy

Multimetr pokaże wartość średnią. Układ może oscylować, a miernik pokaże „ładne” 50 mV na boczniku. W praktyce może tam być np.:



Wtedy MOSFET-y, op-ampy i INA226 będą cierpiały, mimo że multimetr nie pokaże tragedii.

Jeżeli możesz, pożycz lub kup nawet prosty oscyloskop. Do takiego projektu wystarczy na start używany/tani oscyloskop 20–50 MHz. To będzie znacznie tańsze niż kolejne spalone ESP32, INA226 i MOSFET-y.

---

Podsumowanie praktyczne

Na Twoim miejscu zrobiłbym tak:

1. Odłącz ESP32, INA226 i wyświetlacz.
2. Uruchom jeden kanał analogowo z potencjometrem.
3. Na start użyj większego bocznika niż 1 mΩ, np. 10 mΩ.
4. Usuń przypadkowe kondensatory z pętli, zostaw tylko przewidziane miejsca na kompensację.
5. Zrób połączenia Kelvina do bocznika.
6. Poprowadź masę sygnałową osobno od prądowej.
7. Daj rezystor bramkowy przy MOSFET-cie.
8. Po stabilnym działaniu jednego kanału dodaj drugi i trzeci.
9. Dopiero potem wróć do ESP32 i INA226.

Odpowiadając jednoznacznie: lepiej mierzyć i regulować prąd każdego tranzystora osobno, a sumę traktować jako prąd sztucznego obciążenia. Wspólne sterowanie z rezystorami źródłowymi jest możliwe, ale w Twoim przypadku nie rozwiąże głównego problemu, którym jest prawdopodobnie prowadzenie masy, pomiarów i stabilność pętli.