Free Press

Grundläggande regler/kontroller för val av MOSFETs

Drain to Source max voltage rating (max Vds) bestämmer den maximala spänningen som du kan växla.

Gatetröskelspänningen bestämmer den spänningsdifferens som du måste applicera på grinden för att få mosfeten att leda.

Gate to Source max spänning (max Vgs) är en kritisk faktor som inte får överskridas (inte ens för några nS) annars kan MOSFET:n förstöras. Kommer strömskenorna att spetsa? Om så är fallet, ge ett skydd av något slag (t.ex. transient suppressor) eller välj en enhet med högre klassning. Vid växling av högspänningsskenor (t.ex. 24 V från lågspänningslogik) kan du ofta uppfylla detta krav genom att använda en potentialdelare för att ge mosfeten en grindspänning över 0 V.

Behövs det en mosfetdrivare IC? Om mosfeten har en hög grindström (t.ex. högströms-MOSFETs) eller om den kommer att växlas snabbt (för att se till att mosfeten fungerar effektivt med minimal effektförlust) kan detta vara nödvändigt.

Kontrollera anteckningarna ”Why MOSFETs Fail” nedan

Allmänna anteckningar

Förbättrade MOSFETs när de är påslagna tillåter ström i båda riktningarna med en i huvudsak identisk RDSON. När de är avstängda blockerar de ström i en riktning.

På grund av sin höga ingångsimpedans är MOSFET:er känsliga för skador genom elektrostatiska urladdningar. Ibland har de integrerade skyddsdioder eller zeners.

Mosfets i förstärkningsläge innehåller en diod mellan källa och dräneringsstift.
En dubbel förstärkt mosfet innehåller två dioder katod till katod.

En MOSFET kräver endast grindström under omkopplingskanten, för att ladda GS kapacitansen. Denna grindström kan vara hög.

För att växla 0V

Använd en N-kanals MOSFET med Source ansluten till 0V (antingen direkt eller via ett strömbegränsningsmotstånd) och belastningen ansluten till Drain.

När Gate-spänningen överstiger Source-spänningen med minst Gate Threshold Voltage leder MOSFET:n. Ju högre spänning desto mer kan Mosfeten leda.

N-kanalsmosfets har lägre on-motstånd än P-kanalsmosfets och är därför att föredra om man har möjlighet att välja vilken sida man vill växla.

N-kanals-MOSFETs kan också koppla +V i vissa konfigurationer, med Drain som Vin och Source som kopplad Vout.

För att koppla +V med en P-kanalig MOSFET

Använd en P-kanalig MOSFET med Source ansluten till +V (antingen direkt eller via ett strömbegränsande motstånd) och belastningen ansluten till Drain.

Som regel måste Source-stiftet vara mer positivt än Drain-stiftet (detta är dock inte sant när man använder en P Mosfet för att ge skydd mot omvänd polaritet till exempel).

När Gate-spänningen är lägre än (Källspänning – Gate-tröskelspänning) leder MOSFET:en. Om grindspänningen är högre än detta leder den inte. Ju större spänningsdifferens från källan desto mer kan MOSFET:n leda.

P-kanalsmosfets har högre on-motstånd än N-kanalsmosfets och är därför ofta mindre att föredra.

P-kanals-MOSFET har en fördel jämfört med N-kanals-MOSFET för vissa tillämpningar på grund av enkelheten i on/off-styrningen. En N-kanals mosfet som växlar +V kräver en extra spänningsskena för grinden, vilket P-kanalen inte gör.

För att koppla +V med en N-kanalig MOSFET

Använd en N-kanalig MOSFET med Drain ansluten till +V och belastningen ansluten till Source.

Det finns dock en hake med detta arrangemang – mosfeten slår på baserat på att Vgs-tröskeln nås och källspänningen i detta arrangemang ändras mellan av (0V) och på (Vin). Detta innebär att du inte kan koppla grinden till Vin, du behöver en annan spänningsskena som är högre än Vin med minst mosfets Vgs-tröskel och som inte heller överskrider den maximala Vgs-specifikationen.

Gatemotstånd

Användning av ett motstånd med lågt värde mellan MOSFET-drivrutinen och MOSFET-gate-terminalen dämpar eventuella ringsvängningar som orsakas av ledningsinduktansen och gatekapacitansen och som annars kan överskrida den högsta tillåtna spänningen på gate-terminalen. Den saktar också ner hastigheten med vilken MOSFET:n slår på och av. Detta kan vara användbart om de inneboende dioderna i MOSFET:n inte slår på tillräckligt snabbt.

Om du driver en MOSFET från en hoppig, möjligen bullrig, ledning (t.ex. reläkontakter), bör du använda ett litet serieresistans vid grinden nära MOSFET:n, för att undertrycka VHF-svängningar. 22 ohm är tillräckligt, du kan använda mindre.

Om hastigheten/spridningsfördröjningen är kritisk kan du behöva försöka undvika att använda ett grindmotstånd eller hålla dess värde lågt. Till exempel med en 5V-signal och en FDN335N kan ett grindmotstånd på 1 K lägga till cirka 200-400nS spridningsfördröjning (fördröjd omkoppling från grind till drain).

För högströms-MOSFET:er kan grindkanalkapacitansen vara mycket hög och en snabbt förändrad dräneringsspänning kan ge milliampere transient grindström. Detta kan vara tillräckligt för att överdriva och till och med skada känsliga CMOS-drivchip. Att ha ett serieresistor är en kompromiss mellan snabbhet och skydd, med värden på 100R till 10K som typiska värden. Även utan induktiva belastningar finns det dynamisk grindström. Dessutom är MOSFETs extremt känsliga för skador orsakade av elektrostatisk urladdning och kan skadas irreversibelt av ett enda fall av gatehaveri. Av denna anledning är det en mycket bra idé att använda gate-serieresistanser på 1 K till 10 K. Detta är särskilt viktigt om Gate-signalen kommer från ett annat kretskort.

Om en MOSFET kan lämnas flytande, använd då ett neddragningsmotstånd (100K till 1M är i allmänhet ok) från Gate till Source.

Gate Driver IC’s

Driver IC’s används ofta för MOSFET:er med hög strömstyrka och när man använder snabba omkopplingshastigheter på grund av att MOSFET:n behöver korta men höga strömmar för att byta tillstånd. Ingångarna i en drivrutin är vanligtvis logiska nivåer. MOSFETs kräver ofta en drivning på 1 – 2 A för att uppnå effektiv växling vid frekvenser på hundratals kilohertz. Denna drivning krävs på pulsbasis för att snabbt ladda och urladdning av MOSFET:s grindkapaciteter.

Parallellisering av MOSFETs

MOSFETs kan placeras parallellt för att förbättra strömhanteringsförmågan. Det är bara att koppla ihop grind-, källa- och dräneringsterminalerna. Valfritt antal MOSFETs kan parallellkopplas, men observera att gatekapacitansen ökar när du parallellkopplar fler MOSFETs, och så småningom kommer MOSFET-drivrutinen inte att kunna driva dem.

Användning av N-kanaliga Mosfets för att växla positiva spänningar

Ja, det kan du! Så länge Vgs-specifikationen uppfylls kommer en N-kanal vanligtvis att slå på och låta strömmen flöda från Source till Drain (Source mer positiv än Drain). Kroppsdioden kommer att låta strömmen flöda i alla fall, men om mosfeten slås på kan strömmen flöda fullt ut.

Användning av kroppsdioden

Du kan använda kroppsdioden för att låta strömmen passera genom en mosfet, men du måste vara försiktig och veta vad du gör för att se till att mosfeten inte skadas av att göra det.

Mosfet True Switch / Bi-Directional Switch With P-Channel MOSFETs

Med hjälp av detta back to back-arrangemang av P Channel mosfets kommer strömmen att flöda i båda riktningarna när den är på. När de är avstängda är båda sidorna isolerade. Du kan använda vilken typisk P-kanalmosfet som helst.

Transistoromkopplaren behövs eftersom grindarna måste omkopplas av en öppen dräneringsutgång för att undvika att det finns en tillräckligt stor Vgs från on off-signalen i förhållande till de strömskenor som är anslutna till dräneringarna som omkopplas . Transistorn kan vara förlorad av en open drain IC som kan tolerera Drain-spänningarna när off används för att ge signalen.

Observera att detta arrangemang endast är lämpligt om spänningen som kopplas är > Vgs kopplingströskel för den mosfet som används.

Om detta inte kan garanteras eller om opto isolering behövs är foto mosfet solid state reläer en utmärkt lösning. Exempel:

Avago ASSR-1218 – 200 mA, 60 V nominellt. Kan med fördel växla låga spänningar som +3V3 utan något annat spänningsfall än det som orsakas av dess motstånd i påslaget tillstånd (dvs. utan det spänningsfall som uppstår vid användning av en optoisolator med transistorutgång).

Mosfet True Switch / Bi-Directional Switch With N-Channel MOSFETs

Ett exempel:

Varför MOSFETs misslyckas

Otillräcklig grindstyrning

MOSFET-enheter kan endast växla stora mängder ström eftersom de är konstruerade för att förbruka minimal ström när de är påslagna. Du måste se till att MOSFET:n är hårt påslagen för att minimera dissipationen under ledningen. Om enheten inte är helt påslagen kommer enheten att ha ett högt motstånd under ledningen och kommer att avge mycket energi i form av värme.

Överspänning

Överskridandet av en MOSFETs märkspänning för bara några få nS och du kan förstöra den. Välj MOSFET-enheter konservativt för de förväntade spänningsnivåerna och se till att du tar hänsyn till eller tar itu med att undertrycka eventuella spänningstoppar eller ringning.

Peak current overload

Överbelastningsströmmar under en kort tid kan orsaka progressiv skada på en MOSFET ofta med liten märkbar temperaturhöjning före felet. MOSFETS anger ofta höga toppströmsvärden, men dessa gäller vanligtvis endast för toppströmmar på några 100 uS. Om du växlar induktiv belastning måste du se till att du övervärderar MOSFET:n så att den klarar toppströmmarna.

Prolonged current overload

Om en MOSFET passerar en hög ström kommer dess on state-motstånd att leda till att den värms upp. Om värmesänkningen är dålig kan MOSFET:n förstöras av för hög temperatur. En lösning på detta kan vara att parallellkoppla flera MOSFET:er för att dela höga belastningsströmmar mellan dem.

H eller Full Bridge Configuration Shoot-through / Cross conduction

När man använder P- och N-MOSFETS mellan spänningsskenor för att ge en H- eller L-utgångsspänning, om styrsignalerna till MOSFET:erna överlappar varandra kommer de effektivt att kortsluta matningen och detta är känt som ett shoot-through-tillstånd. När detta inträffar laddas eventuella frikopplingskondensatorer snabbt ur genom båda enheterna varje gång en omkopplingsövergång inträffar, vilket resulterar i mycket korta men stora strömpulser.

För att undvika detta måste man tillåta en dödtid mellan omkopplingsövergångarna, under vilken ingen av de två MOSFET:erna är påslagna.

Ingen frihjulsströmväg

Vid omkoppling av induktiva laster måste det finnas en väg för back EMF att frihjulas när MOSFET:n stängs av. MOSFETs med förstärkningsläge innehåller en diod som ger detta skydd.

Slow reverse recovery of MOSFET body diode

Högkvalitativa resonanskretsar kan lagra avsevärd energi i sin induktans och egenkapacitet. Under vissa avstämningsförhållanden leder detta till att strömmen ”frihjulas” genom MOSFET-enheternas interna kroppsdioder när en MOSFET stängs av och den andra enheten slås på. Ett problem uppstår på grund av den långsamma avstängningen (eller omvänd återhämtning) av den interna kroppsdioden när den motsatta MOSFET:n försöker slå på. MOSFET-kapseldioder har i allmänhet en lång återhämtningstid i omvänd riktning jämfört med själva MOSFET:ns prestanda. Om kroppsdioden i en MOSFET är ledande när den motsatta enheten slås på, uppstår en ”kortslutning” som liknar det ovan beskrivna genomströmningstillståndet. Du kan lösa detta problem genom att lägga till en Schottky-diod som är kopplad i serie med MOSFET-källan (förhindrar att MOSFET-kroppsdioden någonsin blir framåtspänd av den frihjuliga strömmen) och en höghastighetsdiod (snabb återhämtning) som är kopplad parallellt med MOSFET/Schottky-paret, så att den frihjuliga strömmen förbigår MOSFET:n och Schottky helt och hållet. Detta säkerställer att MOSFET-kroppsdioden aldrig drivs i ledning. Frihjulsströmmen hanteras av snabbåterhämtningsdioderna som ger mindre problem med genomströmning.

Excesssive gate drive

Om MOSFET-gaten drivs med för hög spänning kan gateoxidisoleringen punkteras, vilket effektivt förstör MOSFET:n. Se till att grinddrivningssignalen är fri från smala spänningsspikar som kan överskrida den högsta tillåtna grindspänningen.

Slow switching transitions

Liten energi går förlorad under de stabila på- och avstängningstillstånden, men avsevärd energi går förlorad under tiderna för en övergång. Därför är det önskvärt att växla mellan tillstånden så snabbt som möjligt för att minimera energiförbrukningen under växlingen. Eftersom MOSFET-porten är kapacitiv krävs det avsevärda strömpulser för att ladda och urladdning av porten på några tiotals nanosekunder. Toppströmmarna i grinden kan vara så höga som en ampere.

Förvrängd svängning

MOSFET-ingångarna har relativt hög impedans, vilket kan leda till stabilitetsproblem. Under vissa förhållanden kan högspännings-MOSFET-enheter oscillera vid mycket höga frekvenser på grund av ströinduktans och kapacitans i den omgivande kretsen. (Frekvenser som vanligtvis ligger på låga MHz.) En grindstyrningskrets med låg impedans bör också användas för att förhindra att strömsignaler kopplas till enhetens grind.

Konducerad störning med styrkretsen

Snabb omkoppling av stora strömmar kan orsaka spänningsdippar och transienta spikar på strömförsörjningsskenorna som kan störa styrkretsen. Goda frikopplings- och stjärnpunktsjordningstekniker bör användas.

Statisk elskada

MOSFETs är mycket känsliga för statisk elektricitet. Antistatiska hanteringsåtgärder bör användas för att förhindra skador på gateoxiden.