选择MOSFET |是一种实用的方法

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一种实用的选择MOSFET的方法

这篇文章的目标是在我最初的基础上继续写下去功率MOSFET的帖子.虽然前一篇文章的目标是“去神秘化”围绕mosfet的问题,这将把这些信息付诸实践。我将概述几个重要的考虑,当选择一个MOSFET为一个特定的应用。我将使用三种常见的场景电路设计为MOSFET选择的基础。然后,我将展示一种实用的方法来过滤部件,直到选择的部件仍然存在,所有这些都将工作。

所有我喜欢使用的搜索DigiKey,因为我觉得他们的搜索功能比其他网站稍好一些。

场景1:选择低功耗指示灯/蜂鸣器MOSFET

mosfet在几乎所有实际电路中的一个常见应用是驱动指示led。LED或蜂鸣器绘制10mA-50mA是正常的。很可能,你选择的微控制器不能在IO引脚上吸收/源那么多电流。或者,即使可以,你也不想把它推到极限。这就是逻辑级MOSFET派上用场的地方。

STM32驱动MOSFET来吸收LED电流。

图1:微控制器直接驱动逻辑级MOSFET。这个MOSFET从一个小指示灯LED吸收电流。

图1显示了该场景的一个示例。要求的完整规格如下:

  1. 从漏极到源极的最大电流~ >500mA(这个规格是松的)
  2. 从漏极到源极最大电压> 12V
  3. 栅极3v3上的电压驱动。

这个MOSFET的标准是相当宽松的,与大多数咄咄逼人的规范是它需要直接从3v3逻辑驱动。除了AVR和一些较老的Microchip系列外,大多数微控制器将输出3v3逻辑。

新digkey搜索一般单mosfet

图2:Digikey上最新的MOSFET搜索。

缩小搜索范围

第一步是开始对mosfet进行新的Digikey搜索。没有滤镜的情况下,有超过40000个不同的部件!我的主要目标是尽快消除尽可能多的不符合标准的部分,使进一步的过滤更容易。我过滤现在有货减少胶带(CT)活跃的n型,MOSFET(金属氧化物).这立即将搜索范围限制在3675个部件。

唯一可能过度过滤零件的过滤器是减少胶带(CT)参数。过滤器的原因是消除重复的SMT零件使用不同的包装。一些通孔零件只在独家销售盒子散装.因为这个场景我只关心表面安装部件,这并不重要。更大的问题是托盘.有一些SMT零件,专门出售在那种包装。大多数时候,我真的不关心这些部件,因为通常它们都是老旧的、几乎过时的部件或大型微控制器。如果有一个问题与我不能找到足够的mosfet在搜索的结束,我将包括他们以后。

下一个最严格的MOSFET选择滤波器是驱动电压(最大Rds On,最小Rds On).该规范限制MOSFET的基础上需要施加到栅极打开MOSFET的电压。的马克斯Rds上部分是MOSFET第一次完全处于的电压“在”。在这个电压下,MOSFET将有最大的Rds值。目标是施加一个高于分钟Rds。在这一点之上,Rds将处于最低点。

我申请过滤器:

1.2 v, 2.5 v

1.5 v

1.8 v, 2.5 v

1.8 v, 2.7 v

2.5 v

最后搜索条件

我们现在限制到9个部分!它们都有漏源极电压(Vdss)至少12V。重要的是要注意,它是可能使用MOSFET低于分钟Rds上如果9个选择还不够,您可以扩展您的搜索,包括具有分钟Rds上以上3 v3。只要确保您查阅数据表,以查看3v3栅极驱动电压的Rds值。

最后要缩小的规格是电流-连续漏(Id) @ 25C。我将其限制为:

440毫安

1.4

2.3

3.7

9.3

现在我们只有5个部分可供选择。我们可以选择任何这些mosfet,因为他们符合我们的规格。从这一点上来说,要选择一个具体的,确实要看产品的目标。对于这样的东西,我通常会选择最便宜的。除了找到正确的pinout,我通常不会深入研究数据表,因为规格对我们没有太大的影响。

场景2:选择高功率、无pwm的MOSFET

在这种情况下选择MOSFET需要更多的挖掘和计算。我们正在寻找:

  1. 最大负载电流为20A
  2. 负载电压为24VDC
  3. 来自驱动器的门电压为12VDC
  4. 没有脉宽调制
  5. 没有强制空气对流可用

这种情况在驱动大型电阻负载时很常见,如LED阵列、加热器或电机驱动。我们将假设无论我们驱动的是没有感应的,而不是集中在那方面的MOSFET选择的细节。

最初的Rds方程

在开始搜索之前,我希望大致了解要搜索的Rds值。当一个MOSFET不是PWM的时候,它就像一个电阻穿过它的漏极和源。注意:Rds是相当可变的,取决于温度降额它也可能因特定的部分而有很大的不同。对于一个没有散热器的标准功率MOSFET应用,我喜欢保持功率作为热量低于1W。大多数标准包能够在没有太多问题的情况下处理这个问题。

用功率方程来求场效应晶体管在1W时的Rds(on)值。P=I^2 * R, R = 2.5m

方程1:功率方程,计算功率耗散为1W时的Rds(on)。

利用方程一,我发现1W功率和20A电流的Rds(on)是2.5m。使用我们的数字键搜索,我开始再次过滤现在有货减少胶带(CT)活跃的n型,MOSFET(金属氧化物).我们又降到了3675个零件。

最严格的过滤器

最严格的参数是Rds On (Max) @ Id, Vgs,所以我过滤它,只包括等于或低于2.5m的部分。我们现在只剩下大约400个零件。的漏源极电压(vds)根据我们的设计规格,需要24VDC以上。由于这个负载可能会离开我们的板,电线可能有一个电感组件,我将给这个规格一些headroom . I过滤器包括来自40V和以上的部分,留下我们刚刚超过200个部分。

过滤所需的最终规范是vg (Max).因为我们将驱动12VDC的门,我只包括12V以上的部分。剩下的~200个零件都应该适合我们的应用。我在本文中忽略了一个规范电流-连续漏(Id) @ 25°C.这样做的原因是,它可能会误导人。大多数时候,MOSFET受限于由rd或开关损耗产生的热量,而不是实际的连续额定电流。当你不想使用低于我们20A的部件时,最好是持保留态度。

现在我们选择哪个MOSFET ?

接下来,假设我想只使用表面贴装mosfet,在一个DPAK风格包。最后两个过滤器,我们剩下大约70个部分!那还剩下很多部分,所有这些都应该对我们有用。问题是,我们选择哪个MOSFET ?最终,这将取决于你的特定产品,以及其他标准的重要性。假设成本是一个主要的驱动因素,所以我按价格排序,按升序。其中最便宜的是TK100S04N1L, LXHQ东芝半导体和存储公司。如下面的图3所示。

场景2的最终选择是TK100S04N1L,LXHQ。这部分显示了规格的数字键页

图3:TK100S04N1L,LXHQ MOSFET的Digikey部分页面。

两个重要的MOSFET图表从数据表是Rds vs ID和Rds vs Ta

图4:来自数据表的两个图表。左边是Rds和Id,右边是Rds和Ta。

图4显示了我将在数据表中参考的两个关键图表。由于我们将驱动这个MOSFET在12V,我们从上面的左图知道,在20A, Rds将在1.9米左右。右图是根据环境温度降额Rds。对于我们的例子,我们假设这是在环境温度下,所以不需要降额。

对功耗方程进行微调

既然我们已经选择了MOSFET,并且知道了实际Rds值,我们可以微调我们的能量方程。注意:我在上面用了斜体表示“实际”,因为即使是基于数据表,它也总是一个粗略的近似值。

P=I^2 * R = 20^2 * 1.9m = 0.76W

方程2:功率方程,根据Rds求实际功率耗散。

使用方程2,场效应晶体管将耗散的功率作为热量0.76 w.这是有道理的,当rd为250万时,功率将是1W。使用这个0.76 w值,我们可以粗略地确定预期的MOSFET结温是多少。不幸的是,东芝的数据表只给我们一个值Channel-to-case热阻通道部分指的是,我不知道他们为什么用这个术语。如果使用散热器,这个规范是有用的,但因为它没有给出连接到环境的值,我们需要使用不同的数据表。IPD90N04S402ATMA1由英飞凌,这是一个相同的包声明热阻,结-环境,含铅为62度k/W。因为它们是同一个包,所以我们可以放心地使用这个规范。

下面的方程很简单,它给了我们改变在温度从周围环境。千万不要把这个值当作实际的温度.假设室温为25℃,则结温为25℃+ 47℃=72 c.虽然这个温度看起来可能很高,但数据表给出的最大结温度是175C!我们远远低于这个数字,所以我对我的选择有信心。如果这个72C对您的应用程序来说太高,您可以重复搜索较低的Rds值,以选择结温度较低的MOSFET。

决定所选MOSFET结温的T方程。Tdelta = Pd * JunctionToAmbient

公式3:计算所选MOSFET结温的公式。

场景3:选择MOSFET用于大功率的PWM负载

最后一个场景将是最困难的,需要最多的假设。场景是相同的前一个,期望这个负载将PWM。这可以在如何选择MOSFET工作的方法上产生巨大的差异。这是我之前漏掉的MOSFET的帖子视频,就是开关损耗的问题。我的目标不是深入讨论这个话题的细节,因为有很多很棒的应用程序会讨论这个话题SLYT664AN608A虽然复杂的推导和方程可能是有帮助的,但它们通常会导致浪费大量时间,并且仍然产生不准确的结果。

MOSFET开关损耗的背景

功率损耗vs频率图显示了开关损耗随着频率的增加而增加。而传导保持不变。

图5:显示PWM的MOSFET的各种损失的图表。TI SLYT664来源。

图5给出了一个伟大的看如何功率是耗散在一个MOSFET取决于频率。注意:忽略功率损耗的实际值,因为这是依赖于MOSFET的。我将忽略门损失,因为他们不是重要的sub MHz的。损耗的传导部分就是MOSFET的Rds。当一个场效应晶体管完全打开时,它就像一个电阻从漏极到源极。这个损耗并不依赖于MOSFET开关的频率。开关损耗随着频率的增加而迅速增加。

最简单的方法是:

当MOSFET打开或关闭时,从漏极到源极的电阻很高。花在开启/关闭MOSFET(更高频率)上的时间越多,在过渡过程中损耗的功率就越多。

这是核心简化,指导我的方法选择一个MOSFET是PWM的。

MOSFET的选择标准

这个场景的标准与场景2非常相似,除了第4项:

  1. 最大负载电流为20A
  2. 负载电压为24VDC
  3. 来自驱动器的门电压为12VDC
  4. PWM的频率为1KHz -> 10KHz
  5. 没有强制空气对流可用
  6. 我们将使用NCP81074A门驱动器,可以源达10A。
  7. 5R1栅极电阻,栅极驱动电流4.7A

我们需要更多关于星门驱动器的信息,在第六项和第七项中。

开始MOSFET选择过程

初始搜索与前面的示例相同。我过滤了现在有货减少胶带(CT)活跃的n型,MOSFET(金属氧化物)。然后,我过滤Rds On (Max) @ Id, Vgs小于2.5m,因为我想要这个MOSFET能够舒适地驱动负载在100%占空比。我过滤漏源极电压(vds)到40 v,vg (Max)超过12 v。

我们现在只剩下和以前一样的200个左右的零件。既然这些都可以驱动我们的负载,而完全打开,我们如何确保它可以处理在10KHz的驾驶?这就是假设和需要原型的地方。我按升序排序门电荷(Qg) (Max) @ Vgs.将这个量的电荷注入到场效应晶体管的栅极中,使其完全开启。栅极电荷越低,场效应晶体管在给定的栅极电流下启动越快。

基于栅电荷选择MOSFET

从这里,我试图找到一个好的混合低rd和低门电荷。根据应用程序的不同,价格可能也是一个重要的考虑因素。STL260N4LF7由意法半导体公司(STMicroelectronics)推出的这款产品,其所列rd为110万,门电荷为42个nC,这似乎是两者的良好结合。

两个图表,一个显示栅电荷与栅电压。另一个显示了Rds和Id

图6:两个图表;左边是Vgs vs Qc,右边是Rds vs Id。

深入研究数据表,图6显示了两个重要的图表。左边是根据栅极驱动电压,实际的栅极电荷。由于digikey的规格是基于4.5V (卑鄙的,我知道),我们的登机费会更高。由于图表停在10V的Vgs,我们可以假设在12V时,它将大致相同。因此,我们将使用80nC的Qg进行计算。正确的电荷是我们之前用过的那个。在20A和10V的Vgs, Rds大约是0.85米,这实际上比在第一个例子中使用的MOSFET更低。我希望,这个FET在两种情况下都会工作得更好!

最终的计算

现在我们已经选择了MOSFET,我会像之前一样跟踪和微调静态功率耗散方程。如公式4所示,MOSFET的静态导通损耗为0.34W。

更新的功率耗散方程为我们选择的MOSFET。功耗为0.34W。这比先前的MOSFET要低

公式4:更新后的功率方程,求实际功率耗散。

下面的方程5是我使用的最后一个方程。我计算出MOSFET的上升时间为17.02ns。我们可以据此推断,并假设下降时间也将是17.02ns。这意味着花在MOSFET开关上的总时间是34.04ns。把这个时间转换成一个频率大约是30MHz。注意:我没有使用上升和下降时间的数学定义(10% -> 90%)。我用的是对总过渡时间的物理估计。

t=Q/i用于计算所选MOSFET的上升和下降时间

公式5:利用门电荷,我们可以计算出上升/下降时间。

使用下图7,我们可以看到PWM频率为10KHz时,方波的总周期时间等于100us。由于这两个17ns转换只占总时间的很小一部分,我们可以假设它们的功率损耗可以忽略不计。虽然我没有一个规则,当这是正确的,通常如果开关过渡时间小于0.5%的总时间,我不担心使用MOSFET。然而,如果它到达了它占据了大部分时间的地方,就会有传导损失被开关淹没的风险,它会过热。

PWM频率的方波图显示了上升/下降时间的大小

图7:我们场景中的方波图。绝大多数时间都是开着或关着,而不是在过渡时间。

测试所选MOSFET的假设

在我的下一篇博文中,我将在描述的场景中发布关于测试这个MOSFET的更新。如果选择的MOSFET处理负载很好,下一步是调整栅极电阻。栅极电阻越大,过渡周期越慢。这有增加开关损耗的不良影响,但它可以大大降低产生在电路板上的EMI。我的目标总是使用最大的门电阻可能,这允许MOSFET选择功能适当。

结论

每一个需要MOSFET的电路都必须遵循一套不同的规格。这篇文章给出了一个实用的方法,可以遵循静态和PWM的负载。我的计算和标准都是基于简单的方程式和真实的测试。本系列的下一篇文章将构建场景并对假设进行测试!

在MicroType工程公司,我们有多年的经验设计使用场效应管电路。不要犹豫联系我们今天来了解我们的能力,以及我们如何在您的下一个电子项目上帮助您!

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