P-Channel MOSFET saklar sisi tinggi

Saya mencoba untuk mengurangi disipasi daya dari saklar sisi tinggi P-Channel MOSFET. Jadi pertanyaan saya adalah:

• apakah ada cara di mana sirkuit ini dapat dimodifikasi sehingga P-Channel MOSFET akan selalu "sepenuhnya aktif" (mode triode / ohmic) tidak peduli apa bebannya?

Sunting 1 : Harap abaikan mekanisme on / off. Pertanyaannya tetap sama: bagaimana saya bisa selalu menjaga V (sd) sekecil mungkin (P-MOSFET sepenuhnya pada mode / ohmic), terlepas dari beban sehingga disipasi daya MOSFET minimal.

Sunting 2: Sinyal yang diaktifkan adalah sinyal DC. Pada dasarnya rangkaian menggantikan tombol sakelar.

Sunting 3: Voltage switched 30V, max current switched 5A.

Mengetahui tegangan yang diaktifkan dan arus maks akan sangat meningkatkan kualitas jawaban yang tersedia.

The MOSFETS di bawah ini memberikan contoh perangkat yang akan memenuhi kebutuhan Anda pada tegangan rendah (katakanlah 10-20V) pada arus yang lebih tinggi daripada Anda akan beralih dalam banyak kasus.

Sirkuit dasar tidak perlu dimodifikasi - gunakan sebagaimana adanya FET yang sesuai - seperti di bawah ini.

Dalam kondisi mapan pada mode "masalah" mudah diatasi.

• MOSFET yang diberikan akan memiliki tahanan yang didefinisikan dengan baik pada tegangan drive gate yang diberikan. Resistansi ini akan berubah dengan suhu, tetapi biasanya kurang dari 2: 1.

• Untuk MOSFET yang diberikan, Anda biasanya dapat mengurangi tahanan dengan meningkatkan voltase drive gate, hingga maksimum yang diizinkan untuk MOSFET.

• Untuk arus beban dan voltase drive gate yang diberikan, Anda dapat memilih MOSFET dengan resistansi daya terendah yang Anda mampu.

• Anda bisa mendapatkan MOSFET dengan Rdson dalam kisaran 5 hingga 50 miliohm pada arus hingga 10A dengan biaya yang masuk akal. Anda bisa mendapatkan serupa hingga mengatakan 50A dengan biaya yang meningkat.

Contoh:

Dengan tidak adanya informasi yang baik saya akan membuat beberapa asumsi. Ini dapat ditingkatkan dengan menyediakan data aktual.

Asumsikan 12V akan diaktifkan pada 10A. Daya = V x I = 120 Watt.
Dengan Rdson yang panas 50 miliohms, disipasi daya pada MOSFET adalah I ^ 2 x R = 10 ^ 2 x 0,05 = 5 Watt = 5/120 atau sekitar 4% dari daya beban.
Anda memerlukan heatsink pada hampir semua paket.
Pada 5 milliohms Rdson disipasi panas akan menjadi 0,5 Watt. dan 0,4% daya muat.
A TO220 di udara diam akan menangani itu OK.
A DPak / TO252 SMD dengan tembaga PCB minimal akan menangani itu OK.

Sebagai contoh MOSFET SMD yang akan bekerja dengan baik.
2,6 milliohms Rdson kasus terbaik. Katakanlah sekitar 5 milliohms dalam praktiknya. 30V, 60A dinilai. Volume $ 1. Mungkin beberapa $ dalam 1. Anda tidak akan pernah menggunakan 60A - itu adalah batas paket.
Pada 10A itu disipasi 500 mW, seperti di atas.
Data termal sedikit tidak pasti tetapi kedengarannya seperti 54 C / Watt persimpangan ke ambient pada 1 "x 1" FR4 PCB steady state.
Jadi sekitar 0,5W x 54 C / W = kenaikan 27C. Katakan 30C. Di kandang Anda akan mendapatkan suhu persimpangan mungkin 70-80 derajat. Bahkan di Death Valley pada pertengahan musim panas, itu tidak masalah. [Peringatan: JANGAN menutup pintu di toilet di Zabriski Point pada pertengahan musim panas !!!!] [Bahkan jika Anda seorang wanita dan Neraka '

Datasheet AN821 ditambahkan ke datasheet - Kertas yang sangat baik tentang masalah termal SO8

Untuk $ 1,77 / 1 Anda mendapatkan perangkat TO263 / DPak yang agak bagus.
Datasheet via sini termasuk NDA mini! Terbatas oleh NDA - bacalah sendiri.
30v, 90A, 62 K / W dengan tembaga minimal dan 40 k / W dengan bisikan. Ini adalah MOSFET yang luar biasa dalam jenis aplikasi ini.
Di bawah 5 miliohm dapat dicapai pada banyak 10 amp. Jika Anda dapat mengakses die sebenarnya Anda mungkin dapat memulai mobil kecil dengan ini sebagai starter motor switch (spec'd ke 360A pada grafik) TETAPI bondwires dinilai pada 90A. yaitu MOSFET di dalam sangat melebihi kemampuan paket.
Katakanlah daya 30A = I ^ 2 x R = 30 ^ 2 x 0,003 = 2,7W.
0,003 ohm tampak adil setelah melihat lembar data.

Beban bukan masalah utama untuk menjaga RDS serendah mungkin, ini adalah Vgs yang perlu Anda konsentrasi.
Untuk PMOS, semakin rendah tegangan gerbang, semakin rendah Rds (seperti yang ditunjukkan Russell, semakin tinggi Vgs absolut ). Ini berarti dalam hal ini sinyal input titik terendah akan menyebabkan Rds tertinggi (jika itu sinyal AC)

Jadi ada 4 opsi yang muncul di pikiran:

1. Turunkan voltase gerbang (naikkan Vgs absolut) sebanyak mungkin (sambil tetap dalam spesifikasi tentunya)

2. Naikkan level sinyal DC (atau kurangi ayunan pk-pk)

3. Gunakan MOSFET 4-lead (sehingga Anda dapat membuat bias media secara terpisah dari sumber) sehingga tegangan sinyal tidak mempengaruhi Rds.

4. Yang jelas yang berjalan dengan semua di atas - gunakan MOSFET dengan Vth / Rds yang sangat rendah

5. Jika ini merupakan pilihan, menggunakan MOSFET kedua secara paralel akan mengurangi resistansi total hingga setengahnya, sehingga disipasi daya berkurang setengahnya. Ini berarti disipasi daya setiap MOSFET individu adalah 0,25 dari satu versi MOSFET. Ini mengasumsikan pencocokan RDS ideal (MOSFET memiliki tempco positif dan komponen dari batch yang sama akan sangat dekat sehingga akan menjadi dekat) Ini akan membuat perbedaan besar, jadi mungkin sebanding dengan ruang / biaya tambahan.

Untuk menunjukkan bagaimana RDS bervariasi dengan sinyal input, lihat sirkuit ini:

Simulasi:

Jejak hijau adalah sinyal input, dan jejak biru adalah RDS MOSFET. Kita bisa melihat ketika tegangan sinyal input turun, Rds naik - sangat tajam di bawah Vgs ~ 1V (tegangan ambang untuk MOSFET ini mungkin sekitar level ini)
Perhatikan bahwa tegangan hanya turun sedikit ke awal dimulainya putaran MOSFET mati; ini terjadi sangat cepat, bahkan beberapa milivolt lainnya akan menghasilkan RDS yang jauh lebih tinggi.

Simulasi ini menunjukkan bahwa ketika MOSFET dihidupkan sepenuhnya, beban seharusnya memiliki efek yang sangat kecil:

Sumbu X adalah tahanan beban (R_load) dan jejak biru adalah RDS MOSFET pada rentang 1Ω hingga 10kΩ. Kita dapat melihat RDS bervariasi kurang dari 1mΩ (Saya menduga transisi tajam hanya SPICE, tetapi nilai rata-rata harus cukup dapat diandalkan) Tegangan gerbang adalah 0V dan tegangan input adalah 3VDC.