Auswahl des richtigen Gate-Treibers für einen MOSFET in einem DC-DC-Wandler

Ich baue meinen ersten einfachen Abwärtswandler, schalte 12 V auf 5 V herunter und treibe eine kleine Last von 5 Ω - 10 Ω. Etwas wie das Folgende:

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oder:

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Die obigen Bilder zeigen beide einen N-Kanal-MOSFET. Ich bin verwirrt darüber, was die beste Option wäre, um den N-Kanal-MOSFET mit einer Schaltfrequenz von 10 kHz anzusteuern, wenn man die obigen Parameter berücksichtigt.

Ich habe hier gelesen , dass für einen N-Kanal-MOSFET möglicherweise eine spezielle Treiberschaltung erforderlich ist, um den Transistor einzuschalten, sodass ein P-Kanal-MOSFET möglicherweise einfacher zu implementieren ist.

Was den Gate-Treiber betrifft, habe ich viel gesehen, und eine beliebte, kostengünstige Schaltung scheint einen nicht invertierenden Totem-Pole-Treiber zu enthalten , wie gezeigt.

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Ich habe überlegt, ob die obige Schaltung in meinem Fall gut wäre, und einfach den PWM-Impuls bei geben Rb.

- Was wäre ein geeigneter Gate-Treiber-IC für einen N-Kanal-MOSFET und warum?

- Wenn ein P-Kanal-MOSFET für diese Anwendung besser geeignet ist, würde ich mich für die am wenigsten "komplexe" Lösung entscheiden und einen P-Kanal-MOSFET verwenden. Was wäre eine geeignete P-Kanal-Treiberschaltung / IC?

Ich habe noch nie zuvor so etwas entworfen, also denken Sie bitte daran :) Tipps und / oder Vorschläge wären willkommen!

Edit: Nur zur Klarstellung.

  1. Die Kosten spielen in diesem Fall keine Rolle.
  2. Einfacheres Design (weniger Teile) ist besser.
Es gibt so viele ICs, die für diese Art von Arbeit technisch ausgereift sind, von der Stange. Warum nicht eine davon verwenden?
Dies wird ein Teil eines größeren Projekts sein, das ich plane, und möchte einfach das meiste davon selbst bauen, von Grund auf neu.
Ich würde hier anfangen. Die Frequenz ist eher niedrig und ein 1n4007 ist eine schlechte Wahl, zu langsam. Verwenden Sie einen Simulator, um Ihre Schaltung zu überprüfen.
Beachten Sie, dass das zweite Diagramm den MOSFET auf der niedrigen Seite der Last angeschlossen hat, während Ihr erstes Diagramm den FET auf der hohen Seite der Last hat. Um mit dem FET auf der hohen Seite der Last einen guten Wirkungsgrad zu erzielen, müssen Sie in der Lage sein, eine höhere Gate-Spannung als VIN anzulegen.
Welche Abwärtsregler-ICs kommen mit einer Switched-Capacitor-Schaltung aus. Aber für einen Ansatz von Grund auf neu könnten Sie lieber einfach einen p-Kanal-FET verwenden.
@lakeweb, danke für die gute Quelle. Wird auf jeden Fall zur Berechnung der obigen Komponentenauswahl verwendet
@ThePhoton, danke für deinen Beitrag dazu. Sie würden also einen p-Kanal-FET vorschlagen, da für eine höhere Effizienz eine Gate-Spannung höher als VIN angelegt werden muss? Gibt es IC-Treiber, die dies mit einem N_channel ermöglichen?
Ja, Sie können nach einem High-Side-Gate-Treiber-IC suchen. Ich weiß nicht genau, was verfügbar ist, da ich für diese Art von Anwendung hauptsächlich mit ICs mit integrierten Controllern (oder integrierten Reglern) arbeite.
Sie haben hier zwei offensichtliche Möglichkeiten, sich für einen P-Kanal-FET zu entscheiden, da er einfacher anzusteuern ist, obwohl der P-Kanal je nach Leistungspegel tendenziell teurer und weniger verfügbar ist. Alternativ benötigen Sie eine High-Side-Treiberschaltung. Dies könnte einen Gate-Treiber-Transformator oder einen IC verwenden. Mein Favorit wäre ein IC. Sie funktionieren, indem sie die zum Treiben des Gates benötigte Energie in einem Kondensator speichern. Es wird verwendet, um das Gate mit Strom zu versorgen, wenn der Transistor eingeschaltet ist, und wird aufgeladen, wenn die Diode leitet. Die Regeln dieser Seite lassen mich keine Einkaufsvorschläge machen, aber es gibt viele da draußen.
@WarrenHill, ich gehe davon aus, dass kein High -Side-Treiberschaltungs-IC gleich gut funktionieren würde. Ich suche keine Einkaufsvorschläge, nur ob der, auf den ich hingewiesen habe, geeignet wäre, und wenn nicht, worauf sollte ich bei einem High-Side-Laufwerks-IC achten?
Es ist nicht klar, was der Grund für diese Übung ist. Bei 1 A Last bei 5 V und 10 kHz Schaltung gibt es überhaupt keinen Unterschied, wie man ansteuert und welchen FET. Das Ansteuern eines High-Side-FET ist ein Thema der IC-Feintechnik, die über ein gutes Budget an Transistoren verfügt, um einen FET auf wirklich optimale Weise anzusteuern. Der richtige Weg ist die Verwendung eines dedizierten Schalter-ICs mit integriertem FET oder eines Schaltreglers, der den externen FET richtig ansteuert. Also, wo ist das Rindfleisch? Ich sehe keinen Wert in dieser Übung, nicht einmal pädagogisch. Sieht eher nach einer Einkaufsfrage aus.
Und was ist mit dem Rest der Schaltung? Fehler Verstärker? Spannungsreferenz, PWM-Wandler? Wer wird all diese Dinge tun, wenn Sie nicht sicher sind, wie man einen High-Side-FET ansteuert?
Ich werde eine feste Last verwenden, daher ist keine Rückkopplungsschaltung erforderlich. Außerdem lege ich ein 10-kHz-Signal von einem Signalgenerator an. Wie gesagt, ich bitte nicht um Einkaufsvorschläge, sondern nur darum, ob ein N-Kanal- oder P-Kanal-FET in diesem Fall optimal wäre und welche Art von Treiber bevorzugt würde. (Bootstrap-Treiber, synchroner Treiber usw.)

Antworten (3)

Ich würde einfach einen Treiber wie ADP3120 oder einen seiner Cousins ​​verwenden. Dieser treibt 2 MOSFETs im Synchrongleichrichtungsmodus an, was etwas effizienter ist als die Verwendung eines FET und einer Diode. In Anbetracht des geringen Preises dieses Treibers gibt es eigentlich keinen Grund dafür eine aufwändige Schaltung zu bauen.

Wenn Sie die Diode behalten möchten, gibt es auch High-Side-Treiberchips.

Vielen Dank für Ihre Antwort und Ihren Vorschlag. Ich verstehe nicht, warum Sie sagen, dass ich die Diode entfernen kann, wenn Sie den von Ihnen vorgeschlagenen Treiber verwenden. Soweit ich weiß, verhindert die Diode in einem Abwärtswandler während der Ladephase, dass sich der Kondensator entlädt, während während der Entladephase der Induktorstrom weiterhin in die Gleichrichterdiode fließt, um den Ausgang aufzuladen. Bedeutet dies nicht, dass die Diode eine notwendige Komponente für das korrekte Funktionieren dieses Wandlers ist? Möglicherweise verfehle ich Ihren Punkt jedoch vollständig und gehe auf eine Tangente.
Der von mir zitierte Chip treibt 2 FETs an, sodass die Diode durch einen FET ersetzt wird, der die gleiche Rolle wie die Diode hat, jedoch weniger Spannungsabfall und damit weniger Verluste. Ich bin sicher, Sie könnten nur High-Side-Treiber finden, aber ich kann aus dem Kopf heraus keinen zitieren.
Gut! Sie können die digikey-Suchmaschine verwenden, Kategorie „FET-Treiber“, „High-Side-Treiber“ für FET+Diode oder „High- und Low-Side“ für 2 FETs auswählen.
Ich fand den obigen Vorschlag, den Sie gemacht haben, äußerst hilfreich. Ich habe mich für diese Art von Treiber entschieden. Ich möchte bestätigen, dass eine externe Bootstrap-Schaltung in Verbindung mit dem obigen Treiber gebaut werden muss, um den High-Side-MOSFET anzusteuern. Können solche Modifikationen intern in ähnlichen Treibern gefunden werden oder wäre es einfacher, diese Komponenten einfach extern hinzuzufügen? Danke
Wenn Sie einen Chip mit der Bezeichnung "High-Side-Treiber" kaufen, benötigen Sie normalerweise einen Bootstrap, der aus einem Kondensator und einer Diode besteht. Einige Chips enthalten die Diode intern. Der Kondensator ist natürlich immer extern. Können Sie Links zu dem Chip hinzufügen, den Sie verwenden möchten?
Ehrlich gesagt, der Treiber, mit dem Sie verknüpft sind (ADP3120), wird die Arbeit in meiner Schaltung erledigen. Ich denke, dass die Diode intern enthalten ist, aber ich bin mir nicht sicher. Der folgende Satz auf Seite 5 des Datenblatts verwirrte mich: "Die Bootstrap-Schaltung verwendet einen Ladungsspeicherkondensator (CBST) und die interne (oder eine externe) Diode." Datenblatt finden Sie hier: onsemi.com/pub/Collateral/ADP3120A-D.PDF
Es heißt etwas weiter "Eine externe Diode ist erforderlich", also nehme ich an, dass der Text "interne Diode" ein Fehler ist ... als ich diesen Treiber verwendete, fügte ich die Diode hinzu.

Es gibt viele mögliche Lösungen. Wie reist man am besten von London nach Paris? Mit Auto, Bahn oder Flugzeug? Sie alle funktionieren, aber die Kosten und die Leistung sind unterschiedlich. Gleiches gilt für dein Problem. Wenn Sie auf einen High-Side-Schalter eingestellt sind, gibt es eine Reihe verschiedener Optionen. Ich werde einige gängige Ansätze skizzieren:

  1. Verwenden Sie ein isoliertes DC-DC-Netzteil plus einen Standard-Low-Side-Gate-Treiber, z. B. MCP1416, dessen Referenzpunkt die Source des MOSFET ist. Diese Lösung ist teuer und hat eine hohe Teilezahl.

  2. Verwenden Sie einen Impulstransformator. Einfach. Die Einschaltdauer ist hier auf < 50 % begrenzt.

  3. Verwenden Sie einen Bootstrap-High-Side-Abwärtstreiber oder einen Halbbrückentreiber, z. B. LM5109. Dies ist eine der einfachsten Möglichkeiten, einen High-Side-Schalter anzusteuern. Das folgende Diagramm veranschaulicht diesen Ansatz. Hier können Sie mehr lesen . Beachten Sie nur, dass Sie den Bootstrap-Kondensator beim Start aufladen müssen.

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Bei einem Abwärtswandler können Sie den MOSFET auch auf die Masseschiene verschieben. Dies ist als Low-Side-Buck bekannt. Mit einem Low-Side-Buck können Sie einen Standard-Low-Side-MOSFET-Treiber verwenden, z. B. MCP1416, was sehr einfach ist. Allerdings wird die Messung der Ausgangsspannung komplizierter.

Für die von Ihnen beschriebene Low-Power-Anwendung (~ 5 W Ausgangsleistung) und Ihre Forderung nach einem einfachen Design würde ich empfehlen, nur einen einfachen Buck-Controller-IC mit integriertem Schalter zu verwenden (einige haben sogar eine integrierte Induktivität / Diode). Die einzigen externen Komponenten wären Eingangs- und Ausgangskappen (Diode und Induktivität) und in einigen Fällen (wenn die Ausgangsspannung einstellbar ist) ein Spannungsteiler im Rückkopplungspfad. Diese ICs verfügen normalerweise über umfassende Anwendungshinweise, die die Auswahl externer Komponenten mehr oder weniger narrensicher machen.

Auswahl des richtigen Gate-Treibers für einen MOSFET in einem DC-DC-Wandler
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