Kann ich ein Niederspannungs-MOSFET-Gate direkt von einem Mikrocontroller aus ansteuern?

Die Antwort ist ja und nein. Ich meine, es hängt davon ab, was Sie mit der Last tun müssen.

Für ein einfaches und relativ langsames Ein-/Ausschalten können Sie es tun, vorausgesetzt, dass ...

Ihre MCU hat einen ausreichenden Ausgangspegel : Die meisten Mosfets mit Logikpegel sind für eine Vgs von 4,5 V gekennzeichnet; Normalerweise sehen Sie auf der Titelseite, dass der Hersteller mit seinen Rds bei 10 V (Standardpegel) und 4,5 V (Logikpegel) prahlt.

Ihr MOSFET ist ein sogenannter Super-Logikpegel, der in diesem Fall mit 2,5 V gekennzeichnet ist. Es gibt sogar 1,8-V-MOSFETs auf Gate-Ebene (normalerweise für Umgebungen mit geringem Stromverbrauch).

Beachten Sie, dass Sie die absoluten Werte für die GPIO-Ports eingefügt haben: Diese sind für diesen Zweck nicht ganz so interessant wie die typischen Werte. Auf Ihrem Datenblatt enthält Tabelle 17 die Antworten.

Stellen Sie sicher, dass Ihre maximale VOL unter Ihrer Gate-Schwelle liegt (um Fehlstarts zu vermeiden!). Sie haben 0,4 max auf der MCU und 0,5 min auf dem MOSFET, also ist es in Ordnung. Denken Sie auch an einen Gate-Pulldown, um sicherzustellen, dass der MOSFET ausgeschaltet bleibt, wenn der Port im Tristate-Zustand ist (normalerweise während des Zurücksetzens).

Für den EIN-Zustand müssen Sie den VOH überprüfen. Ihr Ziel ist mindestens 2,5 V (die Ausgangskurve auf dem MOSFET-Datenblatt erzählt die ganze Geschichte). Sie benötigen also mindestens 3 V Versorgung an der MCU.

Beachten Sie die Bedingungsspalte in der Tabelle: Die angegebenen Werte sind bei 8 mA angegeben. CMOS-Ausgangszellen sind etwas nichtlinear (dh sie haben keine exakte Ausgangsimpedanz). Die Idee ist, dass Sie nach mehr Strom fragen, der Port wird die angegebene Leistung nicht erreichen.

Für den Strom ist das Problem etwas komplizierter: Wie Sie wahrscheinlich wissen, ist der Gate-Anschluss im Wesentlichen ein Kondensator (der andere Anschluss ist natürlich die Quelle). Das Ein-/Ausschalten des MOSFET ist einfach das Laden/Entladen dieses Kondensators (fast: es ist ein zusammengesetzter Kondensator mit unterschiedlichen Ladephasen).

Als erste Annäherung müssen Sie Ciss (die Eingangskapazität des MOSFET) betrachten. Das sind in diesem Fall etwa 1,1 nF. Ein weiterer nützlicher Parameter ist die Gate-Gesamtladung Qg (sie gibt an, wie viel Sie zum Aufladen des Gates benötigen).

Also, um es noch einmal zusammenzufassen:

• Sie haben ungefähr 2,5-2,8 V GPIO zur Verfügung;
• Sie müssen einen 1,1-nF-Gate-Kondensator aufladen;
• Ihnen stehen ca. 8mA Strom zur Verfügung;
• Wenn Sie das Gate mit etwa 18 nC aufgeladen haben, hat der MOSFET das Umschalten abgeschlossen (naja, es endet vorher, ist aber vereinfacht).

Um den GPIO-Strom zu begrenzen, verwenden Sie natürlich einen Widerstand. Denken Sie daran, dass ein leerer Kondensator fast ein Kurzschluss ist, sodass Sie den gesamten 2,5-2,8-V-Ausgang auf 8 mA begrenzen müssen. Ohmsches Gesetz hilft.

Dies ist alles, was Sie für einen einfachen, langsamen MOSFET-Schalter benötigen (denken Sie natürlich daran, die induktive Entmagnetisierung des Motors freilaufen zu lassen). In dieser Situation wird der MOSFET (im Wesentlichen) vollständig verstärkt und als Rdson-Widerstand abgebaut.

Nun, für PWM haben Sie zwei Hauptprobleme:

• Mit nur 8mA ist der Schaltvorgang langsam. Wirklich. Sie können das exponentielle Verhalten der RC-Schaltung verwenden, um die Schaltzeit theoretisch zu bestimmen. In der Praxis verwendet man heutzutage normalerweise einen Simulator (häufig SPICE-basiert), um zu wissen, wie viel Zeit es dauert; Dies begrenzt die Frequenz, die Sie für Ihre PWM verwenden können (denken Sie daran, dass Sie auch das Gate entladen müssen, um den MOSFET auszuschalten, sodass die Mindestperiode doppelt so lang ist!)

• Während der Kommutierung bewegt sich der Betriebspunkt durch den linearen Bereich, sodass der Rdson-Wert nicht mehr gültig ist. In diesem Bereich ist Vds signifikant und die Verlustleistung kann ein Problem darstellen (diese werden als Schaltverluste bezeichnet). Je länger es dauert, desto mehr Joule werden natürlich in Wärme verschwendet.

Die Verluste hängen vom Strom ab, der für Ihren Motor benötigt wird, können aber geschätzt werden. Sie können nichts für statische (Rdson) Verluste tun. Schaltverluste können reduziert werden, indem das Gate schneller geladen wird , dh mit mehr Strom. Dann brauchen Sie einen Gate-Treiber und es gibt mehr Probleme. Sie können Gate-Treiber sogar auf Logikpegel verwenden (wenn der Treiber mit einer so niedrigen Spannung arbeitet).

Eine gute einführende Appnote ist SLUP169 Fundamentals of MOSFET and IGBT Gate Driver Circuits von TI.

Der einfachste Weg, hier einige Zahlen zu erhalten, wäre, den Transistor zu simulieren. Abgesehen davon gibt es einige Berechnungen auf der Rückseite des Umschlags, mit denen Sie herausfinden können, was los ist. Beachten Sie, dass ich die Werte aus den Datenblattauszügen verwendet habe, nicht aus dem tatsächlich verknüpften Datenblatt (sie sind unterschiedlich).

Nähern Sie die MOSFET-Gate-Ladung (Qg) als idealen Kondensator an. Beachten Sie, dass diese Gate-Gebühr von VDS und IDS abhängt und das Datenblatt einen willkürlichen Wert auswählt. Beachten Sie auch, dass die Gate-Kapazität nicht linear ist, also wirklich eine Annäherung, keine Lösung.

Nehmen Sie einen Widerstand in Reihe an, um den Strom auf die GPIO-Grenze zu begrenzen:

Nähern Sie die Anstiegs-/Abfallzeit als RC-Zeitkonstante an. Das Schaltverhalten wird durch diese Annahme nicht gut modelliert, dies dient nur dazu, eine grobe Abschätzung der Größenordnung zu erhalten. Die Verwendung von 2,2 Zeitkonstanten ergibt ungefähr einen Übergang von 10 % bis 90 % und ist etwas pessimistisch. Dies setzt auch voraus, dass die GPIO-Treiberstärke über alle Ausgangsspannungen hinweg gleich gut ist.

Das ist also nicht superschnell, aber es ist nicht schrecklich. Die tatsächliche Ausgangsschaltzeit wird wahrscheinlich geringer sein. Ich würde wahrscheinlich weiter nach niedrigeren PWM-Frequenzen suchen.

GPIO-Ausgänge werden gut durch Stromquellen angenähert, die einen Strom treiben, der etwas kleiner ist als der Kurzschlussstrom, den der GPIO-Pin in beide Schienen treiben kann. Normalerweise haben die GPIO-Treiber die gleiche Stromquelle und -senke. Das Gate wird durch einen mit der Source verbundenen Kondensator gut angenähert. Es ist einfach, die Anstiegsgeschwindigkeit und damit die Gate-Spannung (eine Rampe) und den Moment zu bestimmen, in dem der Mosfet zu leiten beginnt und wann er vollständig eingeschaltet wird.

Im Allgemeinen haben einzelne MCU-Ausgänge nicht genug Stromkapazität, um Mosfets mit niedrigem Widerstand schnell genug ein- und auszuschalten, um die Schaltverluste zu minimieren. Wenn Sie es sich leisten können, viel mehr GPIO-Pins zur Verfügung zu haben, als nominell benötigt werden, ist es eine gute Strategie, mehrere Pins parallel zu schalten, um den effektiven Strom zu erhöhen. Dies erfordert das Hinzufügen von Power-Pins zur MCU. Dies wird erreicht, indem "Dummy"-GPIO-Ausgänge mit GND und VCC verbunden werden und sie jeweils in den logischen Zustand 0/1 treiben. Diese Ausgänge bieten zusätzliche parallele Versorgungspfade für die benachbarten Treiber, die das Mosfet-Gate ansteuern. Die Stifte des parallelen Leistungspfads würden mit Ausgangsstiften abgewechselt, die das Gate ansteuern, um die I/O-Leistungsringströme niedrig zu halten.

Dieser Trick kann verwendet werden, um viel höhere kombinierte GPIO-Ströme bereitzustellen, als dies sonst möglich wäre, ohne den Chip zu überlasten, selbst wenn der absolut maximale Gesamt-Pin-Strom überschritten wird.

Dies ist nur machbar, wenn besonderes Augenmerk darauf gelegt wird, einen solchen Betrieb zu charakterisieren und sicherzustellen, dass der E/A-Leistungsring durch solche Ströme nicht beschädigt wird. Solche Spielereien sind sinnvoll bei Low-Cost-Produkten in großen Stückzahlen, bei denen die Verlagerung von möglichst viel Verantwortung auf die MCU trotz höherer F&E-Kosten Kosten spart. Verwenden Sie für Produkte mit geringem Volumen im Zweifelsfall einfach einen Gate-Treiber. Es wird viel billiger sein.

Schauen Sie sich Abbildung 1 im Datenblatt für den MOSFET an. Diese Zahl gibt Ihnen den typischen Wert von an$V_{DS}$für einen gegebenen Wert von$V_{GS}$Und$I_D$. Verwenden Sie nur die Kurve, die dem entspricht$V_{OH}$für Ihren Prozessor.

Stellen Sie sicher, dass der MOSFET genügend Strom für Ihre Last liefern kann, während er einen ausreichend niedrigen Wert beibehält$V_{DS}$.

Wenn Sie abschätzen möchten, wie schnell der Mikrocontroller das MOSFET-Gate schalten kann, verwenden Sie die typische Gesamt-Gate-Kapazität für den MOSFET und das Minimum $I_{OL}$Und$I_{OH}$für Ihren Mikrocontroller. Angesichts des durchschnittlichen Stroms und der Kapazität können Sie eine Schätzung berechnen$\frac{dV}{dt}$. Wenn Sie wissen, wie stark sich die Spannung am MOSFET-Gate ändern soll ($dV$, normalerweise gleich der Mikrocontroller-Versorgungsspannung), dann können Sie eine Schätzung berechnen$dt$.

Die von Ihnen eingegebenen Parameter,$V_{GPIO\_ABS}\,$Und$I_{GPIO\_ABS}\,$sind absolute Höchstwerte für Gerät und Verpackung; diese Parameter sind hier nicht relevant.

Nach einer sehr groben Schätzung aus dem Datenblatt beträgt die Einschaltzeit im schlimmsten Fall (schnellste) etwa 20 ns und die erforderliche Gate-Ladung beträgt 0,22 nC. Das Ig liegt also bei etwa 10 mA, was weniger ist als Ihr Quellstrom des uControllers.

Hier ist ein einfaches Beispiel mit einem 100-W-12-V-Motor unter Verwendung des Falstad-Standardmodells.

• Ich habe einen Nch-FET mit Vt = 1,5 V, Vgs = 12 V PWM-Variable f & dc und eine Standard-Leistungsdiode (10 A est?) verwendet

Beachten Sie, dass die Diagramme zeigen, dass die von der Spannungsquelle erzeugte Leistung bei etwa 95 W im Dauerzustand und auch für DIODE und FET (~ 20 mOhm) negativ ist.

Ps = 95 W, Pfet = 1,5 W, Pdiode = 7,3 W

Kann ich ein Niederspannungs-MOSFET-Gate direkt von einem Mikrocontroller aus ansteuern?

Ja ... aber beim Entwerfen eines Motortreibers gibt es noch viel mehr Designfragen.

Woher weiß ich, ob der GPIO eines Mikrocontrollers genug "Leistung" hat, um diesen MOSFET anzusteuern?

Der GPIO versorgt den Motor nicht mit Strom, aber die Ausgänge haben einen niedrigen Widerstand$R_{oh}=(V_{dd}-V_{oh}/I_{oh}$ist normalerweise < 50 Ohm bei 25 °C, abhängig von Vdd. (Nenn-GPIO-Strom ist für Logikpegel @ Vol und Voh, die hier weniger relevant sind, verwenden Sie also den berechneten RdsOn )

Wichtige Fakten zu GPIO-SPEZIFIKATIONEN

• Verwenden Sie nicht den Absolute Max-Strom, um Ihre Treiber zu entwerfen, Sie sollten diesen Grenzen nicht nahe kommen. - Berechnen Sie stattdessen den Strom und stellen Sie sicher, dass er UNTER DEN ABS-GRENZEN arbeitet

• Berechnen Sie Router so

  $V_{OH}= \dfrac{V_{DD} – 0.5V}{8~ mA} = \dfrac{3.3-0.5}{8}=350 ~\Omega (abs.max @ 85°C)$

FETs verwenden die Spannung der Gate-Kapazitätsladung (siehe Ciss ), und die Gate-Schwelle Vgs(th) (auch bekannt als Vt) ist für einen hohen Widerstand. Um einen niedrigen RdsOn zu erreichen, ist etwa Vgs>=2 * Vgs(th) erforderlich, und RdsOn wird in der Nähe davon bewertet.

Die Gate-Anstiegszeit kann aus Ro * Ciss geschätzt werden. Die Anstiegsgeschwindigkeit des Ausgangs hängt von der Lastreaktanz RdsOn und Coss ab. ref Ich schlage vor, dass Sie sich einen Halbbrücken-FET oder einen Vollbrücken-Leistungsmotortreiber-IC (für bidirektional) besorgen, bis Sie sich mit allen Designparametern vertraut gemacht haben.

https://www.pcbway.com/blog/technology/Powerful_H_Bridge_DC_Motor_Driver.html

Das Layout ist entscheidend für eine gute Leistung mit Masseebene für niedrige Induktivität und gute Entkopplung.

Normalerweise ist ein Push-Pull-Treiber, auch bekannt als Half-Bridge, besser, da der einzelne PWM-Schalter mit einer Diodenklemme den Push-Pull des armen Mannes wirkt ( Nch-Pull + Dioden-Push-Schalter auf Vdd von der Gegen-EMK). Diese sind jedoch anfällig für Durchschussfehler, es sei denn, Sie entwerfen mit schnellem Aus und langsamem EIN, um eine definierte "Totzeit oder Unterbrechung vor dem Schalten von Schienen zu erzeugen. Dies ist ein normales Design.

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