P-Kanal-MOSFET-High-Side-Schalter

Die Kenntnis der geschalteten Spannung und des maximalen Stroms würde die verfügbare Antwortqualität erheblich verbessern.

Die folgenden MOSFETs geben Beispiele für Geräte, die Ihren Anforderungen bei niedriger Spannung (z. B. 10–20 V) und Strömen entsprechen, die höher sind, als Sie in den meisten Fällen schalten würden.

Die Grundschaltung muss nicht modifiziert werden – verwenden Sie sie unverändert mit einem geeigneten FET – wie unten.

Im Steady-State-On-Modus wird das "Problem" leicht angegangen.

• Ein gegebener MOSFET hat einen wohldefinierten Ein-Widerstand bei einer gegebenen Gate-Ansteuerspannung. Dieser Widerstand ändert sich mit der Temperatur, aber normalerweise um weniger als 2:1.

• Für einen bestimmten MOSFET können Sie normalerweise den Widerstand verringern, indem Sie die Gate-Ansteuerspannung bis zum für den MOSFET zulässigen Maximum erhöhen.

• Für einen gegebenen Laststrom und eine gegebene Gate-Ansteuerspannung können Sie den MOSFET mit dem niedrigsten Einschaltwiderstand wählen, den Sie sich leisten können.

• Sie können MOSFETs mit Rdson im Bereich von 5 bis 50 Milliohm bei Strömen von bis zu 10 A zu vernünftigen Kosten erhalten. Sie können ähnliches mit bis zu 50 A zu steigenden Kosten erhalten.

Beispiele:

In Ermangelung guter Informationen werde ich einige Annahmen treffen. Diese können durch Bereitstellung aktueller Daten verbessert werden.

Angenommen, 12 V sollen bei 10 A geschaltet werden. Leistung = V x I = 120 Watt.
Bei einem heißen Rdson von 50 Milliohm beträgt die Verlustleistung im MOSFET I ^ 2 x R = 10 ^ 2 x 0,05 = 5 Watt = 5/120 oder etwa 4% der Lastleistung.
Sie würden einen Kühlkörper auf fast jedem Paket benötigen.
Bei 5 Milliohm Rdson wäre die Wärmeableitung 0,5 Watt. und 0,4 % der Lastleistung.
Ein TO220 in ruhender Luft würde das OK handhaben.
Ein DPak / TO252 SMD mit minimalem PCB-Kupfer würde das OK handhaben.

Als Beispiel für einen SMD-MOSFET, der gut funktionieren würde.
2,6 Milliohm Rdson im besten Fall. Sprich in der Praxis etwa 5 Milliohm. 30 V, 60 A ausgelegt. 1 $ Volumen. Wahrscheinlich ein paar $ in 1. Sie würden niemals die 60A verwenden - das ist eine Paketgrenze.
Bei 10 A sind das wie oben 500 mW Verlustleistung.
Die thermischen Daten sind etwas unsicher, aber es klingt wie ein Übergang von 54 C/Watt zur Umgebung auf einer 1 "x 1" FR4-Leiterplatte im stationären Zustand.
Also etwa 0,5 W x 54 C/W = 27 C Anstieg. Sprich 30°C. In einem Gehäuse erhalten Sie eine Sperrschichttemperatur von vielleicht 70-80 Grad. Auch im Death Valley im Hochsommer soll es ok sein. [Warnung: Schließen Sie im Hochsommer NICHT die Tür auf der Toilette am Zabriski Point !!!!][Auch wenn Sie eine Frau und die Hölle sind'

Datenblatt AN821 an Datenblatt angehängt – Ausgezeichnetes Papier zu thermischen Problemen mit SO8

Für 1,77 $/1 bekommt man ein ziemlich schönes TO263 / DPak Gerät.
Das Datenblatt hier enthält ein Mini-NDA! Eingeschränkt durch NDA - lesen Sie es selbst.
30 V, 90 A, 62 K/W mit minimalem Kupfer und 40 k/W mit einem Flüstern. Dies ist ein großartiger MOSFET für diese Art von Anwendung.
Unter 5 Milliohm erreichbar bei vielen 10 Ampere. Wenn Sie auf den eigentlichen Chip zugreifen könnten, könnten Sie möglicherweise ein kleines Auto damit als Anlassermotorschalter starten (in Diagrammen auf 360 A angegeben), ABER die Bonddrähte sind für 90 A ausgelegt. dh der MOSFET im Inneren übersteigt die Gehäusekapazität bei weitem.
Bei einer Leistung von beispielsweise 30 A = I ^ 2 x R = 30 ^ 2 x 0,003 = 2,7 W.
0,003 Ohm erscheinen nach einem Blick auf das Datenblatt fair.

Die Last ist nicht das Hauptproblem, um die Rds so niedrig wie möglich zu halten, es sind die Vgs, auf die Sie sich konzentrieren müssen.
Bei einem PMOS gilt: Je niedriger die Gate-Spannung, desto niedriger Rds (wie Russell betont, höhere absolute Vgs). Das bedeutet in diesem Fall, dass der niedrigste Punkt des Eingangssignals die höchsten Rds verursacht (wenn es sich um ein AC-Signal handelt).

Da fallen mir also 4 Möglichkeiten ein:

1. Senken Sie die Gate-Spannung (erhöhen Sie die absoluten Vgs) so weit wie möglich (während Sie natürlich innerhalb der Spezifikationen bleiben).

2. Erhöhen Sie den DC-Pegel des Signals (oder reduzieren Sie den pk-pk-Ausschlag)

3. Verwenden Sie einen 4-Leiter-MOSFET (damit Sie das Substrat getrennt von der Quelle vorspannen können), damit die Signalspannung den Rds nicht beeinflusst.

4. Das Offensichtliche, das zu all dem oben Genannten passt - verwenden Sie einen MOSFET mit einem sehr niedrigen Vth / Rds

5. Wenn es eine Option ist, wird durch die Verwendung eines zweiten parallelen MOSFET der Gesamtwiderstand um die Hälfte reduziert, sodass die Verlustleistung halbiert wird. Das bedeutet, dass die Verlustleistung jedes einzelnen MOSFET 0,25 der einer MOSFET-Version beträgt. Dies setzt eine ideale Rds-Anpassung voraus (MOSFETs haben einen positiven Tempco und Komponenten aus derselben Charge werden ziemlich nahe beieinander liegen, sodass sie nahe beieinander liegen). Dies würde einen großen Unterschied machen und kann daher den zusätzlichen Platz / die zusätzlichen Kosten wert sein.

Um zu zeigen, wie Rds mit dem Eingangssignal variiert, werfen Sie einen Blick auf diese Schaltung:

Simulation:

Die grüne Kurve ist das Eingangssignal und die blaue Kurve ist der MOSFET Rds. Wir können sehen, wie die Eingangssignalspannung abfällt, Rds ansteigt - sehr stark unter Vgs von ~ 1 V (die Schwellenspannung für diesen MOSFET liegt wahrscheinlich um diesen Pegel).
Beachten Sie, dass die Spannung nur geringfügig bis zum Beginn der MOSFET-Wende abfällt aus; Dies geschieht sehr schnell, selbst ein paar Millivolt mehr würden erheblich höhere Rds erzeugen.

Diese Simulation zeigt, dass die Last bei vollständig eingeschaltetem MOSFET nur sehr geringe Auswirkungen haben sollte:

Die X-Achse ist der Lastwiderstand (R_load) und die blaue Spur ist der MOSFET Rds über den Bereich von 1 Ω bis 10 kΩ. Wir können sehen, dass Rds um weniger als 1 mΩ variiert (ich vermute, die scharfen Übergänge sind nur SPICE, aber der Durchschnittswert sollte einigermaßen zuverlässig sein). Die Gate-Spannung betrug 0 V und die Eingangsspannung 3 VDC.