Selezione NMOS FET per protezione da inversione di polarità

Sto lavorando su un circuito di protezione contro l'inversione di polarità, simile a quello mostrato nella Figura 2 di SLVA139: Circuiti di protezione da inversione di corrente / batteria . Ecco il mio circuito:

Il mio caso è leggermente più complesso a causa della possibile tensione di ingresso compresa tra 5 e 40 V. La maggior parte dei MOSFET sembra avere una tensione massima del gate-source V _GS di 20V, quindi ho bisogno del morsetto Zener sul gate (o di un FET molto grande / costoso). La corrente massima in ingresso sarà di circa 6A.

Quello che mi chiedo è, quali caratteristiche FET contano davvero in questa configurazione? So che voglio sicuramente una tensione di breakdown source-drain BV _DSS abbastanza alta da gestire l'intera tensione di ingresso in condizione di inversione di polarità. Sono anche abbastanza sicuro di voler minimizzare R _{DS (on)} per non introdurre alcuna impedenza nel circuito di terra. Fairchild AN-9010: MOSFET Basics ha questo da dire sul funzionamento nella regione di Ohmic:

"Se la tensione di drain-to-source è zero, anche la corrente di drain diventa zero indipendentemente dalla tensione gate-to-source. Questa regione si trova sul lato sinistro della linea di confine V _GS - V _{GS (th)} = V _DS ( V _GS - V _{GS (th)} > V _DS > 0). Anche se la corrente di drain è molto grande, in questa regione la dissipazione di potenza viene mantenuta minimizzando V _{DS (on)} . "

Questa configurazione rientra nella classificazione V _DS = 0? Sembra un'ipotesi un po 'pericolosa da fare in un ambiente rumoroso (funzionerà in prossimità di vari tipi di motori), poiché eventuali scostamenti di tensione tra la terra dell'alimentazione di ingresso e la terra locale potrebbero far fluire la corrente. Anche con questa possibilità, non sono sicuro che ho bisogno di specifiche per la mia corrente di carico massima sul consumo di corrente I _D . Ne conseguirebbe quindi che non ho nemmeno bisogno di dissipare molta potenza. Suppongo che potrei mitigare il problema bloccando Zener V _GS più vicino a V _{GS (th)} per ridurre la corrente / tensione di drain?

Sono sulla buona strada con questo, o mi sto perdendo alcuni dettagli critici che mi faranno esplodere un piccolo MOSFET in faccia?

L'uso di un MOSFET per la protezione da tensione inversa è molto semplice.
Alcuni dei tuoi riferimenti sono corretti ma di scarsa rilevanza e tendono a rendere il problema più complesso di quello che è. I requisiti chiave (che hai già sostanzialmente identificato) sono

• MOSFET deve avere una classificazione Vds_max sufficiente per la massima tensione applicata

• Classificazione MOSFET Ids_max più che ampia

• Rdson il più in basso possibile.

• Vgs_max non superato nel circuito finale.

• Dissipazione di potenza installata in grado di gestire in modo ragionevole la potenza operativa di I_operating ^ 2 x Rdson_actual

• Dissipazione di potenza installata in grado di gestire l'accensione e lo spegnimento di regioni di dissipazione più elevate.

• Gate guidato al taglio "abbastanza rapidamente" nel circuito del mondo reale.
  (Peggior caso: applica Vin correttamente e poi riavvia Vin istantaneamente. Il cutoff è abbastanza veloce?)

In pratica, ciò è facilmente realizzabile nella maggior parte dei casi.
Vin ha scarso effetto sulla dissipazione operativa.
Rdson deve essere valutato per il caso peggiore che possa essere sperimentato nella pratica. Circa 2 x Rdson con titoli sono generalmente sicuri O esaminare attentamente le schede tecniche. Usa le classificazioni peggiori - NON utilizzare classificazioni tipiche.

L'accensione può essere lenta se lo si desidera, ma è necessario tenere presente la dissipazione.
Lo spegnimento con inversione di polarità deve essere rapido per consentire un'applicazione improvvisa di protezione.

Che cos'è Iin max?
Non dici cosa sia I_in_max e questo fa davvero la differenza nella pratica.

Hai citato:

"Se la tensione di drain-to-source è zero, anche la corrente di drain diventa zero indipendentemente dalla tensione gate-to-source. Questa regione si trova sul lato sinistro della linea di confine VGS– VGS (th) = VDS (VGS - VGS (th)> VDS> 0).

e

Anche se la corrente di drain è molto grande, in questa regione la dissipazione di potenza viene mantenuta minimizzando VDS (on). "

Nota che questi sono pensieri relativamente indipendenti dello scrittore. Il primo è sostanzialmente irrilevante per questa applicazione.
Il secondo dice semplicemente che un FET Rdson basso è una buona idea.

Tu hai detto:

Questa configurazione rientra nella classificazione VDS = 0? Sembra un'ipotesi un po 'pericolosa da fare in un ambiente rumoroso (funzionerà in prossimità di vari tipi di motori), poiché eventuali scostamenti di tensione tra la terra dell'alimentazione di ingresso e la terra locale potrebbero far fluire la corrente. Anche con questa possibilità, non sono sicuro di dover specificare la mia massima corrente di carico sull'ID corrente di drain. Ne conseguirebbe quindi che non ho nemmeno bisogno di dissipare molta potenza. Suppongo che potrei mitigare il problema bloccando Zener VGS più vicino a VGS (th) per ridurre la corrente / tensione di drain?

Troppo pensiero :-).

Quando Vin è OK, attivare FET al più presto.
Ora Vds è basso quanto sta per arrivare ed è impostato da Ids ^ 2 x Rdson
Ids = corrente del circuito.
A 25 ° C ambiente Rds inizierà al valore indicato a 25 ° C nel foglio delle specifiche e aumenterà se / mentre FET si riscalda. Nella maggior parte dei casi, la FET non si scalda molto.
ad es. 1 20 milliOhm FET a 1 amp fornisce 20 mW di riscaldamento. L'aumento della temperatura è molto basso in qualsiasi pacco sensibile con un minimo dissipatore di calore. A 10A la dissipazione = 10 ^ 2 x 0,020 = 2 Watt. Ciò richiederà un DPAk o TO220 o SOT89 o migliore pkg e un sensibile dissipatore di calore. La temperatura della matrice può essere compresa tra 50 e 100 ° C e Rdson aumenterà oltre il valore nominale di 25 ° C. Nel peggiore dei casi potresti dire 40 milliOhm e 4 watt. È ancora abbastanza facile da progettare.

Aggiunto: utilizzando il massimo 6A fornito successivamente.
PFet = I ^ 2.R. R = P / i ^ 2.
Per una dissipazione massima di 1 Watt si desidera Rdson = P / i ^ 2 = 1/36 ~ = 25 milliohm.
Realizzato molto facilmente.
A 10 milliohm P = I ^ 2.R = 36 x 0,01 = 0,36 W.
A 360 mW un TO220 sarà caldo ma non caldo senza dissipatore di calore ma buon flusso d'aria. Una traccia di dissipatore di calore a bandiera lo renderà felice.

I seguenti sono tutti sotto $ 1,40 / 1 e in stock presso Digikey.

LFPACK 60V 90A 6,4 milliohm !!!!!!!!!!!

TO252 70V 90A 8 milliohm

TO220 60V 50A 8.1 milliohm

Tu hai detto:

Suppongo che potrei mitigare il problema bloccando Zener VGS più vicino a VGS (th) per ridurre la corrente / tensione di drain?

No!
Meglio salvato per ultimo :-).
Questo è l'esatto contrario di ciò che è richiesto.
Il tuo protettore deve avere un impatto minimo sul circuito controllato.
Quanto sopra ha un impatto massimo e aumenta la dissipazione nel protettore rispetto a ciò che può essere ottenuto utilizzando un FET Rdson sensibilmente basso e attivandolo.