Interruttore lato alto MOSFET a canale P

Sto cercando di ridurre la dissipazione di potenza di un interruttore high side MOSFET a canale P. Quindi la mia domanda è:

• c'è un modo in cui questo circuito può essere modificato in modo che il MOSFET a canale P sia sempre "completamente acceso" (modalità triodo / ohmica), indipendentemente dal carico?

Modifica 1 : ignora il meccanismo di attivazione / disattivazione. La domanda rimane in qualche modo la stessa: come posso sempre mantenere V (sd) il più piccolo possibile (modalità P-MOSFET completamente attivata / ohmica), indipendentemente dal carico in modo che la dissipazione di potenza del MOSFET sia minima.

Modifica 2: il segnale commutato è un segnale CC. Fondamentalmente il circuito sostituisce un pulsante di commutazione.

Modifica 3: tensione commutata 30V, corrente massima commutata 5A.

Conoscere la tensione commutata e la corrente massima migliorerebbe notevolmente la qualità della risposta disponibile.

I MOSFET di seguito forniscono esempi di dispositivi che soddisferebbero le tue esigenze a bassa tensione (diciamo 10-20 V) a correnti più elevate di quelle che commuti nella maggior parte dei casi.

Non è necessario modificare il circuito di base: utilizzarlo come indicato con un FET adatto, come di seguito.

Allo stato stazionario acceso il "problema" è facilmente risolvibile.

• Un dato MOSFET avrà una resistenza ben definita a una determinata tensione di pilotaggio del gate. Questa resistenza cambierà con la temperatura, ma generalmente con meno di 2: 1.

• Per un dato MOSFET di solito è possibile ridurre la resistenza aumentando la tensione del gate drive, fino al massimo consentito per il MOSFET.

• Per una data corrente di carico e la tensione del gate drive è possibile scegliere il MOSFET con la resistenza allo stato più bassa che ci si possa permettere.

• È possibile ottenere MOSFET con Rdson nell'intervallo da 5 a 50 milliohm a correnti fino a 10 A a un costo ragionevole. Puoi ottenere simili fino a 50 A a costi crescenti.

Esempi:

In assenza di buone informazioni, farò alcune ipotesi. Questi possono essere migliorati fornendo dati reali.

Supponiamo che 12V sia commutato a 10A. Potenza = V x I = 120 Watt.
Con un Rdson caldo di 50 milliohm la dissipazione di potenza nel MOSFET sarà I ^ 2 x R = 10 ^ 2 x 0,05 = 5 Watt = 5/120 o circa il 4% della potenza di carico.
Avresti bisogno di un dissipatore di calore su quasi tutti i pacchetti.
A 5 milliohm la dissipazione a caldo di Rdson sarebbe di 0,5 Watt. e lo 0,4% della potenza di carico.
Un TO220 in aria ferma gestirà quell'OK.
Un SMD DPak / TO252 con rame PCB minimo gestirà questo OK.

Come esempio di un MOSFET SMD che funzionerebbe bene.
2,6 milliohm Rdson nel migliore dei casi. Dì circa 5 milliohm in pratica. 30 V, 60 A nominale. $ 1 in volume. Probabilmente qualche $ in 1. Non useresti mai il 60A - questo è un limite del pacchetto.
A 10A è una dissipazione di 500 mW, come sopra.
I dati termici sono un po 'incerti, ma suona come una giunzione di 54 C / Watt con l'ambiente su uno stato fisso PCB FR4 da 1 "x 1".
Quindi circa 0,5 W x 54 C / W = aumento di 27 ° C. Dì 30C. In un recinto avrai una temperatura di giunzione di forse 70-80 gradi. Anche nella Death Valley in piena estate dovrebbe essere OK. [Attenzione: NON chiudere la porta del bagno a Zabriski Point a metà estate !!!!] [Anche se sei una donna e l'inferno '

Scheda tecnica AN821 allegata alla scheda tecnica - Carta eccellente su problemi termici SO8

Per $ 1,77 / 1 ottieni un dispositivo TO263 / DPak piuttosto carino.
La scheda tecnica qui include un mini NDA! Limitato dalla NDA - leggilo tu stesso.
30v, 90A, 62 K / W con rame minimo e 40 k / W con un sussurro. Questo è un MOSFET fantastico in questo tipo di applicazione.
Meno di 5 milliohm ottenibili a molti 10 di ampere. Se potessi accedere al dado reale potresti eventualmente avviare una piccola auto con questo come l'interruttore del motorino di avviamento (specificato su 360A sui grafici) MA i fili di collegamento sono classificati a 90A. cioè il MOSFET interno supera di molto la capacità del pacchetto.
Ad esempio potenza 30A = I ^ 2 x R = 30 ^ 2 x 0,003 = 2,7 W.
0,003 ohm sembra corretto dopo aver visto la scheda tecnica.

Il carico non è il problema principale per mantenere il Rds il più basso possibile, è il Vg su cui devi concentrarti.
Per un PMOS minore è la tensione di gate, minore è Rds (come sottolinea Russell, maggiore Vgs assoluto ). Ciò significa che in questo caso il punto più basso del segnale di ingresso causerà il valore Rds più alto (se si tratta di un segnale CA)

Quindi ci sono 4 opzioni che vengono in mente:

1. Abbassa la tensione del gate (aumenta il Vgs assoluto) il più possibile (pur rimanendo all'interno delle specifiche ovviamente)

2. Aumentare il livello CC del segnale (o ridurre l'oscillazione pk-pk)

3. Utilizzare un MOSFET a 4 derivazioni (in modo da poter polarizzare il substrato separatamente dalla sorgente) in modo che la tensione del segnale non influisca sugli Rds.

4. Quello ovvio che accompagna tutto quanto sopra: usa un MOSFET con un Vth / Rds molto basso

5. Se è un'opzione, l'uso di un secondo MOSFET in parallelo riduce della metà la resistenza totale, quindi la dissipazione di potenza viene dimezzata. Ciò significa che la dissipazione di potenza di ogni singolo MOSFET è 0,25 della versione di un MOSFET. Questo presuppone una corrispondenza ideale tra RDS (i MOSFET hanno un tempco positivo e i componenti dello stesso batch saranno piuttosto vicini, quindi saranno vicini) Ciò farebbe una grande differenza, quindi potrebbe valere lo spazio / il costo extra.

Per mostrare come Rds varia con il segnale di ingresso dai un'occhiata a questo circuito:

Simulazione:

La traccia verde è il segnale di input e la traccia blu è il MOSFET Rds. Possiamo vedere come la tensione del segnale in ingresso diminuisce, Rds aumenta - molto bruscamente sotto un Vgs di ~ 1V (la tensione di soglia per questo MOSFET è probabilmente attorno a questo livello)
Si noti che la tensione scende solo leggermente all'inizio del turno MOSFET- off; questo accade molto rapidamente, anche qualche altro millivolt produrrebbe Rd considerevolmente più alti.

Questa simulazione mostra che quando il MOSFET è completamente acceso, il carico dovrebbe avere un effetto minimo:

L'asse X è la resistenza di carico (R_load) e la traccia blu è il MOSFET Rds nell'intervallo da 1Ω a 10kΩ. Possiamo vedere che Rds varia di meno di 1 mΩ (sospetto che le transizioni nitide siano solo SPICE, ma il valore medio dovrebbe essere ragionevolmente affidabile) La tensione di gate era 0 V e la tensione di ingresso era 3 VDC.