High-Side-Schalter für P-Kanal-MOSFET

Ich versuche, die Verlustleistung eines P-Kanal-MOSFET-High-Side-Schalters zu reduzieren. Meine Frage lautet also:

• Gibt es eine Möglichkeit, diese Schaltung so zu modifizieren, dass der P-Kanal-MOSFET unabhängig von der Last immer "voll eingeschaltet" ist (Triode / ohmscher Modus)?

Edit 1 : Bitte ignorieren Sie den Ein / Aus-Mechanismus. Die Frage bleibt irgendwie gleich: Wie kann ich V (sd) immer so klein wie möglich halten (P-MOSFET voll ein / ohmscher Modus), unabhängig von der Last, so dass die Verlustleistung des MOSFET minimal ist.

Bearbeiten 2: Das geschaltete Signal ist ein Gleichstromsignal. Grundsätzlich ersetzt die Schaltung einen Schalterknopf.

Edit 3: Spannung umgeschaltet 30V, maximaler Strom umgeschaltet 5A.

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

Die folgenden MOSFETS geben Beispiele für Geräte, die Ihren Bedarf an Niederspannung (z. B. 10-20 V) bei höheren Strömen decken, als Sie in den meisten Fällen schalten würden.

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

Im eingeschalteten Zustand kann das "Problem" leicht behoben werden.

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

• Bei einem bestimmten MOSFET kann der Widerstand normalerweise durch Erhöhen der Gate-Ansteuerspannung auf das für den MOSFET zulässige Maximum gesenkt werden.

• Für einen gegebenen Laststrom und eine gegebene Gate-Ansteuerspannung können Sie den MOSFET mit dem niedrigsten Durchlasswiderstand 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 bei steigenden Kosten bei bis zu 50A ähnlich werden.

Beispiele:

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

Angenommen, 12 V werden bei 10 A geschaltet. Leistung = V x I = 120 Watt.
Bei einer Rdson-Leistung 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 würde die Wärmeableitung 0,5 Watt betragen. und 0,4% der Lastleistung.
Ein TO220 in ruhiger Luft würde das in Ordnung bringen.
Ein DPak / TO252 SMD mit minimalem PCB-Kupfer würde das in Ordnung bringen.

Als Beispiel für einen SMD-MOSFET würde das gut funktionieren.
2,6 Milliohm Rdson bester Fall. Sagen Sie ungefähr 5 Milliohm in der Praxis. 30V, 60A bewertet. Volumen von 1 USD. Wahrscheinlich ein paar Dollar in Einsen. Sie würden den 60A niemals verwenden - das ist eine Paketbeschränkung.
Bei 10A sind das wie oben 500 mW Verlustleistung.
Die thermischen Daten sind ein wenig unsicher, aber es klingt wie ein 54 C / Watt-Übergang zur Umgebungstemperatur auf einer 1 "x 1" FR4-Leiterplatte im eingeschwungenen Zustand.
So steigen etwa 0,5 W × 54 C / W = 27 C an. Sagen wir 30C. In einem Gehäuse erhalten Sie eine Sperrschichttemperatur von möglicherweise 70-80 Grad. Auch im Death Valley im Hochsommer sollte es OK sein. [Warnung: Schließen Sie NICHT die Tür der Toilette am Zabriski Point im Hochsommer !!!!] [Auch wenn Sie eine Frau und die Hölle sind. '

Datenblatt AN821 an Datenblatt angehängt - Ausgezeichnetes Papier zu thermischen SO8-Problemen

Für 1,77 $ / 1 bekommst du ein recht schönes TO263 / DPak-Gerät.
Datenblatt über hier enthält eine Mini-NDA! Limited by 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 in dieser Art von Anwendung.
Unter 5 Milliohm erreichbar bei vielen 10 Ampere. Wenn Sie auf den eigentlichen Würfel zugreifen könnten, könnten Sie möglicherweise ein kleines Auto mit diesem Schalter als Anlasser starten (in den Diagrammen auf 360 A spezifiziert), ABER die Bonddrähte sind mit 90 A bewertet. dh der MOSFET im Inneren übersteigt die Gehäusefähigkeit bei weitem.
Bei sagen wir 30 A Leistung = I ^ 2 x R = 30 ^ 2 x 0,003 = 2,7 W.
0,003 Ohm erscheinen nach Betrachtung des Datenblatts fair.

Die Last ist nicht das Hauptproblem, um die RDS so niedrig wie möglich zu halten, sondern die VGs, auf die Sie sich konzentrieren müssen.
Bei einem PMOS ist der Rds-Wert umso niedriger, je niedriger die Gate-Spannung ist (wie Russell betont, der absolute Vgs- Wert ist höher ). Dies bedeutet, dass in diesem Fall der niedrigste Punkt des Eingangssignals den höchsten Rds-Wert verursacht (wenn es sich um ein Wechselstromsignal handelt).

Es gibt also 4 Optionen, die mir in den Sinn kommen:

1. Verringern Sie die Gate-Spannung (erhöhen Sie die absolute Vgs) so weit wie möglich (wobei Sie natürlich die Spezifikationen einhalten).

2. Erhöhen Sie den DC-Pegel des Signals (oder verringern Sie den pk-pk-Swing)

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

4. Das offensichtliche, das zu all dem gehört, ist die Verwendung eines MOSFET mit einer sehr niedrigen Vth / Rds

5. Wenn es eine Option ist, reduziert die Verwendung eines zweiten parallelen MOSFET den Gesamtwiderstand um die Hälfte, sodass die Verlustleistung halbiert wird. Dies bedeutet, dass die Verlustleistung jedes einzelnen MOSFET 0,25 der einen MOSFET-Version beträgt. Dies setzt eine ideale Rds-Anpassung voraus (MOSFETs haben ein positives Tempo, und Komponenten aus derselben Charge sind ziemlich nahe beieinander, so dass sie nahe beieinander liegen).

Um zu zeigen, wie Rds mit dem Eingangssignal variiert, sehen Sie sich diese Schaltung an:

Simulation:

Die grüne Spur ist das Eingangssignal und die blaue Spur ist der MOSFET Rds. Wir können sehen, wie die Eingangssignalspannung abfällt und 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 einen kleinen Weg in den Anfang des MOSFET dreh- Dips aus; Dies geschieht sehr schnell, sogar einige Millivolt würden erheblich höhere Rds erzeugen.

Diese Simulation zeigt, dass die Last bei vollständig eingeschaltetem MOSFET nur einen geringen Einfluss haben sollte:

Die X-Achse ist der Lastwiderstand (R_load) und die blaue Kurve 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.