MOSFETパッケージのスイッチングチューブの選択と回路図

最初のステップは、次のものを選択することですMOSFET、主に N チャネルと P チャネルの 2 つのタイプがあります。電力システムでは、MOSFET は電気スイッチと考えることができます。 N チャネル MOSFET のゲートとソースの間に正の電圧が加えられると、そのスイッチが導通します。導通中、電流はスイッチを通ってドレインからソースに流れることができます。ドレインとソースの間にはオン抵抗 RDS(ON) と呼ばれる内部抵抗が存在します。 MOSFET のゲートは高インピーダンス端子であるため、常にゲートに電圧が加えられることを明確にする必要があります。これは、後で示す回路図でゲートが接続されているグランドへの抵抗です。ゲートがぶら下がったままの場合、デバイスは設計どおりに動作せず、不適切な瞬間にオンまたはオフになる可能性があり、その結果、システムで電力損失が発生する可能性があります。ソースとゲート間の電圧がゼロになると、スイッチがオフになり、デバイスに電流が流れなくなります。この時点でデバイスはオフになりますが、漏れ電流 (IDSS) と呼ばれる少量の電流がまだ存在します。

ステップ 1: N チャネルまたは P チャネルを選択します

設計に適したデバイスを選択するための最初のステップは、N チャネル MOSFET を使用するか P チャネル MOSFET を使用するかを決定することです。一般的な電力アプリケーションでは、MOSFET が接地され、負荷が幹線電圧に接続されている場合、その MOSFET が低電圧側スイッチを構成します。低電圧側スイッチでは、N チャネルMOSFETデバイスの電源をオフまたはオンにするために必要な電圧を考慮して、この電圧を使用する必要があります。 MOSFET がバスに接続され、負荷が接地されている場合は、高電圧側スイッチが使用されます。このトポロジーでは通常、やはり電圧駆動を考慮して P チャネル MOSFET が使用されます。

ステップ 2: 電流定格を決定する

2 番目のステップは、MOSFET の定格電流を選択することです。回路構造に応じて、この電流定格は、負荷があらゆる状況下で耐えることができる最大電流である必要があります。電圧の場合と同様に、設計者は、システムがスパイク電流を生成している場合でも、選択した MOSFET がこの電流定格に耐えられることを確認する必要があります。現在考慮されている 2 つのケースは、連続モードとパルススパイクです。このパラメータは、FDN304P チューブのデータシートを参考として基づいており、パラメータを図に示します。

連続導通モードでは、デバイスに電流が継続的に流れるとき、MOSFET は定常状態になります。パルススパイクは、デバイスに大量のサージ (またはスパイク電流) が流れることです。これらの条件下での最大電流が決定したら、この最大電流に耐えることができるデバイスを直接選択するだけです。

定格電流を選択した後、導通損失も計算する必要があります。実際には、MOSFET導電プロセスでは導電損失と呼ばれる電力損失が発生するため、これは理想的なデバイスではありません。 MOSFET は「オン」のときは可変抵抗のように、デバイスの RDS (オン) と温度の大幅な変化によって決定されます。デバイスの消費電力は Iload2 x RDS(ON) から計算できます。オン抵抗は温度によって変化するため、消費電力も比例して変化します。 MOSFET に印加される電圧 VGS が高くなるほど、RDS(ON) は小さくなります。逆に、RDS(ON) は高くなります。システム設計者にとって、ここでシステム電圧に応じたトレードオフが関係します。ポータブル設計では、より低い電圧を使用する方が簡単 (そしてより一般的) ですが、工業用設計では、より高い電圧を使用できます。 RDS(ON) 抵抗は電流とともにわずかに増加することに注意してください。 RDS(ON) 抵抗器のさまざまな電気パラメータの変動については、製造元が提供する技術データシートに記載されています。

ステップ 3: 熱要件を決定する

MOSFET を選択する次のステップは、システムの熱要件を計算することです。設計者は、最悪のケースと実際のケースという 2 つの異なるシナリオを考慮する必要があります。最悪の場合のシナリオを計算することをお勧めします。これは、この結果により安全マージンが大きくなり、システムが故障しないことが保証されるためです。 MOSFET データシートには、注意すべき測定値もいくつかあります。パッケージ化されたデバイスの半導体接合部と環境の間の熱抵抗や最大接合部温度などです。

デバイスのジャンクション温度は、最大周囲温度に熱抵抗と電力損失の積を加えたものに等しくなります (ジャンクション温度 = 最大周囲温度 + [熱抵抗 × 電力損失])。この式から、システムの最大消費電力を解くことができます。これは、定義上、I2 x RDS(ON) に等しくなります。担当者がデバイスに流れる最大電流を決定しているため、さまざまな温度に対して RDS(ON) を計算できます。単純な熱モデルを扱う場合、設計者は半導体接合/デバイスケースおよびケース/環境の熱容量も考慮する必要があることに注意することが重要です。つまり、プリント基板とパッケージがすぐに温まらないことが必要です。

通常、PMOSFET には寄生ダイオードが存在します。ダイオードの機能はソースとドレインの逆接続を防止することです。PMOS の場合、NMOS に対する利点は、ターンオン電圧を 0 にできることです。 DS 電圧はそれほど大きくありませんが、NMOS のオン条件では VGS がしきい値よりも大きい必要があり、必然的に制御電圧が必要な電圧より大きくなり、不要なトラブルが発生します。 PMOS は、次の 2 つのアプリケーションの制御スイッチとして選択されます。

デバイスのジャンクション温度は、最大周囲温度に熱抵抗と電力損失の積を加えたものに等しくなります (ジャンクション温度 = 最大周囲温度 + [熱抵抗 × 電力損失])。この式から、システムの最大消費電力を解くことができます。これは、定義上、I2 x RDS(ON) に等しくなります。設計者はデバイスを通過する最大電流を決定しているため、さまざまな温度に対して RDS(ON) を計算できます。単純な熱モデルを扱う場合、設計者は半導体接合/デバイスケースおよびケース/環境の熱容量も考慮する必要があることに注意することが重要です。つまり、プリント基板とパッケージがすぐに温まらないことが必要です。

この回路を見ると、制御信号 PGC は、V4.2 が P_GPRS に電力を供給するかどうかを制御します。この回路では、ソース端子とドレイン端子は逆接続されておらず、R110の制御ゲート電流が大きすぎないという意味でR110とR113が存在し、R113は通常のゲートを制御し、R113はPMOSのようにハイにプルアップされています。、制御信号のプルアップとしても見られますが、MCU 内部ピンとプルアップの場合、つまり出力がオープンドレインの場合は出力がオープンドレインとなり、出力をプルアップすることはできません。 PMOS をオフに駆動するには、この時点で外部電圧にプルアップを与える必要があるため、抵抗 R113 は 2 つの役割を果たします。プルアップするには外部電圧が必要なため、抵抗 R113 は 2 つの役割を果たします。 r110 は 100 オームまで小さくすることもできます。