Implementering af P-kanal MOSFET'er i et H-bridge kredsløb kan se let og lokkende ud, men det kan kræve nogle strenge beregninger og parametre for at opnå et optimalt svar.
P-kanal MOSFET'er implementeres normalt til ON / OFF-switchning af belastning. Brugervenligheden af P-kanalindstillinger på den høje side gør det muligt for dem at være meget praktiske til applikationer som lavspændingsdrev (H-Bridge Networks) og ikke-isoleret belastningspunkt (Buck Converters) og i applikationer, hvor plads er en kritisk begrænsning.
Den vigtigste fordel ved en P-kanal MOSFET er den økonomiske gate-kørselsstrategi omkring kontakten i høj side og hjælper generelt med at gøre systemet meget omkostningseffektivt.
I denne artikel undersøger vi brugen af P-kanal MOSFET'er som en switch på høj side til H-Bridge-applikationer
P-kanal versus N-kanal Fordele og ulemper
Hvornår bruges i en applikation med høj sideomskifter kildespændingen på en N-kanal MOSFET tilfældigvis har et øget potentiale med hensyn til jord.
Derfor kræver drift af en N-kanal MOSFET en uafhængig gate-driver, såsom et bootstrapping-kredsløb, eller et arrangement, der involverer et pulstransformator-trin.
Disse drivere kræver en separat strømkilde, mens transformatorbelastningen til tider kan gennemgå uforenelige omstændigheder.
På den anden side er dette muligvis ikke situationen med en P-kanal MOSFET. Du kan nemt køre en P-kanal højsideswitch ved hjælp af et almindeligt niveauskiftekredsløb (spændingsniveauskifter). At opnå dette strømline kredsløbet og reducerer omkostningerne effektivt.
Når det er sagt, er det punkt, der skal tages i betragtning her, at det kan være ekstremt svært at opnå den samme RDS (til)effektivitet for en P-kanal MOSFET i modsætning til en N-kanal ved hjælp af den samme chipdimension.
På grund af det faktum, at strømmen af bærerne i en N-kanal er omkring 2 til 3 gange større end den for en P-kanal, for nøjagtig samme RDS (til)rækkevidde, skal P-kanal-enheden være 2 til 3 gange større end dens N-kanal-modstykke.
Den større pakkestørrelse får P-kanal-enhedens termiske tolerance til at falde og øger også dens nuværende specifikationer. Dette påvirker også dets dynamiske effektivitet proportionalt på grund af en øget sagsstørrelse.
Derfor skal en P-kanal MOSFET i en lavfrekvent applikation, hvor ledningstabene er høje, have en RDS (til)svarende til en N-kanal. I en sådan situation skal den interne P-kanal MOSFET-region være større end den for N-kanalen.
Desuden skal en P-kanal MOSFET i højfrekvente applikationer, hvor skiftetabene normalt er høje, have en værdi af gate-afgifter, der kan sammenlignes med en N-kanal.
I tilfælde som dette kan en P-kanal MOSFET-størrelse være på niveau med N-kanal, men med en reduceret strømspecifikation sammenlignet med et N-kanalalternativ.
Derfor skal en ideel P-kanal MOSFET vælges med forsigtighed under hensyntagen til den rette RDS (til)og portafgift specifikationer.
Sådan vælges en P-kanal MOSFET til en applikation
Der er adskillige switch-applikationer, hvor en P-kanal MOSFET kan anvendes effektivt, for eksempel lavspændingsdrev og ikke-isoleret belastningspunkt.
I disse typer applikationer er de afgørende retningslinjer for MOSFET-valget normalt enhedens ON-modstand (RDS (til)) og portafgiften (QG). Enhver af disse variabler resulterer i at være af større betydning baseret på skiftefrekvensen i applikationen.
Til anvendelse i lavspændingsdrevnetværk såsom fuldbro- eller B6-brokonfiguration (3-faset bro) anvendes N-kanal MOSFET'er ofte med motor (belastning) og jævnstrømsforsyning.
Den kompromitterende faktor for de positive aspekter, der præsenteres af N-kanal-enheder, er den højere kompleksitet i portdriverdesignet.
En gate driver til en N-kanal høj side switch kræver en bootstrap-kredsløb der skaber en portspænding, der er større end motorspændingsforsyningsskinnen, eller skiftevis en uafhængig strømforsyning til at tænde den. Øget designkompleksitet fører generelt til større designarbejde og højere monteringsareal.
Figuren nedenfor viser forskellen mellem kredsløbet designet ved hjælp af komplementære P- og N-kanal MOSFET'er og kredsløbet med kun 4 N-kanal MOSFET'er.
Brug kun 4 N-kanal MOSFETS
I dette arrangement forenkler førerdesignet layoutet enormt, hvis den høje sidekontakt er bygget med en P-kanal MOSFET, som vist nedenfor:
Brug af P- og N-kanal MOSFET'er
Behovet for en bootstrapped ladepumpe er elimineret for at skifte højsidekontakten. Her kan dette simpelthen drives direkte af indgangssignalet og gennem en niveauskifter (3V til 5V konverter eller 5V til 12V konverterstrin).
Valg af P-kanal MOSFET'er til skift af applikationer
Typisk fungerer lavspændingsdrevsystemer med skiftefrekvenser i området fra 10 til 50 kHz.
I disse intervaller opstår næsten al MOSFET-effekttab ved hjælp af ledningstab på grund af motorens høje strømspecifikationer.
Derfor er der i sådanne netværk en P-kanal MOSFET med passende RDS (til)skal vælges for at opnå den optimale effektivitet.
Dette kunne forstås ved at overveje en illustration af et 30W lavspændingsdrev, der drives med et 12V batteri.
For en højsides P-kanal MOSFET har vi muligvis et par muligheder i hånden - en til at have en tilsvarende RDS (til)kan sammenlignes med N-kanalens lave side og den anden for at have sammenlignelige portafgifter.
Følgende tabel nedenfor viser de komponenter, der gælder for hele broen lavspændingsdrev med tilsvarende RDS (til)og med identiske portladninger som N-kanal MOSFET på den lave side.
Ovenstående tabel, der viser MOSFET-tabene inden for den bestemte applikation, afslører, at de samlede effekttab styres af ledningstabene som vist i det følgende cirkeldiagram.
Derudover ser det ud til, at hvis P-kanal MOSFET foretrækkes at have sammenlignelige portladninger som N-kanalen, vil skiftetabene være identiske, men ledningstabene kan sandsynligvis være for høje.
Derfor, for applikationer med lav omskiftning med lavere frekvenser, skal den høje side P-kanal MOSFET madatorly have en sammenlignelig R DS (til) som den N-kanal på den lave side.
Ikke-isoleret belastningspunkt (POL)
Ikke-isoleret belastningspunkt er en konvertortopologi, såsom i buck-konvertere, hvor output ikke er isoleret fra input, i modsætning til flyback design hvor indgangs- og udgangstrinnene er helt isolerede.
For en sådan ikke-isoleret laveffekt med belastningsevne, der har en udgangseffekt på under 10W, er det en af de største designproblemer. Størrelse skal være absolut minimum, samtidig med at en tilfredsstillende grad af effektivitet bevares.
En populær måde at mindske konverterstørrelsen på er at bruge N-kanal mosfet som driver på højsiden og øge driftsfrekvensen til væsentligt højere niveau. Hurtigere skift muliggør brug af en mindre nedskaleret induktorstørrelse.
Schottky-dioder implementeres ofte til synkron udligning i disse typer kredsløb, men MOSFET'er er i stedet utvivlsomt en bedre mulighed, da spændingsfaldet for MOSFET'er normalt er væsentligt lavere end en diode.
En anden pladsbesparende tilgang ville være at erstatte N-kanal MOSFET på den høje side med en P-kanal.
P-kanal-metoden slipper af med det komplekse supplerende kredsløb til at drive porten, hvilket bliver nødvendigt for en N-kanal MOSFET på den høje side.
Diagrammet nedenfor viser det grundlæggende design af en buck-konverter, der har en P-kanal MOSFET implementeret på den høje side.
Normalt vil skiftefrekvenserne i ikke-isolerede Point of Load-applikationer sandsynligvis være tæt på 500 kHz eller endda til tider så høje som op til 2 MHz.
I modsætning til de tidligere designkoncepter viser det sig, at hovedtabet ved sådanne frekvenser er skiftetabene.
Figuren nedenfor angiver tabet fra en MOSFET i et 3 watt ikke-isoleret belastningsprogram, der kører med en skiftefrekvens på 1 MHz.
Således viser det niveauet for portladning, der skal specificeres til en P-kanal, når den vælges til en applikation på høj side i forhold til en N-kanal-enhed på høj side.
Konklusion
Anvendelse af en P-kanal MOSFET giver uden tvivl designere fordele med hensyn til mindre kompliceret, mere pålidelig og en forbedret konfiguration.
Når det er sagt for en given applikation, er kompromiset mellem RDS (til)og QGskal evalueres seriøst, mens du vælger en P-kanal MOSFET. Dette er for at sikre, at p-kanalen er i stand til at tilbyde en optimal ydelse ligesom sin n-kanal variant.
Høflighed: Infineon
Et par af: Sådan repareres myggestrømper Næste: Oprettelse af en selvdrevet generator
