בחירת צינורות מיתוג בחבילת MOSFET ודיאגרמות מעגלים

הצעד הראשון הוא לבצע בחירה שלמכשירי MOSFET, שמגיעים בשני סוגים עיקריים: N-channel ו-P-channel. במערכות חשמל, ניתן לחשוב על MOSFETs כעל מתגים חשמליים. כאשר מתווסף מתח חיובי בין השער למקור של MOSFET עם ערוץ N, המתג שלו מוליך. במהלך ההולכה, זרם יכול לזרום דרך המתג מהניקוז למקור. קיימת התנגדות פנימית בין הניקוז למקור הנקראת RDS(ON) נגד התנגדות. זה חייב להיות ברור שהשער של MOSFET הוא מסוף עכבה גבוהה, ולכן תמיד מתווסף מתח לשער. זוהי ההתנגדות לאדמה שאליה מחובר השער בתרשים המעגל המוצג בהמשך. אם השער נשאר תלוי, המכשיר לא יפעל כמתוכנן ועלול להידלק או לכבות ברגעים לא מתאימים, וכתוצאה מכך לאובדן חשמל פוטנציאלי במערכת. כאשר המתח בין המקור לשער הוא אפס, המתג נכבה והזרם מפסיק לזרום דרך המכשיר. למרות שהמכשיר כבוי בשלב זה, עדיין קיים זרם קטן, הנקרא זרם דליפה, או IDSS.

שלב 1: בחר N-channel או P-channel

השלב הראשון בבחירת ההתקן הנכון לעיצוב הוא להחליט אם להשתמש ב- N-channel או P-channel MOSFET. ביישום כוח טיפוסי, כאשר MOSFET מוארק והעומס מחובר למתח המטען, ה-MOSFET הזה מהווה את מתג הצד במתח נמוך. במתג צד במתח נמוך, ערוץ NMOSFETיש להשתמש בהתחשב במתח הנדרש לכיבוי או הפעלת המכשיר. כאשר ה-MOSFET מחובר לאוטובוס והעומס מוארק, יש להשתמש במתג הצד של המתח הגבוה. בדרך כלל נעשה שימוש ב-MOSFET של ערוץ P בטופולוגיה זו, שוב משיקולי כונן מתח.

שלב 2: קבע את הדירוג הנוכחי

השלב השני הוא בחירת הדירוג הנוכחי של ה-MOSFET. בהתאם למבנה המעגל, דירוג זרם זה צריך להיות הזרם המרבי שהעומס יכול לעמוד בו בכל הנסיבות. בדומה למקרה של מתח, על המתכנן להבטיח שה-MOSFET הנבחר יכול לעמוד בדירוג הזרם הזה, גם כאשר המערכת מייצרת זרמי ספייק. שני המקרים הנוכחיים שנחשבים הם מצב מתמשך ודופק. פרמטר זה מבוסס על DATASHEET שפופרת FDN304P כהתייחסות והפרמטרים מוצגים באיור:

במצב הולכה רציפה, ה-MOSFET נמצא במצב יציב, כאשר זרם זורם ברציפות דרך המכשיר. דופק דופק הם כאשר יש כמות גדולה של נחשול (או זרם ספייק) זורם דרך המכשיר. לאחר שנקבע הזרם המקסימלי בתנאים אלה, זה פשוט עניין של בחירה ישירה של מכשיר שיכול לעמוד בזרם המרבי הזה.

לאחר בחירת הזרם המדורג, עליך לחשב גם את אובדן ההולכה. בפועל, הMOSFETהוא לא המכשיר האידיאלי, כי בתהליך המוליך יהיה אובדן הספק, מה שנקרא אובדן הולכה. MOSFET ב-"on" כמו התנגדות משתנה, הנקבעת על ידי RDS (ON) של המכשיר, ועם הטמפרטורה ושינויים משמעותיים. ניתן לחשב את פיזור ההספק של המכשיר מ-Iload2 x RDS(ON), ומכיוון שהתנגדות ההפעלה משתנה עם הטמפרטורה, פיזור ההספק משתנה באופן פרופורציונלי. ככל שהמתח VGS המופעל על ה-MOSFET גבוה יותר, כך ה-RDS(ON) יהיה קטן יותר; לעומת זאת ככל שה-RDS(ON) יהיה גבוה יותר. עבור מעצב המערכת, כאן נכנסות הפשרות בהתאם למתח המערכת. עבור עיצובים ניידים, קל יותר (ונפוץ יותר) להשתמש במתחים נמוכים יותר, בעוד עבור עיצובים תעשייתיים, ניתן להשתמש במתחים גבוהים יותר. שימו לב שהתנגדות ה-RDS(ON) עולה מעט עם הזרם. ניתן למצוא שינויים בפרמטרים החשמליים השונים של הנגד RDS(ON) בגיליון הנתונים הטכניים שסופק על ידי היצרן.

שלב 3: קבע דרישות תרמיות

השלב הבא בבחירת MOSFET הוא לחשב את הדרישות התרמיות של המערכת. המעצב חייב לשקול שני תרחישים שונים, המקרה הגרוע והמקרה האמיתי. החישוב עבור התרחיש הגרוע ביותר מומלץ מכיוון שתוצאה זו מספקת מרווח בטיחות גדול יותר ומבטיחה שהמערכת לא תיכשל. יש גם כמה מדידות שכדאי לשים לב אליהן בגיליון הנתונים של MOSFET; כגון ההתנגדות התרמית בין צומת המוליכים למחצה של המכשיר הארוז לבין הסביבה, וטמפרטורת הצומת המקסימלית.

טמפרטורת הצומת של המכשיר שווה לטמפרטורת הסביבה המקסימלית בתוספת התוצר של התנגדות תרמית ופיזור הספק (טמפרטורת צומת = טמפרטורת סביבה מקסימלית + [התנגדות תרמית × פיזור הספק]). מתוך משוואה זו ניתן לפתור את פיזור ההספק המרבי של המערכת, ששווה בהגדרה ל-I2 x RDS(ON). מכיוון שהצוות קבע את הזרם המרבי שיעבור במכשיר, ניתן לחשב RDS(ON) עבור טמפרטורות שונות. חשוב לציין שכאשר עוסקים במודלים תרמיים פשוטים, על המתכנן לשקול גם את קיבולת החום של צומת המוליכים למחצה/מארז ההתקן ואת המארז/הסביבה; כלומר, נדרש שהלוח המודפס והאריזה לא יתחממו מיד.

בדרך כלל, PMOSFET, תהיה קיימת דיודה טפילית, תפקידה של הדיודה הוא למנוע את החיבור ההפוך של מקור-ניקוז, עבור PMOS, היתרון על פני NMOS הוא שמתח ההדלקה שלו יכול להיות 0, והפרש המתח בין מתח DS אינו רב, בעוד שה-NMOS בתנאי דורש שה-VGS יהיה גדול מהסף, מה שיוביל לכך שמתח הבקרה יהיה גדול יותר בהכרח מהמתח הנדרש, ויהיו צרות מיותרות. PMOS נבחר כמתג הבקרה עבור שני היישומים הבאים:

טמפרטורת הצומת של המכשיר שווה לטמפרטורת הסביבה המקסימלית בתוספת התוצר של התנגדות תרמית ופיזור הספק (טמפרטורת צומת = טמפרטורת סביבה מקסימלית + [התנגדות תרמית × פיזור הספק]). מתוך משוואה זו ניתן לפתור את פיזור ההספק המרבי של המערכת, ששווה בהגדרה ל-I2 x RDS(ON). מכיוון שהמעצב קבע את הזרם המקסימלי שיעבור במכשיר, ניתן לחשב RDS(ON) עבור טמפרטורות שונות. חשוב לציין שכאשר עוסקים במודלים תרמיים פשוטים, על המתכנן לשקול גם את קיבולת החום של צומת המוליכים למחצה/מארז ההתקן ואת המארז/הסביבה; כלומר, נדרש שהלוח המודפס והאריזה לא יתחממו מיד.

בדרך כלל, PMOSFET, תהיה קיימת דיודה טפילית, תפקידה של הדיודה הוא למנוע את החיבור ההפוך של מקור-ניקוז, עבור PMOS, היתרון על פני NMOS הוא שמתח ההדלקה שלו יכול להיות 0, והפרש המתח בין מתח DS אינו רב, בעוד שה-NMOS בתנאי דורש שה-VGS יהיה גדול מהסף, מה שיוביל לכך שמתח הבקרה יהיה גדול יותר בהכרח מהמתח הנדרש, ויהיו צרות מיותרות. PMOS נבחר כמתג הבקרה עבור שני היישומים הבאים:

בהסתכלות על המעגל הזה, אות הבקרה PGC שולט אם V4.2 מספק חשמל ל-P_GPRS או לא. מעגל זה, מסופי המקור והניקוז אינם מחוברים לאחור, R110 ו-R113 קיימים במובן שזרם השער של R110 אינו גדול מדי, R113 שולט על השער של הרגיל, R113 pull-up עד גבוה, נכון ל-PMOS , אך ניתן לראות גם כמשיכה על אות הבקרה, כאשר הפינים הפנימיים של ה-MCU ו-pull-up, כלומר הפלט של ה-Open-Drain כאשר הפלט הוא ניקוז פתוח, ואינו יכול לבטל את ה-PMOS, בשלב זה, יש צורך במתח חיצוני נתון למשוך-אפ, כך שהנגד R113 ממלא שני תפקידים. הוא יצטרך מתח חיצוני כדי לתת את המשיכה, כך שהנגד R113 ממלא שני תפקידים. r110 יכול להיות קטן יותר, עד 100 אוהם יכול גם.