Alternativ till en MOSFET-drivare

[Magnus_K]

Hej hej,

Jag har några projekt i bakfickan och några av dom kräver MOSFET-drivning från en µC.
Det jag tidigare blivit lärd här är att använda en lämplig resistor eller en dedikerad MOSFET-drivare pga gate-kapacitansen vid höga frekvenser (om jag inte förstått fel).

Jag har således två undringar:

1. Kan ni tipsa om en bra serie eller modell som är en ganska generell drivare samt är prisvärd?

2. Vad kan man göra som lite mer fattigmanslösning? Det som slog mig direkt var en diod, så länge spänningsfallet inte ställer till det. Alternativt driva en BJT av kontrollern som i sin tur switchar MOSFET:en. Detta är alltså bara en egen fundering utan någon större efterforskning.

Självklart får ni gärna berätta om det finns mer "att-tänka-på" när man ska driva en MOSFET från en µC.

[danei]

Det beror ju lite på applikation. Är det höga effekter och höga frekvenser så krävs det ju en hel del av drivaren. Är det låga frekvenser och effekter så gör ju inte en något längre omslagstid så mycket. Så ett generellt svar är nog svårt att ge.

[Magnus_K]

Ah ok, det var synd.

Hmm, ska försöka ta två exempel då:

1. En mikrokontroller ska tända och släcka en 5W 12V lampa med 5V PWM och i en frekvens av 2 Hz.

2. En mikrokontroller ska switcha en MOSFET av/på med en frekvens av 500 kHz för att styra en boost converter på 0,5 A. 12Vin - 170Vout.

Kanske inte var jättebra exempel men det är vad jag kommer på sådär spontant.

[Borre]

En enkel lösning går att göra såhär

56_1308672143.jpeg

För fler exempel googla på push pull mosfet driver.

[adent]

I Exempel 1 behövs absolut ingen driver. i Fall 2 vet jag inte.

PWM:ar min diskbänksbelysning direkt från processorn till en mosfet, minns inte frekvensen men runt 500Hz, funkar fint (minns inte om jag har ett gate-motstånd eller inte heller...).
MOSFET:en styr iofs bara 12V ca 1.4A.

MVH: Mikael

[sodjan]

2 Hz och 500 KHz är ju ett spann på över 250.000 gånger.
Ganska rimligt att det kräver lite olika lösning. 2 Hz behöver
nog ingen speciell driver medans 500 KHz är kräva en ganska
väl genomtänkt design för att fungera bra.

[Magnus_K]

Sitter och googlar mig tokig på Borre's förslag, som jag för övrigt tycker ser stilig ut. Har börjat förstå hur en push-pull krets fungerar med förstärkningen men har ännu ej blivit klok på vad Vbias, Vdrv och kondingarna gör där. Återkommer i det ärendet.

@adent: Misstänkte att det inte behövdes men finns det även i dessa fall en bra "standard practice" att följa? Sen är det ju det där med; vart går gränsen?

@sodjan: Jooo. Skulle en drivare lösa problemet utan problem men om man vill göra en mer "manuell" drivare, det är då man lär behöva en genomtänkt design?

Nu kan man tydligen inte generallisera men vad hade ni spontant tänkt om ni hade haft de två exempeln framför er? Hade det varit:

1. Ingen
2. Väl vald drivare

Eller hade ni försökt lösa det på ett alternativt sätt?

Anledningen till att jag ställer frågan är att jag fick för mig att beställa lite olika drivare för att ha hemma men när jag fick se priset så hoppade jag till lite och tänkte att det blir bäst att konsultera EF lite först!

[prototypen]

Gränsen går där MOS transistorn blir för het.
En fördel med en svag drivare är att störningarna (läs EMC) från kretsen blir lägre.

Protte

[13th.Marine]

Du får ta och räkna på vilken stigtid du vill ha till FETen, det hör ihop med mikrokontrollens drivström och FETens gate-kapacitans.

[Swech]

2. En mikrokontroller ska switcha en MOSFET av/på med en frekvens av 500 kHz för att styra en boost converter på 0,5 A. 12Vin - 170Vout.

Det finns i dagsläget sådana uppsjöar med färdiga IC lösningar som är både bättre och oftast billigare än att pussla ihop något själv.
Eller om man formulerar det såhär. Vad skulle en processor tillföra en 500kHz converter
som inte en färdig IC har?

Swech

[Tekko]

Tc4422 är en bra enkel mosfet drivare.

[Magnus_K]

Nej, hängde inte med speciellt mycket den här gången heller så jag var tvungen att läsa på lite. Ni får gärna kritisera mina kommentarer, det uppskattas mycket. Försöker skriva på ett sätt så jag lär mig lite under tiden men resultatet blir tyvärr väldigt långa inlägg.

Gränsen går där MOS transistorn blir för het.
En fördel med en svag drivare är att störningarna (läs EMC) från kretsen blir lägre.

Protte

Det verkar som att du trycker på en väldigt viktig punkt, transitortemperaturen. Enligt de rekommendationer jag hittar så måste man hålla den under 120°C och även övertemp-skydd rekommenderas. Hur/Varför höjs då temperaturen?
Det verkar finnas två typer av effektförluster i en MOSFET; switching- och power loss. Då en MOSFET är en resistiv koppling mellan D och S (jämfört med BJT och IGBT som har PN-övergång) så spelar Rdson stor roll. Vid dålig kombination av hög Rdson och hög spänning så skapas en så stor effektförlust så tempen stiger vilket i sin tur höjer Rdson och en "thermal runaway" är ett faktum.
Denna typen av förlust tror jag att jag har relativt bra koll på men nu till det svettiga, switching-loss.

Switching-loss skapas när man slår av/på transistorn. När en MOSFET slås på så lagras energi i DS-kapacitansen och förloras som värme inuti elementet. Denna kapacitans betecknas som Coss och varierar mycket mellan de olika transistorerna.
Ytterligare en switching-loss är så kallad "crossover loss" vilket är vid just av/på och som beror mycket på just tiden tar att slå av/på.

Om jag läser lite mellan raderna så kommer antagligen inte jag behöva bry mig direkt mycket om swtiching-loss utan fokusera på ren resistiv förlust genom DS, dvs Ohms lag.

Att hålla EMC-nivån låg är väl alltid en bra praxis antar jag men vet inte om jag behöver tänka på det i nuläget. Vad menar du med en "svag drivare"?

Du får ta och räkna på vilken stigtid du vill ha till FETen, det hör ihop med mikrokontrollens drivström och FETens gate-kapacitans.

Gissar att du nämner just vad jag försökt skriva lite om när det gäller switching-losses? Tyvärr har jag inte riktigt fattat än hur jag ska räkna/tänka men det finns mer att läsa på www så det finner jag nog snart.

2. En mikrokontroller ska switcha en MOSFET av/på med en frekvens av 500 kHz för att styra en boost converter på 0,5 A. 12Vin - 170Vout.

Det finns i dagsläget sådana uppsjöar med färdiga IC lösningar som är både bättre och oftast billigare än att pussla ihop något själv.
Eller om man formulerar det såhär. Vad skulle en processor tillföra en 500kHz converter
som inte en färdig IC har?

Swech

Vad menar du för något? Finns det färdiga IC:s för just boost converters som är en kombination av MOSFET-drivare/frekvens och som till och med är billigare än bara en drivare?
Blir det inte smidigare om man redan har en krets som innehåller en mikrokontroller och sen lånar en PWM från den i stället för ytterligare en IC med runt-omkring-komponenter?

Tc4422 är en bra enkel mosfet drivare.

Ja detta var en av de jag tänkte köpa hem ett par av. Nu är väl inte eBay ett jättebra prissättningställe kanske men 40-50:- för en DIP-IC, ja då väljer jag nog hellre varje gång jag behöver istället för att köpa på mig en bunt.

[Icecap]

En sak som jag inte ser vid min relativt snabba genomläsning är gate-spänningen.

Om man ska styra "stora" laster med en MOSFET måste gatespänningen upp på 10-12V och ibland mer för att den ska slå på ordentligt.

Det är mycket få µC som kan ge detta spänningssväng och där kommer drivkretsen in igen.

[Magnus_K]

Ja just det! Har det i mina anteckningar här också men visste inte vart jag skulle klämma in det.

Som jag förstått så har en MOSFET en så kallad Gate Threshold Voltage, vilket är vid vilken gate-spänning den börjar leda.
Visst att den börjar leda vid denna threshold men då med en högre Rdson. Denna kan sänkas genom att öka spänningen upp till en nivå där Rdson inte kan sänkas mer vilket också gör allt ovan denna spänning onödig.
Det jag också förstått är att, precis som du säger, så kan detta "knä" vara runt 10-12V (eller högre) för en MOSFET.

Nuuuuuuu, börjar jag förstå..tror jag.
Ska jag bara switcha mindre laster så kan man acceptera en högre Rdson då effektförlusten ändå inte blir speciellt stor. Ska jag switcha stora laster, som du säger så måste jag upp på en relativt hög gatespänning och där kommer drivaren in.
(Någonstans här kommer också gate-kapacitansen in.)

[danei]

Vid dålig kombination av hög Rdson och hög spänning så skapas en så stor effektförlust så tempen stiger vilket i sin tur höjer Rdson och en "thermal runaway" är ett faktum.
Denna typen av förlust tror jag att jag har relativt bra koll på men nu till det svettiga, switching-loss.

Nej det är strömmen som är av betydelse. Men transistorer som klarar högre spänning tenderar att ha högre Rdson

Switching-loss skapas när man slår av/på transistorn. När en MOSFET slås på så lagras energi i DS-kapacitansen och förloras som värme inuti elementet. Denna kapacitans betecknas som Coss och varierar mycket mellan de olika transistorerna.

Nja den energin laddas ju ur igen. Det är i vilket fall så lite effekt som kommer den vägen att du kan strunta i det.

Ytterligare en switching-loss är så kallad "crossover loss" vilket är vid just av/på och som beror mycket på just tiden tar att slå av/på.

Det är här det kan bli effekter att tala om. Som överslag kan du räkna med att du har halva strömmen och halva spänning under hela omslagstiden.

Normalt sett brukar det plana ut vid 10V så man vill över det knät snabbt. Men samtidigt tenderar de att gå sönder över 20V. Så normalt sett siktar man på 15V. Det finns ju även "logik styrda" som har rimligt låg Rsdon redan vid 5V.