การนำ P-channel MOSFET มาใช้ในวงจร H-bridge อาจดูง่ายและน่าดึงดูด แต่อาจต้องมีการคำนวณและพารามิเตอร์ที่เข้มงวดเพื่อให้ได้การตอบสนองที่ดีที่สุด

P-channel MOSFET มักจะใช้สำหรับการเปิด / ปิดโหลด ความสะดวกในการใช้งานของตัวเลือก P-channel ที่ด้านสูงช่วยให้พวกเขาสะดวกมากสำหรับการใช้งานเช่น Low-Voltage Drives (H-Bridge Networks) และ Point of Loads (Buck Converters) แบบไม่แยกและในแอพ พื้นที่เป็นข้อ จำกัด ที่สำคัญ

ประโยชน์ที่สำคัญของ MOSFET P-channel คือกลยุทธ์การขับเคลื่อนประตูที่ประหยัดรอบตำแหน่งสวิตช์ด้านสูงและโดยทั่วไปจะช่วยให้ระบบประหยัดค่าใช้จ่ายได้มาก

ในบทความนี้เราจะสำรวจการใช้ P-channel MOSFET เป็นสวิตช์ด้านสูงสำหรับแอปพลิเคชัน H-Bridge

P-channel กับ N-channel ข้อดีและข้อเสีย

เมื่อไหร่ ใช้ในแอปพลิเคชันสวิตช์ด้านสูง แรงดันไฟฟ้าต้นทางของ MOSFET N-channel นั้นมีศักยภาพเพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับกราวด์

ดังนั้นในที่นี้การใช้งาน N-channel MOSFET จึงจำเป็นต้องมีตัวขับเกตอิสระเช่นวงจร bootstrapping หรือการจัดเรียงที่เกี่ยวข้องกับขั้นตอนของพัลส์หม้อแปลง

ไดรเวอร์เหล่านี้ต้องการแหล่งจ่ายไฟแยกต่างหากในขณะที่โหลดของหม้อแปลงอาจเกิดขึ้นในสถานการณ์ที่เข้ากันไม่ได้ในบางครั้ง

“วงจรจ่ายไฟ 5v dc ”

ในทางกลับกันนี่อาจไม่ใช่สถานการณ์กับ P-channel MOSFET คุณสามารถขับสวิตช์ด้านสูง P-channel ได้อย่างง่ายดายโดยใช้วงจรชิฟเตอร์ระดับธรรมดา (ตัวเปลี่ยนระดับแรงดันไฟฟ้า) การบรรลุเป้าหมายนี้จะช่วยเพิ่มความคล่องตัวให้กับวงจรและช่วยลดค่าใช้จ่ายทั้งหมดได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ต้องบอกว่าประเด็นที่ต้องนำมาพิจารณาที่นี่ก็คือมันอาจจะยากมากที่จะได้ R ที่เหมือนกัน_{DS (เปิด)}ประสิทธิภาพสำหรับ MOSFET P-channel ตรงกันข้ามกับ N-channel โดยใช้ขนาดชิปที่ใกล้เคียงกัน

เนื่องจากการไหลของพาหะในช่อง N มีค่ามากกว่าช่อง P ประมาณ 2 ถึง 3 เท่าสำหรับ R เดียวกัน_{DS (เปิด)}ช่วงที่อุปกรณ์ P-channel ต้องมีขนาดใหญ่กว่าอุปกรณ์ N-channel 2 ถึง 3 เท่า

ขนาดบรรจุภัณฑ์ที่ใหญ่ขึ้นทำให้ความทนทานต่อความร้อนของอุปกรณ์ P-channel ลดลงและยังเพิ่มข้อกำหนดปัจจุบันอีกด้วย นอกจากนี้ยังส่งผลต่อประสิทธิผลแบบไดนามิกตามสัดส่วนเนื่องจากขนาดเคสที่เพิ่มขึ้น

ดังนั้นในแอปพลิเคชั่นความถี่ต่ำซึ่งการสูญเสียการนำไฟฟ้ามีแนวโน้มสูง P-channel MOSFET จำเป็นต้องมี R_{DS (เปิด)}สอดคล้องกับช่อง N ในสถานการณ์เช่นนี้พื้นที่ภายใน P-channel MOSFET จะต้องใหญ่กว่าของ N-channel

นอกจากนี้ในการใช้งานความถี่สูงที่การสูญเสียการสลับมักจะสูง P-channel MOSFET ควรมีค่าเกตชาร์จเทียบได้กับ N-channel

ในกรณีเช่นนี้ขนาด MOSFET P-channel อาจเทียบเท่ากับ N-channel แต่มีข้อกำหนดปัจจุบันที่ลดลงเมื่อเทียบกับทางเลือก N-channel

ดังนั้น MOSFET P-channel ในอุดมคติจึงต้องได้รับการคัดเลือกอย่างระมัดระวังโดยคำนึงถึง R ที่เหมาะสม_{DS (เปิด)}และข้อกำหนดการชาร์จประตู

วิธีการเลือก P-channel MOSFET สำหรับแอปพลิเคชัน

มีแอปพลิเคชั่นสวิตชิ่งจำนวนมากที่สามารถใช้ P-channel MOSFET ได้อย่างมีประสิทธิภาพตัวอย่างเช่นไดรฟ์แรงดันต่ำและจุดโหลดที่ไม่แยก

ในแอปพลิเคชันประเภทนี้แนวทางสำคัญที่ควบคุมตัวเลือก MOSFET มักจะเป็นอุปกรณ์ต้านทานต่อแรงต้าน (R_{DS (เปิด)}) และ Gate Charge (Q_ช). ตัวแปรใดตัวแปรหนึ่งเหล่านี้ส่งผลให้มีความสำคัญมากขึ้นตามความถี่การสลับในแอปพลิเคชัน

สำหรับการใช้งานในเครือข่ายไดรฟ์แรงดันไฟฟ้าต่ำเช่นการกำหนดค่าสะพานแบบเต็มหรือสะพาน B6 (สะพาน 3 เฟส) โดยทั่วไปจะใช้ MOSFET N-channel ด้วยมอเตอร์ (โหลด) และแหล่งจ่ายไฟ DC

ปัจจัยที่ประนีประนอมสำหรับด้านบวกที่นำเสนอโดยอุปกรณ์ N-channel คือความซับซ้อนที่สูงขึ้นในการออกแบบตัวขับเกต

ตัวขับเกตของสวิตช์ด้านสูง N-channel ต้องการ a วงจร bootstrap ที่สร้างแรงดันประตูมากกว่ารางจ่ายแรงดันไฟฟ้าของมอเตอร์หรือสลับแหล่งจ่ายไฟอิสระเพื่อเปิด ความซับซ้อนในการออกแบบที่เพิ่มขึ้นโดยทั่วไปจะนำไปสู่งานออกแบบที่มากขึ้นและพื้นที่ประกอบที่สูงขึ้น

รูปด้านล่างแสดงให้เห็นถึงความแตกต่างระหว่างวงจรที่ออกแบบโดยใช้ MOSFET แบบ P และ N Channel เสริมกับวงจรที่มี MOSFET N-channel 4 ช่องเท่านั้น

ใช้มอสเฟต N-channel 4 ช่องเท่านั้น

ในการจัดเรียงนี้หากสวิตช์ด้านสูงสร้างขึ้นด้วย P-channel MOSFET การออกแบบไดรเวอร์จะช่วยลดความยุ่งยากในการจัดวางได้อย่างมากดังที่แสดงด้านล่าง:

การใช้ MOSFET แบบ P และ N-channel

ความจำเป็นในการบูตเครื่อง ปั๊มชาร์จ ถูกตัดออกสำหรับการเปลี่ยนสวิตช์ด้านสูง ที่นี่สิ่งนี้สามารถขับเคลื่อนโดยตรงด้วยสัญญาณอินพุตและผ่านตัวเปลี่ยนระดับ (ตัวแปลง 3V ถึง 5V หรือขั้นตอนตัวแปลง 5V ถึง 12V)

การเลือก P-channel MOSFET สำหรับ Switching Applications

โดยทั่วไประบบขับเคลื่อนแรงดันต่ำจะทำงานกับความถี่สวิตชิ่งในช่วง 10 ถึง 50kHz

ในช่วงเหล่านี้การกระจายกำลังของ MOSFET เกือบทั้งหมดเกิดขึ้นโดยการสูญเสียการนำไฟฟ้าเนื่องจากข้อกำหนดของมอเตอร์ในปัจจุบันสูง

ดังนั้นในเครือข่าย P-channel MOSFET ที่มี R ที่เหมาะสม_{DS (เปิด)}ควรเลือกเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุด

สิ่งนี้สามารถเข้าใจได้โดยพิจารณาจากภาพประกอบของไดรฟ์แรงดันไฟฟ้าต่ำ 30W ที่ทำงานด้วยแบตเตอรี่ 12V

สำหรับ MOSFET P-channel ด้านสูงเราอาจมีตัวเลือกสองสามตัวเลือกหนึ่งที่จะมี R ที่เท่ากัน_{DS (เปิด)}เทียบได้กับช่อง N ด้านต่ำและอีกช่องหนึ่งที่มีค่าประตูเทียบเคียง

ตารางต่อไปนี้ด้านล่างแสดงส่วนประกอบที่ใช้กับไดรฟ์แรงดันไฟฟ้าต่ำแบบบริดจ์แบบเต็มที่มี R ที่เทียบเคียงได้_{DS (เปิด)}และมีค่าเกตเหมือนกันกับมอสเฟต N-channel ที่ด้านต่ำ

ตารางด้านบนแสดงการสูญเสีย MOSFET ภายในแอปพลิเคชันเฉพาะแสดงให้เห็นว่าการสูญเสียพลังงานโดยรวมถูกควบคุมโดยการสูญเสียการนำไฟฟ้าตามที่พิสูจน์แล้วในแผนภูมิวงกลมต่อไปนี้

นอกจากนี้ดูเหมือนว่าหากต้องการให้ P-channel MOSFET มีค่าเกตเทียบเคียงกับ N-channel การสูญเสียการสลับจะเท่ากัน แต่การสูญเสียการนำไฟฟ้าอาจสูงเกินไป

ดังนั้นสำหรับแอปพลิเคชันสวิตชิ่งต่ำที่มีความถี่ต่ำ MOSFET P-channel ด้านสูงควรมีค่า R ที่เทียบเคียงได้ _{DS (เปิด)} เช่นเดียวกับช่อง N ด้านต่ำ

จุดโหลดที่ไม่แยก (POL)

Non-isolated Point of Loads คือโทโพโลยีตัวแปลงเช่นในตัวแปลงบั๊กที่เอาต์พุตไม่ได้แยกออกจากอินพุตซึ่งแตกต่างจาก การออกแบบ flyback โดยที่ขั้นตอนอินพุตและเอาต์พุตจะแยกกันอย่างสมบูรณ์

สำหรับจุดโหลดที่ไม่แยกพลังงานต่ำเช่นนี้ซึ่งมีกำลังขับต่ำกว่า 10W แสดงให้เห็นถึงปัญหาในการออกแบบที่ยิ่งใหญ่ที่สุดอย่างหนึ่ง การปรับขนาดจะต้องมีขนาดเล็กที่สุดในขณะที่รักษาประสิทธิภาพในระดับที่น่าพอใจ

วิธีหนึ่งที่ได้รับความนิยมในการลดขนาดคอนเวอร์เตอร์คือการใช้ N-channel mosfet เป็นตัวขับด้านสูงและเพิ่มความถี่ในการทำงานให้อยู่ในระดับที่สูงขึ้นอย่างมาก การเปลี่ยนที่เร็วขึ้นช่วยให้สามารถใช้ขนาดตัวเหนี่ยวนำที่ลดขนาดลงได้มาก

มักใช้ไดโอด Schottky สำหรับการแก้ไขแบบซิงโครนัสในวงจรประเภทนี้อย่างไรก็ตาม MOSFETs เป็นตัวเลือกที่ดีกว่าอย่างไม่ต้องสงสัยเนื่องจากแรงดันไฟฟ้าตกสำหรับ MOSFET มักจะต่ำกว่าไดโอดอย่างมาก

วิธีการประหยัดพื้นที่อีกวิธีหนึ่งคือการแทนที่ MOSFET N-channel ด้านสูงด้วย P-channel

วิธี P-channel กำจัดวงจรเสริมที่ซับซ้อนเพื่อขับเคลื่อนประตูซึ่งจำเป็นสำหรับ MOSFET N-channel ที่ด้านสูง

แผนภาพด้านล่างแสดงให้เห็นถึงการออกแบบพื้นฐานของตัวแปลงบั๊กที่มีการติดตั้ง P-channel MOSFET ในด้านสูง

“ตัวกรองความถี่สูงอันดับสอง ”

โดยปกติความถี่สวิตชิ่งในแอพพลิเคชั่น Point of Load แบบไม่แยกจะมีแนวโน้มใกล้เคียงกับ 500kHz หรือแม้กระทั่งในบางครั้งที่สูงถึง 2MHz

ตรงกันข้ามกับแนวคิดการออกแบบก่อนหน้านี้การสูญเสียหลักที่ความถี่ดังกล่าวกลายเป็นการสูญเสียการสลับ

รูปด้านล่างแสดงการสูญเสียจาก MOSFET ในแอพพลิเคชั่น Point of Load ขนาด 3 วัตต์ที่ทำงานด้วยความถี่สวิตชิ่ง 1MHz

ดังนั้นจึงแสดงระดับของการชาร์จเกตที่ต้องระบุให้กับ P-channel เมื่อถูกเลือกสำหรับแอพพลิเคชั่นด้านสูงซึ่งเกี่ยวกับอุปกรณ์ N-channel ด้านสูง

สรุป

การใช้ P-channel MOSFET ทำให้คุณได้เปรียบนักออกแบบในแง่ของความซับซ้อนน้อยลงเชื่อถือได้มากขึ้นและมีการกำหนดค่าที่ดีขึ้น

ที่กล่าวว่าสำหรับแอปพลิเคชันที่กำหนดการประนีประนอมระหว่าง R_{DS (เปิด)}และ Q_ชควรได้รับการประเมินอย่างจริงจังในขณะที่เลือก P-channel MOSFET เพื่อให้แน่ใจว่า p-channel สามารถนำเสนอประสิทธิภาพที่ดีที่สุดเช่นเดียวกับตัวแปร n-channel

มารยาท: Infineon

คู่ของ: วิธีซ่อมไม้ตียุง ถัดไป: การสร้างเครื่องกำเนิดไฟฟ้าด้วยตนเอง