1.5V 额定 MOSFET 对 1.8V 的栅极输入没有反应

电器工程 场效应管 GPIO
2022-01-22 14:33:54

我不是真正的电子专家,而是软件工程师(如果我问的是愚蠢的问题,请原谅)。

我正在尝试使用额定电压为 1.8V 的微控制器 GPIO 输出。当这个引脚变高时,我想启用一个 12V 继电器。我正在使用freetronics 的 N 沟道 MOSFET

可以在此处找到 MOSFET 的规格。

由于某种原因,1.8V 似乎不足以驱动 MOSFET,尽管它被指定为 1.5V 最小值。我尝试过使用 1.5V AA 电池的独立设置,但也不起作用。但是如果我用相同的设置应用 3.3V,它就可以工作(只是为了让你知道我的接线没问题)。

不幸的是,我的微控制器(英特尔爱迪生)只有 1.8V GPIO。

我错过了什么吗?我怎样才能使这项工作?我应该使用不同的 MOSFET 吗?如果是这样,是哪一个?

非常感谢您的帮助。

4个回答

可悲的是,此设置不起作用。如果您仔细查看数据表,它会指出 MOSFET 的阈值电压保证在 1.5V 和 2.5V 之间,典型值为 1.8V。

在此处输入图像描述

即使假设您很幸运,并且您有一个阈值为 1.5V 的样本(对您来说是最好的情况),但这并不意味着 MOSFET 在其 Vgs 电压达到该值时会神奇地打开。这是使 MOSFET 几乎不导通所需的最小电压:在数据表的那一行中,您可以注意到阈值电压指定为 Id 不足 250μA。该电流水平不足以可靠地操作普通继电器。

注意:(正如@SpehroPefhany 在评论中指出的那样)这些是 25°C 时的值。如果环境温度较低(例如冬天、寒冷气候、电路放置在寒冷的房间中),则在该 Vgs 水平下的电流会更小,直到 MOSFET 升温!

要将 MOSFET 用作闭合开关,您必须将其驱动到 ON 区域,特别是在欧姆区域,即它表现为(小值)电阻的部分输出特性:

在此处输入图像描述

如您所见,显示的曲线对应于更高的 Vgs 值(~2.8V 或更高)。查看 Rds(on) 图表可以更好地理解问题,即“开关的电阻”:

在此处输入图像描述

从右图可以看出,Rds(on) 不会随电流变化很大,但左图讲述了另一个故事:如果将 Vgs 降低到 ~4V 以下,电阻会急剧增加。

总而言之:这个 MOSFET 不能仅用 1.8V 的电压开启。至少您应该提供足够的 Vgs 以使其在最坏的情况下导通,即 Vgs(TH)=2.5V。你的 3.3V 实验证实了这一点。

@Lorenzo 解释了为什么这对他不起作用,如果它确实起作用,那将是微不足道的,这可能会被认为更糟。

以下是合适 MOSFET (AO3416) 的规格:

在此处输入图像描述

Rds(on) 保证在 1.8V Vgs 和 34m\$\Omega\$,即使由于 1.8V 电源或温度的容差而稍微高一些,对于 12V 继电器来说仍然有足够的驱动力。

一般来说,您应该使用 Vgs(th) 来确定 MOSFET 何时大部分关闭,并使用指定 Rds(on) 的电压来确定它何时大部分开启。

数据表中的图 2 和图 3 如下所示。

请注意,在图 2 中,对于小于约 2 伏的 Vgs,漏极电流将接近于零,而当 Vgs 为 3 伏时,沟道得到了很好的增强。

这与您的实验一致,表明您需要在栅极上增加更多电压才能使电路正常工作,

图 3 显示了 Rds(on) 如何在 Vgs 下降时快速上升到一个高值,即使它是针对 20 安培的 Id 给出的,曲线的斜率在您的电路中也会相似,最终效果是当 Vgs 变得足够低时,与继电器线圈和直流电源串联的 Rds(on) 将上升到足够高的值,以将通过继电器线圈的电流限制到无法启动的点.

由于您没有确保 Rds(on) 足够低以允许继电器工作所需的栅极驱动,可以说最简单的方法是用软糖双极晶体管代替 MOSFET 并驱动基极晶体管通过带有 1.8 伏信号的电阻器。

在此处输入图像描述

其他答案很好地解释了为什么问题中的 FET 不起作用。我将专注于解决方案。

一是使用为此目的而设计的场效应管;例如FDN327N

另一种廉价、易于采购且可靠的解决方案是使用普通的 NPN 双极结型晶体管。

示意图

为了确定合适的电阻,找到继电器的最小电阻 Rlmin 和 12V 电源的最大值(比如 V12max=13.6V),得到集电极中的最大电流 Ic=V12max/Rlmin(保持饱和电压作为工程余量) . 找到该电流饱和时 NPN 晶体管的最小增益(合理而不是过于保守;严格来说,BC848C 数据表仅保证饱和时的最小增益 Gmin 为 20,但 C 级的 5V Vce 的 420 min 可能会给我们足够的信心来使用 G=50)。我们应该针对基极的最小电流是 Ib = Ic/Gmin。然后我们必须考虑驱动 DATA 端口的设备的最小电源电压 V1_8min,减去负载 Ib 下该 DATA 端口的高端 FET 上的最大额定压降 Vdrop,另外 0.75V 左右的 V BE(ON)在在 Ic 处饱和,最大电阻为 Rmax=(V1_8min-Vdrop-V BE(ON) )/Ib。

如果 V1_8min-Vdrop-V BE(ON)变为负数,我们需要对总和中的三个值进行不那么保守的估计,这可能会受到不那么保守(增加)的 Gmin 的帮助,这会降低 Ib。

我们还必须确保 DATA 端口中的电流不超过其最大额定值(为此我们必须考虑最大 V1_8、最小高压侧压降和 V BE)。如果超过,我们必须增加电阻并证明不太保守的估计(特别是 Gmin)。