用于反极性保护的 NMOS FET 选择

电器工程 电源 场效应管 成分 保护
2022-01-23 08:07:33

我正在研究一个反向极性保护电路,类似于SLVA139:反向电流/电池保护电路中的图 2 。这是我的电路:

输入电路

由于可能的输入电压范围为 5-40V,我的情况稍微复杂一些。大多数 MOSFET 的最大栅极-源极电压 V GS似乎为20V,因此我需要栅极上的齐纳钳位(或非常大/昂贵的 FET)。最大输入电流约为 6A。

我想知道的是,这种配置中真正重要的 FET 特性是什么?我知道我肯定想要一个足够高的漏源击穿电压 BV DSS来处理反极性条件下的全部输入电压。我也很确定我想最小化 R DS(on),以免在接地电路中引入任何阻抗。Fairchild AN-9010:MOSFET Basics对欧姆区域的操作有这样的说法:

“如果漏源电压为零,则无论栅源电压如何,漏电流也为零。该区域位于 V GS – V GS(th) = V DS边界线的左侧 ( V GS – V GS(th) > V DS > 0)。即使漏极电流非常大,在该区域中,通过最小化 V DS(on)来维持功耗

此配置是否属于 V DS = 0 分类?在嘈杂的环境中做出这似乎有些危险的假设(这将在各种类型的电机附近运行),因为输入电源接地和本地接地之间的任何电压偏移都可能导致电流流动。即使有这种可能性,我也不确定是否需要在漏极电流 I D上指定我的最大负载电流。随之而来的是,我也不需要消耗太多能量。我想我可以通过齐纳钳位 V GS更接近 V GS(th)以减少漏极电流/电压来缓解这个问题?

我是否走在正确的轨道上,还是我错过了一些关键细节,这些细节会让我脸上的微型 MOSFET 爆炸?

1个回答

使用 MOSFET 进行反向电压保护非常简单。
您的一些参考资料是正确的,但相关性较低,并且倾向于使问题看起来比实际更复杂。关键要求(您基本上已经确定)是

  • MOSFET 必须具有足够的 Vds_max 额定值才能施加最大电压

  • MOSFET Ids_max 额定值绰绰有余

  • Rdson 尽可能低。

  • 最终电路中未超过 Vgs_max。

  • 安装后的功耗能够合理处理 I_operating^2 x Rdson_actual 的工作功率

  • 安装后的功耗能够处理高功耗区域的开启和关闭。

  • 栅极驱动在现实世界电路中“足够快地”截止。
    (最坏的情况 - 正确应用 Vin,然后立即反转 Vin。截止是否足够快?)

在实践中,这在大多数情况下很容易实现。
Vin 对工作功耗几乎没有影响。
Rdson 需要针对可能在实践中经历的最坏情况进行评级。大约 2 倍标题 Rdson 通常是安全的,或者仔细检查数据表。使用最坏情况额定值 - 不要使用典型额定值。

如果需要,开启可能会很慢,但请注意需要考虑耗散。
在反极性下关闭必须迅速,以允许突然应用保护。


什么是最大输入值?
您没有说 I_in_max 是什么,这在实践中会产生很大的不同。


你引用了:

“如果漏源电压为零,则无论栅源电压如何,漏电流也为零。该区域位于 VGS– VGS(th)= VDS 边界线 (VGS – VGS) 的左侧(th) > VDS > 0)。

即使漏极电流非常大,在该区域中,通过最小化 VDS(on) 来维持功耗。”

请注意,这些是作者相对独立的想法。第一个本质上与此应用程序无关。
第二个简单地说,低 Rdson FET 是个好主意。


你说:

此配置是否属于 VDS = 0 分类?在嘈杂的环境中做出这似乎有些危险的假设(这将在各种类型的电机附近运行),因为输入电源接地和本地接地之间的任何电压偏移都可能导致电流流动。即使有这种可能性,我也不确定是否需要在漏极电流 ID 上指定我的最大负载电流。随之而来的是,我也不需要消耗太多能量。我想我可以通过齐纳钳位 VGS 接近 VGS(th) 来减少漏极电流/电压来缓解这个问题?

想太多:-)。

当 Vin 正常时,尽快打开 FET。
现在 Vds 尽可能低,由 Ids^2 x Rdson
Ids = 您的电路电流设置。
在 25C 环境 Rds 将从规格表中引用的 25C 值开始,并且如果/随着 FET 加热而上升。在大多数情况下,FET 不会大量发热。
例如,1 安培的 1 个 20 毫欧 FET 会产生 20 毫瓦的热量。在任何合理的包装中,温升都非常低,且散热极少。在 10A 时,耗散 = 10^2 x 0.020 = 2 瓦。这将需要 DPAk 或 TO220 或 SOT89 或更好的封装和合理的散热片。芯片温度可能在 50-100C 范围内,Rdson 将增加超过标称 25C 值。在最坏的情况下,您可能会得到 40 毫欧和 4 瓦。这仍然很容易设计。

补充:使用您随后提供的最大 6A。
PFet = I^2.R。R = P/i^2。
对于 1 瓦的最大耗散,您需要 Rdson = P/i^2 = 1/36 ~= 25 毫欧。
很容易达到。
在 10 毫欧 P = I^2.R = 36 x 0.01 = 0.36W。
在 360 mW 时,TO220 会很热,但不会很热,没有散热器但气流良好。一丝标志的散热片会让它开心。

以下产品均低于 1.40 美元/1 美元且在 Digikey 有现货。

LFPACK 60V 90A 6.4 毫欧!!!!!!!!!!!!

TO252 70V 90A 8 毫欧

TO220 60V 50A 8.1 毫欧


你说:

我想我可以通过齐纳钳位 VGS 接近 VGS(th) 来减少漏极电流/电压来缓解这个问题?

不!
最好留到最后:-)。
这与所要求的完全相反。
您的保护器需要对受控电路产生最小的影响。
与通过使用明显低的 Rdson FET 并硬打开它可以实现的效果相比,上述内容具有最大的影响并增加了保护器的耗散。