Auswahl eines MOSFETs für Logikschaltungen oder Gate-Designs

Feldeffekt-Transistoren der MOS-Variante (Metal-Oxide-Semiconductor) oder MOSFETs sind die Halbleiter der Wahl für übliche spannungsgesteuerte Schaltanwendungen für hohe Spannungen und hohe Ströme. Sie sind viel populärer geworden als ihr stromgetriebener Vorgänger, der BJT (Bipolar Junction Transistor, bipolarer Sperrschichttransistor). Am entgegengesetzten Ende des Schaltspektrums setzen sich MOSFETs auf logischer Ebene bei der Konstruktion von Prozessoren und anderen Kleinsignal-Bauelementen durch, was vor allem auf ihre größere Effizienz und ihr schnelles Schalten zurückzuführen ist.

Das Innenleben des MOSFET weicht in der Konfiguration deutlich vom BJT ab, verwendet aber immer noch N- und P-Übergänge mit Anreicherungs- oder Verarmungskanälen, wo die Leitfähigkeit auftritt. Für eine Erläuterung des Aufbaus und Betriebs von MOSFETs im Allgemeinen lesen Sie den Artikel von Digi-Key Electronics auf eewiki.

Es gibt viele Mikrocontroller-Projekte für Steckplatinen oder reguläre Platinen, die TTL-Logik unter Verwendung von BJT-Transistoren, wie z.B. die populären 2N3904 (NPN) oder 2N3906 (PNP), realisieren. Sie bieten zwar mit oder ohne Vorspannung der Basis eine gute Leistung, sind aber weniger effizient und haben in einigen Fällen eine langsamere Reaktionszeit als ihre CMOS-Pendants.

Ob mit 3,3V- oder 5V-Logik, es gibt Schwellenwerte zwischen diesen Spannungen und Masse, die bestimmen, was ein logischer HIGH-Pegel (1) oder ein logischer LOW-Pegel (0) ist. Es besteht auch ein Bedarf an einem Spannungsbereich zwischen HIGH und LOW, der als Puffer dient, oft als „illegaler“ Bereich bezeichnet, der sicherstellt, dass der Kipppunkt zwischen einem soliden HIGH und einem soliden LOW nicht zu abrupt ist, was zu einer unvorhersehbaren Ausgabe führen könnte (Abbildung 1).

Parameter, die bei der Auswahl eines N-Kanal-MOSFET für Logikpegel zu berücksichtigen sind

Gate-Source-Schwellenspannung - Vgs(th)(min) und Vgs(th)(max): Gate-Spannung am oder unter dem minimalen Schwellenwert schaltet den MOSFET aus. Übliche minimale Gate-Spannungen für 5V-Logik können zwischen 0,5 V und 1 V liegen. Gatespannungen über dem maximalen Schwellenwert schalten den MOSFET ein. Gate-Schwellenspannungen zwischen dem Minimum und dem Maximum könnten den MOSFET ein- oder ausschalten und müssen vermieden werden. Beachten Sie, wie die Minimal- und Maximalwerte ungefähr mit der illegalen Region in Abbildung 1 zusammenfallen.

Abbildung 1

Drain-Source-Durchlasswiderstand - Rds(on): Wenn eingeschaltet, gibt es einen Widerstand zwischen Drain und Source, der mit steigender Gate-Source-Spannung oder Vgs abnimmt. Wählen Sie einen MOSFET, dessen niedrigste Rds(on)-Werte bei oder nahe dem idealen logischen HIGH-Pegel auftreten und bei höheren Vgs-Werten nicht wesentlich abnehmen. Siehe Abbildung 2.

Abbildung 2

Beispiel: Gemäß seinem Datenblatt bietet der MOSFET IRLZ44 von Infineon einen Drain-Source-Widerstand von 25 mOhm bei 5 V, 35 mOhm bei 4 V und 22 mOhm bei 10 V. Bei 5 V ist sein Rds(on)-Wert nur 3 mOhm höher als der Wert bei 10 V, aber 10 mOhm niedriger als der Rds(on)-Wert bei 4 V, was ihn zu einer guten Wahl in Bezug auf Rds(on) macht.

Abbildung 3

Eingangskapazität - Ciss: Die Kombination aus Gate, Oxidschicht und dem Körperanschluss eines MOSFET wirkt wie ein kleiner Kondensator, der sich aufzuladen beginnt, wenn Spannung am Gate anliegt. Das Aufladen dauert eine gewisse Zeit, was zu einer Verzögerung des Einschaltzustands führt. Wählen Sie einen MOSFET mit der geringstmöglichen Eingangskapazität, um lange Verzögerungen zu vermeiden und den Einschaltstrom zu minimieren. Der Einschaltstrom kann anfangs sehr hoch sein, nimmt aber mit zunehmender Ladung des Kondensators ab. Im Idealfall ist die Einschaltverzögerung extrem kurz. Sie kann aber dennoch Stromstöße erzeugen, die einen I/O-Pin, dessen Stromaufnahmekapazität begrenzt ist, beschädigen können.

Ein Strombegrenzungswiderstand zwischen Pin und Gate verhindert eine übermäßige Stromaufnahme des I/O-Pins.

Wenn ein MOSFET verwendet wird, der direkt an einen Mikrocontroller-Ausgangspin angeschlossen ist, sollte das MOSFET-Gate je nach Bedarf mit einem externen Widerstand entweder auf HIGH oder LOW gezogen werden, um eine schwebende Gate-Logik und unerwünschte Ausgabe des MOSFET während des Starts und Resets der MCU zu verhindern.

Die oben genannten Parameter sind ein grundlegender Ausgangspunkt für die Auswahl eines MOSFET für Logikschaltungen oder Gatedesigns, die unter zusätzlicher Berücksichtigung der Wärmeableitung und anderer Leistungsparameter feinabgestimmt werden können. Scheuen Sie sich nicht, bei Ihrem nächsten Projektentwurf MOSFETs auszuprobieren.