Co to jest napęd bram MOSFET i dlaczego mnie to obchodzi?

Ktoś powiedział mi, że ten obwód ma „słabą zdolność napędu bramy”:

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony przy użyciu CircuitLab}

Co to dokładnie znaczy? Przetestowałem to z diodą LED jako obciążeniem dla M1, a mikrokontroler jest w stanie go włączyć i wyłączyć. W jakich okolicznościach słaba zdolność napędu stanowi problem? Jak mogę to poprawić?

Odpowiedź jest na końcu, ale na wypadek, gdybyś nie był zaznajomiony z koncepcją kondensatora MOS, zrobię szybki przegląd.

Kondensator MOS:

Brama tranzystora MOSFET jest zasadniczo kondensatorem. Po przyłożeniu napięcia do tego kondensatora reaguje on akumulując ładunek elektryczny:

Ładunek zgromadzony na elektrodzie Gate jest bezużyteczny, ale ładunek pod elektrodą tworzy kanał przewodzący, który umożliwia przepływ prądu między zaciskami Source i Drain:

Tranzystor włącza się, gdy ładunek zgromadzony w tym kondensatorze staje się znaczny. Napięcie bramki, przy którym to się dzieje, nazywane jest napięciem progowym (zasadniczo jest to napięcie bramki do ciała, które jest tutaj istotne, ale załóżmy, że Ciało jest zdefiniowane jako potencjał zerowy).

Jak być może wiesz, ładowanie kondensatora przez rezystor zajmuje dużo czasu (zawsze występuje pewien opór, nawet jeśli schemat nie zawiera rezystorów). Czas ten zależy zarówno od wartości kondensatora, jak i rezystora:

Łącząc wszystkie powyższe stwierdzenia razem, otrzymujemy:

• Brama tranzystorowa to kondensator, który należy naładować przez rezystor, aby tranzystor mógł się „włączyć”
• Im wyższa pojemność wejściowa bramki, tym dłużej trwa włączenie tranzystora
• Im wyższa rezystancja między źródłem napięcia a bramką, tym dłużej trwa włączenie tranzystora
• Im wyższe napięcie przyłożone zewnętrznie, tym krócej trwa włączenie tranzystora.

Odpowiedź:

Kiedy ludzie mówią „słaba zdolność napędu bramy”, oznaczają, że czasy włączenia i wyłączenia tranzystora w danej konfiguracji są zbyt długie.

„Za długo w porównaniu do czego?” możesz zadać, a to jest najważniejsze pytanie. Wymagane czasy włączenia / wyłączenia zależą od wielu aspektów, do których nie chcę wchodzić. Jako przykład pomyśl o napędzaniu tranzystora okresową falą prostokątną o 50% cyklu pracy i okresie 10 ms. Chcesz, aby tranzystor był włączony podczas wysokiej fazy i wyłączony podczas niskiej fazy sygnału. Teraz, jeśli czas włączenia tranzystora w danej konfiguracji wyniesie 10 ms, jasne jest, że 5 ms sygnału wysokiej fazy nie wystarczy, aby go w ogóle włączyć. Dana konfiguracja ma „słabą zdolność napędu bramy”.

Kiedy użyłeś tranzystora do włączenia diody LED, nie zastosowałeś wysokich częstotliwości przełączania, prawda? W tym przypadku czas przełączania tranzystora nie miał większego znaczenia - po prostu chciałeś zobaczyć, że ostatecznie włącza / wyłącza się.

Podsumowanie:

„Zdolność napędu bramy” nie może być ogólnie dobra ani zła, ale może być wystarczająca dla twojej aplikacji lub nie. Zależy od czasów przełączania, które chcesz osiągnąć.

Aby skrócić czas przełączania, możesz wykonać następujące czynności:

• Zmniejsz opór bramy
• Zwiększyć napięcie / prąd znamionowy obwodu sterującego

Nic nie możesz zrobić z pojemnością Gate'a - jest to wbudowana właściwość tranzystora.

Mam nadzieję że to pomoże

Problem pojawia się, gdy MOSFET-y mają być włączane / wyłączane przy stosunkowo wysokiej częstotliwości. Ważną rolę odgrywa zatem pojemność Millera wprowadzona do bramki (Cgs), tak że ładowanie / rozładowywanie tej pojemności przy wysokiej częstotliwości wymaga wstrzykiwania prądów powyżej 1A do bramki.

Jednak w przypadku prądu stałego i statycznego obwód napędowy „widzi” bardzo wysoką impedancję obciążenia i może łatwo włączyć / wyłączyć MOSFET. Aby przetestować i zweryfikować, zwiększ częstotliwość styku GPIO na pokazanym schemacie i obserwuj przebieg na bramce MOSFET.