MOSFET-y w układach mikroprocesorowych – 4 zasady prawidłowej implementacji

Tranzystor MOSFET może pełnić rolę bufora pomiędzy delikatnym wyjściem GPIO mikrokontrolera a obciążeniem pobierającym prąd i/lub zasilanym napięciem znacznie przekraczającym możliwości pinów procesora. Najprostszy układ pracy z bramką podłączoną bezpośrednio do mikrokontrolera może jednak działać nieprzewidywalnie podczas resetu bądź przełączania szybkim przebiegiem PWM.

Prawidłowy projekt klucza tranzystorowego wymaga uwzględnienia parametrów statycznych i pasożytniczych tranzystora czy też stanów przejściowych występujących przed uruchomieniem programu. W artykule opisujemy cztery zasady, których przestrzeganie pozwala uniknąć znakomitej większości typowych błędów.

Zasada 1. V_GS(th) nie jest napięciem pełnego otwarcia

Napięcie progowe bramki (oznaczane najczęściej V_GS(th)) określa warunki, w których tranzystor dopiero zaczyna przewodzić prąd w obwodzie dren-źródło. Parametr ten jest mierzony przy niewielkim prądzie drenu (I_D) i napięciu dren-źródło (V_DS) równym V_GS. Przykładowo dla popularnego tranzystora BSS123 napięcie progowe wynosi od 0,8 V do 2,8 V, a pomiar wykonywany jest przy I_D = 1 mA. Wartości rezystancji obwodu dren-źródło w stanie otwarcia, czyli R_DS(on), producent gwarantuje natomiast przy napięciach V_GS równych 4,5 V i 10 V oraz prądzie 170 mA. Zasilenie bramki napięciem 3,3 V, typowym dla większości współczesnych mikrokontrolerów, nie pozwala więc automatycznie przyjąć w obliczeniach wartości R_DS(on) podanej dla 4,5 V – nie oznacza to jednak, że tranzystor BSS123 w ogóle nie nadaje się do użycia w układach z mikrokontrolerami STM32 czy ESP32.

O tym, jaki prąd drenu można osiągnąć w zależności od napięcia bramki, można się przekonać analizując krzywe charakterystyki przejściowej tranzystora. Trzeba przy tym pamiętać, że są to wykresy typowe, zaś w praktycznym projekcie zawsze trzeba dobrać układ pracy oraz rodzaj komponentów na podstawie najgorszego możliwego przypadku.

Dodatkowym czynnikiem, który należy uwzględnić, jest temperatura struktury. W przypadku omawianego tutaj tranzystora BSS123, wraz ze wzrostem temperatury wyraźnie zwiększa się rezystancja R_DS(on) – z wykresu charakterystyk typowych wynika, że przy 150°C może ona osiągnąć około dwukrotność wartości występującej w temperaturze pokojowej. Jednocześnie charakterystyka przejściowa przesuwa się w kierunku niższych napięć V_GS. Oceniając możliwość pracy tranzystora przy niskim napięciu GPIO, nie można więc analizować wyłącznie napięcia progowego bramki – trzeba uwzględnić również zmiany R_DS(on), charakterystyki przejściowej i dopuszczalne straty mocy.

Ponadto trzeba pamiętać, że najsilniejsza wrażliwość tranzystora na zmiany napięcia V_GS jest rejestrowana przy napięciu zbliżonym lub nieznacznie przekraczającym próg V_GS(th). Dlatego też w układzie o zasilaniu 3,3 V można teoretycznie zastosować omawiany tranzystor BSS123, o ile nie wymagamy od niego ekstremalnie niskiej wartości rezystancji dren-źródło ani pracy przy wysokim prądzie drenu. Charakterystyki typowe wskazują bowiem, że przy V_GS około 3,3 V tranzystor może z powodzeniem obsługiwać niewielkie obciążenia, np. 20-miliamperową diodę LED. Jeżeli jednak wymagane jest zagwarantowanie określonego R_DS(on) w pełnym zakresie tolerancji i temperatury, lepszym rozwiązaniem będzie tranzystor, dla którego producent jawnie specyfikuje ten parametr przy V_GS = 2,5 V lub niższym.

Jeżeli jednak zależy nam na niższej rezystancji i możliwości wysterowania większego obciążenia, warto sięgnąć po inny model tranzystora MOSFET. Szczególnie ciekawie prezentuje się tranzystor N-MOSFET typu AKS2300 marki Akyga Semi. Choć jest on dostępny w obudowie identycznej, jak BSS123 (tj. SOT-23), jego katalogowy maksymalny prąd ciągły I_D wynosi aż 6,2 A przy T_A = 25°C – przy czym rzeczywiste możliwości prądowe zależą oczywiście od warunków chłodzenia, w tym konstrukcji PCB. Ponadto rezystancja w stanie otwarcia (mierzona przy typowym napięciu bramki 4,5 V) nie przekracza 25 mΩ. Co jednak najważniejsze, napięcie progowe bramki mieści się w przedziale od 0,45 V do 1,0 V – przez co tranzystor AKS2300 może z powodzeniem pracować w układach zasilanych napięciem 3,3 V – producent gwarantuje bowiem wartości R_DS(on) nie tylko przy V_GS = 4,5 V, ale również przy 2,5 V. W tym drugim przypadku rezystancja nie przekracza 28 mΩ przy I_D = 2 A. AKS2300 jest zatem znacznie lepiej przystosowany do sterowania za pomocą GPIO mikrokontrolera pracującego z zasilaniem 3,3 V (w porównaniu do BSS123). Charakterystyki typowe wskazują możliwość przewodzenia także przy niższych napięciach V_GS, jednak dla napięć niższych niż 2,5 V (np. dla 1,8 V) producent nie podaje gwarantowanej wartości R_DS(on), dlatego takiego trybu pracy nie należy przyjmować wyłącznie na podstawie V_GS(th).

Zasada 2. Bramka i obciążenie wymagają ochrony przed impulsami

Bramka tranzystora MOSFET jest wprawdzie galwanicznie odizolowana od pozostałych wyprowadzeń komponentu, lecz podczas przełączania nie zachowuje się jak idealne wejście o nieskończonej impedancji. Pojemność bramka-dren (C_GD), określana również jako pojemność zwrotna (C_rss), przenosi szybkie zmiany napięcia drenu do obwodu bramki. Prąd takiego impulsu można w uproszczeniu oszacować z zależności wiążącej go z pochodną zmian napięcia V_DS(t) po czasie t :

Szeregowy rezystor bramkowy ogranicza szczytowy prąd wpływający do wyjścia GPIO, a dodatkowo tłumi oscylacje wynikające z indukcyjności ścieżek i pozwala kontrolować szybkość przełączania. W typowych układach sterowanych bezpośrednio z mikrokontrolera stosuje się wartości od kilkudziesięciu do kilkuset omów, dobrane odpowiednio do częstotliwości przełączania i ładunku bramki.

Z drugiej strony sam rezystor szeregowy nie zapewnia odporności na samoczynne załączenie tranzystora wskutek szybkich zmian napięcia dren-źródło (dV_DS(t)/dt), zwiększa on bowiem impedancję obwodu rozładowania bramki. Dlatego też w bardziej wymagających układach potrzebny może być niskoimpedancyjny obwód pull-down, wyspecjalizowany, scalony sterownik bramek czy nawet tzw. układ Miller clamp.

Osobnego zabezpieczenia wymaga obciążenie indukcyjne, np. cewka przekaźnika elektromagnetycznego, prosty silnik DC czy elektromagnes. Po wyłączeniu cewki potencjał drenu rośnie, ale wewnętrzna dioda w strukturze MOSFET-a pozostaje spolaryzowana zaporowo, nie może zatem przejąć prądu samoindukcji. Konieczna jest zatem zewnętrzna dioda gasząca połączona równolegle do cewki, w kierunku zaporowym względem napięcia zasilania układu.

Takie proste rozwiązanie skutecznie ogranicza wartość napięcia indukowanego w uzwojeniu. Po wyłączeniu tranzystora dioda przejmuje bowiem prąd cewki i tym samym uniemożliwia wzrost potencjału drenu MOSFET-a powyżej wartości około:

Zasada 3. Stan spoczynkowy należy wymusić sprzętowo

Podczas resetu, uruchamiania programu, a czasem także w czasie pracy bootloadera wyprowadzenie GPIO może pozostawać w stanie wysokiej impedancji. Bramka nie ma wtedy jednoznacznie ustalonego potencjału, a prądy upływu, zakłócenia lub sprzężenie pojemnościowe przez C_GD mogą przypadkowo włączyć tranzystor.

Dla tranzystora N-MOSFET pracującego jako klucz po stronie masy należy zastosować rezystor pull-down włączony pomiędzy bramką a źródłem. Wartość od 10 do 100 kΩ jest typowym punktem wyjścia, przy czym mniejsza rezystancja zwiększa odporność na zakłócenia kosztem dodatkowego obciążenia GPIO, co może mieć znaczenie w układach niskomocowych. W przypadku tranzystora MOSFET z kanałem P stosuje się analogicznie rezystor pull-up pomiędzy bramką a źródłem.

Zasada 4. Pojemność i ładunek bramki ograniczają szybkość przełączania

Podczas każdej zmiany stanu linii GPIO sterującej bramką tranzystora MOSFET, mikrokontroler musi naładować lub rozładować pojemności C_GS i C_GD. Początkowy prąd może być zatem znacznie większy od wartości średniej, mimo że w stanie ustalonym bramka praktycznie nie pobiera prądu. Szczytowy prąd w impulsie można w przybliżeniu obliczyć jako:

gdzie: R_out – zastępcza rezystancja wyjściowa linii GPIO, R_G – zewnętrzna rezystancja szeregowa włączona w obwodzie bramki, r_G – zastępcza rezystancja szeregowa bramki tranzystora wg modelu zmiennoprądowego.

Pojemność wejściowa C_iss (będąca sumą pojemności C_GD i C_GS) pozwala wstępnie oszacować stałą czasową obwodu bramki, ale ze względu na nieliniowość pojemności pasożytniczych i występowanie efektu plateau Millera, dokładniejsze obliczenia należy opierać na całkowitym ładunku bramki Q_G. Wartość tego parametru może wynosić kilkadziesiąt nanokulombów (np. 30 nC w przypadku tranzystora AKS9435A) czy też zaledwie 2,5 nC w przypadku opisanego wcześniej modelu BSS123.

Średni prąd wymagany do przeładowywania bramki przy częstotliwości przełączania równej f_sw wynosi w przybliżeniu:

Zwiększenie rezystancji bramkowej ogranicza szczytowy prąd GPIO i zwykle prowadzi do obniżenia poziomu emisji zakłóceń EMI, ale jednocześnie wydłuża czasy narastania (t_r) i opadania (t_f). Tranzystor MOSFET dłużej pracuje w obszarze częściowego otwarcia, w którym występują jednocześnie znaczne wartości V_DS oraz I_D. Powoduje to z kolei wzrost strat przełączania, które (w układzie zasilanym napięciem V_IN) można w uproszczeniu oszacować jako:

Przy sporadycznym sterowaniu obciążeniami takimi jak cewka przekaźnika czy prosty elektromagnes, problem ten zwykle nie ma większego znaczenia. W przypadku szybkiego sterowania PWM, np. w kontrolerze silnika lub przetwornicy DC/DC, konieczne może być jednak zastosowanie dedykowanego sterownika bramki.

Podsumowanie

Dobór MOSFET-a do współpracy z mikrokontrolerem nie kończy się na sprawdzeniu wartości V_GS(th) czy maksymalnego prądu drenu. Należy zwracać uwagę na rezystancję R_DS(on) gwarantowaną dla rzeczywistego napięcia GPIO, kontrolować prąd ładowania bramki, sprzętowo wymuszać bezpieczny stan podczas resetu oraz zapewnić obwód zwierający prąd indukowany w uzwojeniu obciążenia indukcyjnego. Dopiero uwzględnienie opisanych zasad pozwala uzyskać przewidywalny, odporny na zakłócenia i bezpieczny układ wykonawczy.

Sponsorem artykułu jest marka Akyga Components

Akyga Components oferuje szeroką gamę komponentów elektronicznych dla przemysłu i elektroniki użytkowej. Portfolio marki obejmuje baterie i akumulatory, półprzewodniki, komponenty pasywne oraz rozwiązania z zakresu zasilania i ochrony obwodów, znajdujące zastosowanie w automatyce, IoT, oświetleniu i systemach pomiarowych. Więcej informacji można znaleźć na stronie: www.akygacomponents.com