Anwendung von MOSFET-Lastschaltern - All

BAUELEMENTE
Leistungselektronik
Anwendung von MOSFET-Lastschaltern
ALAN LI, JOHN BENDEL
Der Bedarf an immer mehr Funktionen bei Notebooks, Zellulartelefonen und
PDAs kollidiert frontal mit der maximalen Betriebszeit zwischen den
Aufladungen. Die betroffenen Hersteller müssen immer längere Batterielaufzeiten bieten, obwohl die zahlreichen Funktionen den Strombedarf
immer höher treiben. Deren Lösung für dieses Problem ist einfach: Nicht
benötigte Applikationen werden abgeschaltet.
Thermische Anforderungen:
Die Größe der Lastschalter richtet sich nach
ihrer Belastbarkeit oder wieviel Leistung sie in
einer definierten Umgebung abgeben können. Allgemeine Stromgrafiken sind für eine
erste, vorläufige Berechnung zwar ausreichend, aber man sollte das Bauelement unter
den tatsächlichen Betriebsbedingungen ausmessen.
Der „Schalter“ der Applikation wird als Lastschalter (load switch) bezeichnet, da der Strombedarf einer Anwendung als Last für die
Batterie betrachtet wird.
Der folgende Anwendungsbericht befaßt sich
mit der entsprechenden
Verwendung der MOSFET Lastschalter von
Fairchild Semiconductor. Diese Lastschalter
integrieren einen digitalen n-Kanal FET und
einen niederohmigen
p-Kanal FET in einem
Gehäuse, was geringere Bestückungskosten, höhere Zuverlässigkeit und in zahlreichen
Fällen ein einfacheres
Layout bedeutet. Die
ESD-Festigkeit geht bis
6000 V (patentiert); herkömmliche und vergleichbare Bauelemente bieten dagegen nur
200 bis 300 V.
Entwurfsbeispiel:
Es wird folgende Betriebstemperatur angenommen:
1) Ta = 70 °C (maximale Platinentemperatur)
Die Platinenkante wird mit konstanten 70 °C
angenommen. Die Umgebungstemperatur
wird dort als ein fester Wert angenommen,
wo sich das Bauelement befinden wird. In unserem Fall ist die „Umgebung“ die feste Kante einer FR4-Platine, die sich in einem Gehäuse befindet.
2) RΘCA = 25 °C/Watt (thermischer Widerstand Gehäuse/Umgebung)
Der thermische Widerstand zwischen Bauelemente-Gehäuse und Umgebungstemperatur
kann gemessen oder berechnet werden. Der
thermische Weg ist als gerader, leitender Kupferpfad vom FR4 zur Umgebung zu betrachten. Der thermische Widerstand läßt sich folgendermaßen berechnen:
Bild 1: Typische Leistungsverteilung in einem Handgerät
Funktionsbeschreibung
Die grundsätzliche Leistungsverteilung in einem Mobiltelefon zeigt Bild 1. Die Lastschalter befinden sich in Serie mit der Batterie und
der Last, und werden durch die LeistungsMonitorlogik ein- und ausgeschaltet. Das
Blockschaltbild eines Lastschalters erläutert
Bild 2. Ein P-Kanal MOSFET stellt den Leistungsschalter dar, dessen Gatter mit einem
n-Kanal Digital-MOSFET angesteuert wird.
Das logische „Hoch“ schaltet den PMOS ein,
da sein Gatter durch den Digital-MOSFET auf
Masse gezogen wird. Das logische „Tief“
schaltet den Digital-MOSFET und den PMOS
ab. Dadurch kann das PMOS-Gatter durch
den externen Widerstand passiv auf das
Source-Potential gezogen werden.
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Intrinsic Diode:
Es ist wichtig, daß die
Ausgangsspannung
niedriger als die des Eingangs ist. Eine höhere
Ausgangsspannung
wird durch die Intrinsic-Diode des p-Kanal
MOSFETs begrenzt, was
zu signifikanten Strömen führen kann. Das
ist mit einer einzelnen
Energiequelle nicht weiter tragisch, kann aber
mit mehreren Quellen
zu einem Problem führen.
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RΘ =
Entfernung zur Umgebung
Kontaktfläche ⋅ Thermische Leitfähigkeit des Materials
Der thermische Weg kann gemessen werden.
Dafür benötigt man aber eine Komponente,
die in der Position des Bauelementes 1 W
Bild 2: Prinzipschaltbild eines Lastschalters
䊳
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Einschaltstrom:
Lastschalter, die in Richtung Kondensatoren mit
geringem ESR schalten, können hohe Einschalt-Stromstöße erzeugen, die sich nachhaltig auf die Systemleistung auswirken. Der
ESR des Kondensators
bestimmt in Kombination mit dem Rds(on)
des MOSFETs die Höhe
des Stromstoßes. Ein
100 µF Kondensator
mit einem ESR von 75
mΩ und ein 80 mΩ
Lastschalter verursachen an 5 V rechnerisch einen Stromstoß
Bild 3: Darstellung der Einschaltstrom-Begrenzung
von 32 A. Diese Stromspitzen belasten die
Spannungsquelle,
abstrahlt. Die Temperaturdifferenz ist der thererzeugen hohe Spitzenleistungen und vermische Widerstand. Während des Tests darf
mindern die Lebensdauer des Systems.
keine thermische Abstrahlung erfolgen.
Gelöst wird dieses Problem durch ,langsames’
Diese Messung wird normalerweise nur bei
Einschalten des PMOS-Bauelementes, Ladung
der Wahl des Bauelementes durchgeführt
des Kondensators und Verkleinern der Einund soll vorhergehende Berechnungen überschaltspannung des MOSFETs. Zwei einfache
prüfen.
Schaltungsbedingungen bewerkstelligen das
langsamere Einschalten des PMOS (Bild 3).
3) IL = 1,25 A ( maximaler, gleichbleibender
Handelt es um einen integrierten Lastschalter,
Strom)
sollte der Widerstand R2 an Source Q1 eingefügt werden. Im Falle eines hybriden LastDie Umgebungsbedingungen sind nunmehr
schalters, sollte R2 zwischen dem Q2-Gatter
definiert. Erste Berechnungen und eine
und dem Drain von Q1 geschaltet werden.
Komponentenauswahl können vorgenomEine dritte Möglichkeit ist die Plazierung des
men werden.
Kondensators C1 zwischen Gatter und Drain
des Q2. (Detaillierte Berechnungshinweise können dem Schrifttum entnommen werden).
Wärmeverteilung eines
Leistungs-MOSFETs
Sobald ein Leistungs-MOSFET mit einem
zulässigen Strom betrieben wird, erhöht sich
dessen Sperrschichttemperatur. Es ist ist sehr
wichtig, die thermischen Grenzwerte zu bestimmen, um sowohl eine ausreichende Funktionsleistung als auch die geforderte Zuverlässigkeit sicherzustellen. Dieser Grenzwert setzt
sich aus einer Summe von Temperatursprüngen zusammen, die auf dem Weg von der
Sperrschicht zur Betriebsumgebung auftreten.
Die Aufrißzeichnung in Bild 4 zeigt das vereinfachte Hitzetransfer-Modell eines Leistungs-MOSFETs, der sich auf einer Platine
befindet. Die in der Sperrschicht erzeugte
Wärme fließt durch den Die zu dessen Halterung, und von dort aus durch den Leitungsrahmen zum umgebenden Gehäuse, zur Platine und eventuell von dort aus in die Platinen-Umgebung. Aber es gibt weitere, sekundäre Wärmepfade: Einer bildet sich vom
Gehäuse zur Umgebungsluft. Der andere
bewegt sich vom Drain-Anschluß über die
angefügten Source- und Gatterverbindungen
zur Platine. Für die folgende Wärmeflußanalyse werden diese sekundären Pfade jedoch
als nicht relevant betrachtet.
Ein Anstieg der Sperrschichttemperatur ist
direkt proportional zur abgegebenen Wärme
und dem thermischen Widerstand. Der kon-
4) Tjmax = 150 °C (absolut maximale Sperrschichttemperatur)
Diese Maximal-Temperatur darf durch die
Sperrschichttemperatur des Lastschalters nie
überschritten werden.
5) Trise = Tjmax = 80 °C (maximal zulässige Trise)
Der thermische Widerstand zwischen Sperrschicht und Gehäuse (RΘjc) ist für die
Gehäuseformen SSOT-6 und SSOT-8 wie
folgt:
6) SSOT-6, RΘjc = 60 °C/Watt
7) SSOT-8, RΘjc = 40 °C/Watt
Die maximale Leistungsabgabe dieser Gehäuse in der spezifizierten Umgebung ist folgendermaßen:
8) SSOT-6: Pd = Trise/ (RΘjc+RΘca)= 940 mW
9) SSOT-8: Pd = 80/(25 + 40)= 1,23 W
Bild 4: Thermische Aspekte eines Leistungs-MOSFETs
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stante thermische Widerstand zwischen
Sperrschicht und Umgebung, RΘja, wird so
definiert:
RΘja = (Tj – Ta)/P
Tj ist der durchschnittliche Temperaturwert
der Sperrschicht; Ta ist der durchschnittliche
Temperaturwert der Umgebung, und P steht
für die angelegte Leistung, die die Sperrschichttemperatur verändert.
RΘja ist die Summe der thermischen Widerstände RΘjc (Sperrschicht/Gehäuse) und RΘja
(Gehäuse/Umgebung):
RΘja = RΘjc + RΘja
Das Gehäuse des Leistungs-MOSFETs wird
thermisch als Kontakt zwischen dem DrainAnschluß und dem Sockel definiert. RΘjc wird,
unabhängig von der Applikation und Befestigung, vom Hersteller bestimmt und spezifiziert. Anwender können daher anhand dieser
Spezifikation Vergleiche hinsichtlich des thermischen Verhaltens bei mehreren Produkten
vornehmen. Außerdem sollte man sich auf
Roca nicht zu sehr festlegen, da dieser Wert
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sehr stark von der jeweiligen Applikation
abhängig ist. Bevor man die thermischen
Daten des Datenblattes übernimmt, sollte
man sich immer die Testbedingungen vergegenwärtigen und mit der vorgesehenen
Applikation abstimmen.
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Alan Li und John Bendel sind Mitarbeiter der Fairchild Semiconductor, USA.
Übersetzt und bearbeitet von Henning Wriedt,
USA-Korrespondent der elektronik industrie.
Anmerkungen:
Mit einem MOSFET Lastschalter kann man die
Bauelementeanzahl und die Kosten eines
Systems unproblematisch verringern und die
Zuverlässigkeit gleichzeitig erhöhen. Um
Anwender im Falle dieser Lastschalter zu
unterstützen, bietet Fairchild auf deren Webseite entsprechende SPICE-Modelle an
(http://www.fairchildsemi.com).
Die Autoren sind im Falle notwendiger Designunterstützung per e-mail erreichbar:
[email protected] und
[email protected].
Interessenten können per Kennziffer die komplette und sehr informative Applikationsschrift anfordern.
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