Phalox schreef op woensdag 11 januari 2012 @ 13:23:
't is al van even geleden, maar de post van [
mux in "De EL-kroeg - Deel 3"] heeft me wat extra inzicht gegeven in het bepalen van de stromen die er lopen bij een mosfet. Enkel mis ik precies het deel over spanning.
Je zegt Lading / Tijd = Stroom (jep!), maar als je de spanning opvoert, dan zal dit toch z'n invloed hebben op de schakeltijd en de stroom?
Allereerst 100 internetpunten voor de moeite om het onderwerp echt te begrijpen
Er is een makkelijke en een moeilijke manier om dit voor te stellen. Als precisie niet belangrijk is wordt er meestal gewoon gewerkt met gemiddelden, equivalente waarden en boven- of ondergrenzen, afhankelijk van wat je nodig hebt.
In mijn post nam ik een atmega8 als voorbeeld. Deze heeft een CMOS output stage (oftewel een PFET en NFET met source en drain respectievelijk aan elkaar), en zo'n output stage in kleine chips wordt vooral beperkt door channel width*. Wanneer je de drain-sourcespanning op blijft voeren, zullen er steeds meer elektronen (stroom) doorheen worden geperst. Voorbij een bepaald punt kun je niet meer dan stroom erdoorheen laten gaan, want er passen simpelweg niet genoeg elektronen door de channels. Als je in de
datascheet kijkt naar pagina 257 en 258 kun je dit effect zien. Bij weinig spanningsverschil tussen de output en de respectievelijke voltage rail kun je weinig stroom trekken, naarmate het spanningsverschil groter wordt kun je er meer stroom doorheen laten gaan en op een gegeven moment vormt zich een plateau, dan kan er gewoon niet meer stroom doorheen. Je ziet ook dat dit temperatuursafhankelijk is: een warmere halfgeleider zal meer moeite hebben om een brede channel te handhaven (dit in tegenstelling tot diodes, waarin de mobiliteit van elektronen en gaten een grotere rol speelt en de halfgeleider juist beter gaat presteren bij hogere temperaturen).
Waar is deze kennis voor nodig? Nou, wanneer je begint een MOSFET aan te zetten, weet je dat er een groot verschil in spanning tussen de gate van de MOSFET en Vcc zit. De gate zit op 0V, je Vcc op (bijvoorbeeld) 5V, dus als je in de grafiek kijkt zie je dat dit helemaal buiten de karakteristiek valt: je zult op dit punt dus zeker weten meer dan 60mA kunnen sourcen. De gate stroomt nu vol, en z'n spanning gaat omhoog. De gate is 'vol' als er - in het geval van de
IRF6621 - ongeveer 3, misschien 3.2V in zit. Dat is dus 1.8 à 2V onder je voedingsspanning, en op dit punt kan je poort nog steeds minimaal 50-55mA leveren, zelfs bij 85
oC. Je kunt dus een versimpeling van de zaak maken en zeggen dat je altijd meer dan 50mA kunt sourcen met je 'driver', en dat de MOSFET dus sneller dan 10nC/50mA=200ns aangeschakeld zal worden.
Dit is ook wat ik heb gebruikt in m'n vorige post, en in de praktijk zul je niet eens zulke gedetailleerde grafieken als in de Atmel-datasheet vinden, laat staan een volledige karakteristiek van source current vs. voltage. Met andere woorden, dit is meestal je beste optie.
Wanneer je wetenschappelijk te werk wilt gaan kun je methode 2 gebruiken: de hele karakteristiek gebruiken, als je die kunt vinden. Dus zowel de MOSFET als de driver als nonlineaire source/load modelleren, en een simulatie ervan laten lopen. Dan elimineer je elke vorm van linearisatie-fout en heb je iets moois te pakken.
Het jammere (of misschien wel mooie) van MOSFETs is dat dit echter best een klein verschil oplevert (<20%) met de eenvoudige datasheet-methode, behalve als je echt hele vreemde drivers gebruikt (bijvoorbeeld bipolaire drivers in combinatie met een low-V
GS(th) MOSFET). Ook leveren sommige fabrikanten in de datasheets van zowel mosfets als drivers equivalente gate/drive capacitance-waarden en zijn gate-spanningen en aanverwante metingen gestandaardiseerd op 4.5 en 10V. Als je equivalente waarden en standaard-gatespanningen gebruikt, is deze nonlineariteitsfout ook meteen meegenomen en krijg je een heel exact resultaat.
* de channel is het stukje halfgeleider tussen de drain en source in een FET, en deze channel kun je open- en dichtdraaien door een spanning op de gate te zetten. Als je de channel voorstelt als letterlijk een kanaal waar water doorheen gaat, is de analogie in de rest van de alinea redelijk te volgen.