Esta nota de aplicación describe el diseño de un controlador de motor de bajo voltaje que utiliza MOSFET duales de canal n en un paquete de montaje en superficie.
Esta nota de aplicación describe el diseño de un controlador de motor de bajo voltaje que utiliza MOSFET duales de canal n en un paquete de montaje en superficie. Se analizan los diseños con diferentes aplicaciones de voltaje y un tercer método para controlar un medio puente de canal n dual, un controlador de compuerta MOSFET adaptativo.
Dos configuraciones básicas de MOSFET se utilizan en unidades de motor de bajo voltaje: medio puente de canal n y medio puente de canal p y n (complementario). La principal ventaja del enfoque complementario es la simplicidad del circuito de activación de la compuerta, como se explica en la nota de aplicación AN90-4 de Vishay Siliconix. El uso de un MOSFET de canal n para el interruptor del lado alto (o “superior”) requiere un cambio de nivel de la señal de control de la compuerta, lo que agrega complejidad y costo.
aplicación de 5V
En la Figura 1, se usa un circuito de bomba de carga para impulsar un suministro de 5 V (en realidad, al menos 4,5 V) a un voltaje suficiente para impulsar directamente las puertas MOSFET superior e inferior.
Es el voltaje nominal para el dispositivo de canal n inferior y proporciona al menos 7,5 V de mejora de compuerta para el MOSFET de canal n superior. Conducción de todas las puertas “riel a riel” Teniendo en cuenta las variaciones del nivel de entrada (4,5-5,5 V) y las pérdidas de la bomba de carga, el voltaje de suministro resultante estará en el rango de aproximadamente 12-16 V. A -V fuente de puerta máxima absoluta, la impedancia del dispositivo inferior es ligeramente inferior. Sin embargo, en las unidades de motor, la impedancia total (un MOSFET superior y un MOSFET inferior) suele ser más importante que la simetría.
aplicación de 12V
Las aplicaciones de voltaje moderadamente bajo (alrededor de 12 V) se pueden simplificar en gran medida si las técnicas de control de compuerta dinámica son aceptables. La colocación de un capacitor de arranque es una forma simple y económica de proporcionar el voltaje necesario para impulsar la compuerta del lado alto (Figura 2). Dentro de un rango de voltaje relativamente estrecho (aproximadamente 10-20 V), se puede elegir un valor de pullup pasivo simple (R1) para proporcionar velocidades de transición rápidas con pérdidas de conmutación aceptables. Para el funcionamiento por encima de 20 V, puede ser necesario incorporar una configuración activa de cambio de nivel pull-up, y la fuente de puerta de Q2 debe sujetarse con un diodo Zener para garantizar que no se viole la clasificación V GS máxima absoluta. tener. Cuando se opera por debajo de unos 10 V, esta técnica puede proporcionar una activación de compuerta insuficiente para Q2. El voltaje almacenado en el capacitor de arranque es de 10 V (voltaje de suministro) menos la caída del diodo y la caída de voltaje en el MOSFET (corriente de carga xr DS (encendido) en Q1). Este voltaje se reduce aún más por la carga que debe transferirse para reforzar completamente la puerta de Q2, y el voltaje decae con el tiempo debido a las corrientes de fuga a través de D1 y Q3.
En la Figura 2, se combinan las entradas del MOSFET inferior (Q1) y el MOSFET de cambio de nivel (Q3). La configuración de arranque no elimina por completo el uso de una secuencia de conmutación o modulación que apaga ambos dispositivos de salida, es absolutamente necesario encender Q1 para recargar el capacitor de arranque antes de encender Q2. Q2 no se puede mantener indefinidamente y la naturaleza inherentemente “dinámica” de la configuración de arranque la hace inutilizable para algunas aplicaciones de accionamiento de motor. Pero para muchos otros podemos proporcionar una solución rentable y técnicamente aceptable.
Aplicaciones de 12V a 36V
Un circuito de bomba de carga de componentes mínimos y simple proporciona un funcionamiento estático y tiempos de conmutación aceptables para aplicaciones de media tensión. El circuito de la bomba de carga que se muestra en la Figura 3 se ha reducido a un número mínimo de componentes y supone que la fuente de alimentación de 12 V del sistema se puede utilizar para impulsar las compuertas y el oscilador MOSFET con referencia a tierra. Una frecuencia de oscilador mucho más alta que la frecuencia de conmutación requerida carga la compuerta MOSFET del lado alto en una cantidad mínima de tiempo con una capacitancia de bomba de carga pequeña (C1). En este ejemplo, para lograr una frecuencia de conmutación de 20 kHz con pérdidas de conmutación aceptables, se eligen un oscilador de 2 MHz y un condensador de bomba de carga de 0,001 µF para lograr un tiempo de aumento de salida de 500 ns.
Controlador de puerta MOSFET adaptativo Si9910DY
El controlador de compuerta MOSFET adaptativo Si9910DY (Figura 4) ofrece un tercer método para controlar un medio puente de doble canal n. El Si9910 está diseñado para impulsar MOSFET a niveles de potencia mucho más altos y ha demostrado ser una solución muy rentable para sistemas de baja potencia (en comparación con las soluciones discretas).
Único entre los controladores de compuerta MOSFET integrados, el Si9910 consume menos de 1 µA cuando está encendido (salida alta) y proporciona una baja impedancia de salida. Esto permite que el controlador sea referenciado a la fuente del interruptor del lado alto y alimentado por un capacitor de arranque, una bomba de carga o una combinación de ambos. La combinación del Si9910 y la alta capacidad de corriente máxima del capacitor de arranque permite velocidades de transición rápidas y eficientes. La adición de una pequeña bomba de carga supera las pérdidas por fugas en estado activado y proporciona un funcionamiento continuo (estático) del dispositivo de salida del lado alto. El Si9910 también proporciona un medio de di/dt, dv/dt, control de corriente de disparo, bajo voltaje y protección de corriente catastrófica.