Rds on mosfet что это

Параметры полевых транзисторов: что написано в даташите

Силовые инверторы, да и многие другие электронные устройства, редко обходятся сегодня без применения мощных MOSFET (полевых) или IGBT-транзисторов. Это касается как высокочастотных преобразователей типа сварочных инверторов, частотно-регулируемых электроприводов, блоков питания, светодиодных драйверов, так и разнообразных проектов-самоделок, схем коих полным полно в интернете.

Параметры выпускаемых ныне силовых полупроводников позволяют коммутировать токи в десятки и сотни ампер при напряжении до 1000 вольт.

Выбор этих компонентов на современном рынке электроники довольно широк, и подобрать полевой транзистор с требуемыми параметрами отнюдь не является проблемой сегодня, поскольку каждый уважающий себя производитель сопровождает конкретную модель полевого транзистора технической документацией, которую всегда можно найти как на официальном сайте производителя, так и у официальных дилеров.

Прежде чем приступить к проектированию того или иного устройства, с применением названных силовых компонентов, всегда нужно точно знать, с чем имеешь дело, особенно когда выбираешь конкретный полевой транзистор. Для этого и обращаются к datasheet’ам.

Datasheet представляет собой официальный документ от производителя электронных компонентов, в котором приводятся описание, параметры, характеристики изделия, типовые схемы и т.д.

Давайте же посмотрим, что за параметры указывает производитель в даташите, что они обозначают и для чего нужны.

Рассмотрим на примере даташита на полевой транзистор IRFP460LC. Это довольно популярный силовой транзистор, изготовленный по технологии HEXFET.

HEXFET подразумевает такую структуру кристалла, когда в одном кристалле организованы тысячи параллельно-включенных МОП-транзисторных ячеек гексагональной формы. Это решение позволило значительно снизить сопротивление открытого канала Rds(on) и сделало возможным коммутацию больших токов. Однако, перейдем к обзору параметров, указанных непосредственно в даташите на IRFP460LC от International Rectifier (IR).

В самом начале документа дано схематичное изображение транзистора, приведены обозначения его электродов: G-gate (затвор), D-drain (сток), S-source (исток), а также указаны его главные параметры и перечислены отличительные качества.

В данном случае мы видим, что этот полевой N-канальный транзистор рассчитан на максимальное напряжение 500 В, сопротивление его открытого канала составляет 0,27 Ом, а предельный ток равен 20 А.

Пониженный заряд затвора позволяет использовать данный компонент в высокочастотных схемах при невысоких затратах энергии на управление переключением.

Ниже приведена таблица (рис. 1) предельно допустимых значений различных параметров в различных режимах.

• Id @ Tc = 25°C; Continuous Drain Current Vgs @ 10V — максимальный продолжительный, непрерывный ток стока, при температуре корпуса полевого транзистора в 25°C, составляет 20 А. При напряжении затвор-исток 10 В.
• Id @ Tc = 100°C; Continuous Drain Current Vgs @ 10V — максимальный продолжительный, непрерывный ток стока, при температуре корпуса полевого транзистора в 100°C, составляет 12 А. При напряжении затвор-исток 10 В.
• Idm @ Tc = 25°C; Pulsed Drain Current — максимальный импульсный, кратковременный ток стока, при температуре корпуса полевого транзистора в 25°C, составляет 80 А. При условии соблюдения приемлемой температуры перехода. На рисунке 11 (Fig 11) дается пояснение относительно соответствующих соотношений.
• Pd @ Tc = 25°C Power Dissipation — максимальная рассеиваемая корпусом транзистора мощность, при температуре корпуса в 25°C, составляет 280 Вт.
• Linear Derating Factor — с повышением температуры корпуса на каждый 1°C, рассеиваемая мощность возрастает еще на 2,2 Вт.
• Vgs Gate-to-Source Voltage — максимальное напряжение затвор-исток не должно быть выше +30 В или ниже -30 В.
• Eas Single Pulse Avalanche Energy — максимальная энергия единичного импульса на стоке составляет 960 мДж. Пояснение дается на рисунке 12 (Fig 12).
• Iar Avalanche Current — максимальный прерываемый ток составляет 20 А.
• Ear Repetitive Avalanche Energy — максимальная энергия повторяющихся импульсов на стоке не должна превышать 28 мДж (для каждого импульса).
• dv/dt Peak Diode Recovery dv/dt — предельная скорость нарастания напряжения на стоке равна 3,5 В/нс.
• Tj, Tstg Operating Junction and Storage Temperature Range – безопасный температурный диапазон от -55°C до +150°C.
• Soldering Temperature, for 10 seconds — допустимая при пайке максимальная температура составляет 300°C, причем на расстоянии минимум 1,6мм от корпуса.
• Mounting torque, 6-32 or M3 screw — максимальный момент при креплении корпуса не должен превышать 1,1 Нм.

Далее следует таблица температурных сопротивлений (рис 2.). Эти параметры будут необходимы при подборе подходящего радиатора.

• Rjc Junction-to-Case (кристалл-корпус) 0.45 °C/Вт.
• Rcs Case-to-Sink, Flat, Greased Surface (корпус-радиатор) 0.24 °C/Вт.
• Rja Junction-to-Ambient (кристалл-окружающая среда) зависит от радиатора и внешних условий.

Следующая таблица содержит все необходимые электрические характеристики полевого транзистора при температуре кристалла 25°C (см. рис. 3).

• V(br)dss Drain-to-Source Breakdown Voltage — напряжение сток-исток, при котором наступает пробой равно 500 В.
• V(br)dss/Tj Breakdown Voltage Temp.Coefficient — температурный коэффициент, напряжения пробоя, в данном случае 0,59 В/°C.
• Rds(on) Static Drain-to-Source On-Resistance — сопротивление сток-исток открытого канала при температуре 25°C, в данном случае, составляет 0,27 Ом. Оно зависит от температуры, но об этом позже.
• Vgs(th) Gate Threshold Voltage — пороговое напряжение включения транзистора. Если напряжение затвор-исток будет меньше (в данном случае 2 — 4 В), то транзистор будет оставаться закрытым.
• gfs Forward Transconductance — Крутизна передаточной характеристики, равна отношению изменения тока стока к изменению напряжения на затворе. В данном случае измерена при напряжении сток-исток 50 В и при токе стока 20 А. Измеряется в Ампер/Вольт или Сименсах.
• Idss Drain-to-Source Leakage Current — ток утечки стока, он зависит от напряжения сток-исток и от температуры. Измеряется микроамперами.
• Igss Gate-to-Source Forward Leakage и Gate-to-Source Reverse Leakage — ток утечки затвора. Измеряется наноамперами.
• Qg Total Gate Charge — заряд, который нужно сообщить затвору для открытия транзистора.
• Qgs Gate-to-Source Charge — заряд емкости затвор-исток.
• Qgd Gate-to-Drain («Miller») Charge — соответствующий заряд затвор-сток (емкости Миллера)

В данном случае эти параметры измерены при напряжении сток-исток, равном 400 В и при токе стока 20 А. На рисунке 6 дано пояснение относительно связи величины напряжения затвор-исток и полного заряда затвора Qg Total Gate Charge, а на рисунках 13 a и b приведены схема и график этих измерений.

• td(on) Turn-On Delay Time — время открытия транзистора.
• tr Rise Time — время нарастания импульса открытия (передний фронт).
• td(off) Turn-Off Delay Time — время закрытия транзистора.
• tf Fall Time — время спада импульса (закрытие транзистора, задний фронт).

В данном случае измерения проводились при напряжении питания 250 В, при токе стока 20 А, при сопротивлении в цепи затвора 4,3 Ом, и сопротивлении в цепи стока 20 Ом. Схема и графики приведены на рисунках 10 a и b.

• Ld Internal Drain Inductance — индуктивность стока.
• Ls Internal Source Inductance — индуктивность истока.

Данные параметры зависит от исполнения корпуса транзистора. Они важны при проектировании драйвера, поскольку напрямую связаны с временными параметрами ключа, особенно это актуально при разработке высокочастотных схем.

• Ciss Input Capacitance — входная емкость, образованная условными паразитными конденсаторами затвор-исток и затвор-сток.
• Coss Output Capacitance — выходная емкость, образованная условными паразитными конденсаторами затвор-исток и исток-сток.
• Crss Reverse Transfer Capacitance — емкость затвор-сток (емкость Миллера).

Данные измерения проводились на частоте 1 МГц, при напряжении сток-исток 25 В. На рисунке 5 показана зависимость данных параметров от напряжения сток-исток.

Следующая таблица (см. рис. 4) описывает характеристики интегрированного внутреннего диода полевого транзистора, условно находящегося между истоком и стоком.

• Is Continuous Source Current (Body Diode) — максимальный непрерывный длительный ток диода.
• Ism Pulsed Source Current (Body Diode) — максимально допустимый импульсный ток через диод.
• Vsd Diode Forward Voltage — прямое падение напряжения на диоде при 25°C и токе стока 20 А, когда на затворе 0 В.
• trr Reverse Recovery Time — время обратного восстановления диода.
• Qrr Reverse Recovery Charge — заряд восстановления диода.
• ton Forward Turn-On Time — время открытия диода обусловлено главным образом индуктивностями стока и истока.

Дальше в даташите приводятся графики зависимости приведенных параметров от температуры, тока, напряжения и между собой (рис 5).

Приведены пределы тока стока, в зависимости от напряжения сток-исток и напряжения затвор-исток при длительности импульса 20 мкс. Первый рисунок — для температуры 25°C, второй — для 150°C. Очевидно влияние температуры на управляемость открытием канала.

На рисунке 6 графически представлена передаточная характеристика данного полевого транзистора. Очевидно, чем ближе напряжение затвор-исток к 10 В, тем лучше открывается транзистор. Влияние температуры также просматривается здесь довольно отчетливо.

На рисунке 7 приведена зависимость сопротивления открытого канала при токе стока в 20 А от температуры. Очевидно, с ростом температуры увеличивается и сопротивление канала.

На рисунке 8 показана зависимость величин паразитных емкостей от приложенного напряжения сток-исток. Можно видеть, что уже после перехода напряжением сток-исток порога в 20 В, емкости меняются не значительно.

На рисунке 9 приведена зависимость прямого падения напряжения на внутреннем диоде от величины тока стока и от температуры. На рисунке 8 показана область безопасной работы транзистора в зависимости от длительности времени открытого состояния, величины тока стока и напряжения сток-исток.

На рисунке 11 показана зависимость максимального тока стока от температуры корпуса.

На рисунках а и b представлены схема измерений и график, показывающий временную диаграмму открытия транзистора в процессе нарастания напряжения на затворе и в процессе разряда емкости затвора до нуля.

На рисунке 12 изображены графики зависимости средней термической реакции транзистора (кристалл-корпус) на длительность импульса, в зависимости от коэффициента заполнения.

На рисунках a и b показаны схема измерений и график разрушительного действия на транзистор импульса при размыкании индуктивности.

На рисунке 14 показана зависимость максимально допустимой энергии импульса от величины прерываемого тока и температуры.

На рисунках а и b показаны график и схема измерений заряда затвора.

На рисунке 16 показана схема измерений параметров и график типичных переходных процессов во внутреннем диоде транзистора.

На последнем рисунке изображен корпус транзистора IRFP460LC, его размеры, расстояние между выводами, их нумерация: 1-затвор, 2-сток, 3-исток.

Так, прочитав даташит, каждый разработчик сможет подобрать подходящий силовой или не очень, полевой или IGBT-транзистор для проектируемого либо ремонтируемого силового преобразователя, будь то сварочный инвертор, частотник или любой другой силовой импульсный преобразователь.

Зная параметры полевого транзистора, можно грамотно разработать драйвер, настроить контроллер, провести тепловые расчеты, и подобрать подходящий радиатор без необходимости ставить лишнее.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Максимальный постоянный ток через полевой транзистор

На просторах интернета достаточно много информации о полевых транзисторах (далее ПТ) и их параметрах, но один из довольно простых, на первый взгляд, параметров, а именно – максимальный постоянный ток, который транзистор может через себя пропустить в ключевом режиме, и не сгореть – приводится в даташитах как-то размыто и неочевидно.

В статье будет рассмотрен пример расчёта максимального тока через MOSFET SQM50P03-07 (взял первый попавшийся из своей схемы), работающий в ключевом режиме, или на участке насыщения.

Сначала немного теории, чтобы понять в чём же вообще суть проблемы. Кому просто нужно посчитать ток – переходите сразу к практике.

Теория

Если кратко, то основным параметром, который ограничивает максимальный ток через ПТ, является температура, точнее её рост. Даже при работе в ключевом режиме, когда ток течёт через исток-сток, транзистор имеет некоторое сопротивление, для мощных MOSFET это значение может быть всего несколько мОм (не самое большое и не самое маленькое значение среди ПТ). При прохождении тока через такое сопротивление на нём рассеивается некоторая мощность (переходящая в тепло, транзистор нагревается). Рассеиваемая мощность прямо пропорциональна квадрату тока, проходящего через ПТ.

Проблема в том, что максимальный ток (DC), как и максимальную рассеиваемую мощность, зачастую не указывают в документации напрямую, вот, например, скрин из даташита на SQM50P03-07:

Continuous Drain Current указан 50 ампер, но со сноской, что это ограничение корпуса, т.е. ток, больше чем этот, физически не может пропустить через себя сам корпус без разрушения структуры.

Maximum Power Dissipation для разных температур 150 и 50 Вт, но со сноской, что это при пропускании тока импульсами, где за 1 период 98% времени транзистор «выключен», и остальные 2% он «включен» (напомню, нас интересует постоянный ток).

Так вот, для расчёта максимального тока через ПТ, важным параметром здесь является максимальная температура. Из даташита видно, что она 175 °C (Operating Junction and Storage Temperature Range), от неё и нужно отталкиваться в расчётах. Нужно определить какой ток нагреет полупроводниковый канал транзистора до 175 °C, но дальнейшее увеличение температуры не будет происходить за счёт передачи тепла в окружающую среду (охлаждения), это и будет значение тока, которое нам нужно.

Нагревание транзистора, как и любого другого тела, процесс сложный и зависит от многих параметров. Чтобы максимально упростить связанные с тепловыми расчётами действия, вводится параметр тепловое сопротивление, т.е. способность чего-либо, препятствовать распространению тепла. Чем тепловое сопротивление больше, тем медленнее будет охлаждаться ПТ, и тем быстрее вырастет до критической температура его кристалла. Так же, чем больше разница между максимально допустимой температурой на кристалле и окружающей средой, тем дольше ПТ будет нагреваться, и тем больший ток можно будет через него пропускать.

У каждого материала тепловое сопротивление своё, а транзистор, в свою очередь, состоит из подложки (тела), на которой формируется проводящий канал, изолятора, самого корпуса, который может тоже состоять из нескольких материалов, само собой они ещё и разной толщины, что тоже влияет на передачу тепла.

Кроме того, охлаждать транзистор тоже можно по-разному, на некоторых, есть большая контактная площадка, которая припаивается к плате или крепится к радиатору, в таких случаях тепловое сопротивление минимально. Некоторые транзисторы не имеют таких площадок и контактируют с окружающей средой только через пластиковый корпус, через который отдают тепло гораздо медленнее.

В итоге получается примерно следующая схема:

• T (Junction) – это температура проводящего канала внутри транзистора (который и нагревается при прохождении тока);
• T (Ambient) – это температура окружающей среды (куда отводится тепло);
• RT1-RT4 – это тепловые сопротивления материалов, которые преодолевает тепловая энергия.

Как было отмечено ранее, ПТ можно охлаждать по-разному, и все возможные варианты в даташите предусмотреть просто невозможно, однако, обычно приводятся самые распространённые:

• ПТ установлен на плате без радиатора и без всяких теплоотводящих контактных площадок (сопротивление Junction-to-Ambient);
• даётся сопротивление до подложки, Junction-to-Case (или до определённой точки на корпусе, с которой отводится тепло), а дальше, в зависимости от применения, например, к подложке крепится радиатор, тогда надо его сопротивление добавлять в систему, и сопротивление прокладки между ним и корпусом ПТ (теплоотвод может быть очень большим и принимать на себя всё тепло с транзистора, в этом случае температурой окружающей среды будет считаться температура этого радиатора).

Хотя там есть параметр Junction-to-Foot, допустим, нам интересно именно тепловое сопротивление Junction-to-Ambient, а оно приведено только для времени менее 10 секунд. В таком случае, можно порыться на сайте производителя и найти модели тепловых сопротивлений. В таких документах есть график зависимости разности температур Junction-Ambient от времени:

Из графика видно, что после 1000 секунд, значительный рост изменения температуры прекращается. В этом режиме разность температур численно равна тепловому сопротивлению. Следовательно, для постоянного тока можно ориентироваться на значение 80 °C/Вт – тепловое сопротивление Junction-to-Ambient.
(немного подробнее в комментарии)

Может не у всех фирм есть эта информация, но корпуса ПТ у всех в основном стандартные, достаточно найти данные по сопротивлениям для интересующего нас корпуса другой фирмы.
Когда разработчиком определено как именно будет охлаждаться ПТ, температура окружающей среды, в которой будет работать устройство, после этого, можно, наконец, приступить к расчёту.

Практика

Рассмотрим пример определения максимального постоянного тока через MOSFET SQM50P03-07 в ключевом режиме, который припаян к плате размером 300х300 мм (без радиатора). Плата будет работать в воздухе, при максимальной температуре 45 °C. Управлять ПТ будем, подавая на его затвор, напряжение в 5 вольт.

1. TJMAX

MOSFET греется в области сформированного проводящего канала (на подложке под изолятором и затвором), это и есть температура Tjunction (температура в месте соединения). Из даташита Operating Junction and Storage Temperature Range -55… +175, т.к. нас интересует максимальный ток, то и берём максимальную температуру, т.е. TJMAX=175°C (если не хочется, чтобы канал транзистора так грелся, то можно взять меньшее значение).

2. TA

Температура окружающей среды. Берём максимально возможную температуру, в которую транзистору придётся отдавать тепло, по начальным условиям TA=45°C.

3. RΘJA

В даташите находим тепловое сопротивление проводящего канала транзистора к окружающей среде, притом ниже есть пометка, что это сопротивление актуально, если ПТ припаян к плате размерами больше 1 дюйма квадратного (в этом случае часть тепла уходит на плату, и при таких её размерах, с транзистора осуществляется необходимый теплоотвод):

Таким образом, RΘJA= 40 °C/Вт.

4. RDS(ON)

Максимальное сопротивление drain-source (сток-исток), при определённом управляющем напряжении на затворе. Информацию можно взять из таблицы, но там приводятся значения сопротивления канала только при напряжениях затвора в 10В и 4.5В, а у нас по плану 5 вольт. Разница, конечно, небольшая, можно взять и 4.5В:

Лучше всё-так найти в даташите график зависимости сопротивления канала от приложенного к затвору напряжения:

Нужно обратить внимание на то, что в случае с таблицей, данные приводятся для TC = 25 °C (температура подложки), а в случае с графиком есть 2 варианта: TJ = 25 °C и TJ = 150 °C (температура канала). В выбранном примере канал будет греться до 175°C (как было определено в первом пункте расчёта). Получается, что в данный момент лучше пользоваться не таблицей, а графиком, для определения сопротивления канала, т.к. данное в таблице значение при TC = 25 °C – это не то, что нам сейчас интересно.

Итак, 8 мОм (0,008 Ом) – это сопротивление канала при его температуре 25 °C. Чтобы определить сопротивление при температуре TJMAX=175°C ищем график зависимости нормализованного сопротивления канала от его температуры:

По горизонтальной оси здесь температура соединения, а по вертикальной коэффициент приращения к сопротивлению. Можно заметить, что при 25 °C он равен 1 (величина безразмерная), т.е. то значение, которое ранее было определено (8 мОм), находится на этом уровне. При температуре 175 °C, коэффициент равен примерно 1,69.

Чтобы найти сопротивление канала при TJ=175°C, нужно умножить сопротивление при 25 °C на коэффициент при 175°C. Получаем 0,008 * 1,69 = 13,52 мОм. RDS(ON)=13,52 мОм (0,01352 Ом).

5. IDMAX

Теперь можно по формуле ниже, определить максимальный ток (DC), который может пропустить транзистор:

Получаем 15,504 ампера.

Однако расчёты с использованием тепловых моделей, основанных на тепловых сопротивлениях, имеют погрешность, которая возникает вследствие упрощения тех самых моделей. Поэтому рекомендуется делать запас по току хотя бы 20 %. Делаем последний расчёт и получаем 12,403 ампера. Это и есть то значение тока, которое SQM50P03-07 может через себя пропустить в режиме насыщения и не сгореть, при заданных выше начальных условиях.

Обратите внимание, как значение в 12 А, отличается от того, что обозначено на первых страницах даташита (50 А, 150 А), такие цифры поначалу сбивают с толку, если не разобраться со всеми нюансами.

В заключении пару слов о Safe Operating Area, это диаграмма, показывающая зоны нормальной работы транзистора в разных режимах. Для того же SQM50P03-07 в даташите есть SOA, однако, как можно заметить, она приведена для температуры канала в 25 °C (не наш случай)

К тому же, далеко не во всех даташитах есть прямая, ограничивающая зону работы по DC, хотя, для грубой оценки, можно использовать и эти данные.

• Схемотехника
• Электроника для начинающих

Измерение сопротивления RDS(on) с помощью осциллографов высокой четкости

Сопротивление открытого перехода сток-исток R_DS(on) МОП-транзисторов является ключевым параметром для определения диэлектрических потерь на электропроводность в импульсных источниках питания, и поэтому представляет особый интерес. Когда МОП-транзистор закрыт, между стоком и истоком присутствует высокое напряжение, но в открытом состоянии напряжение падает всего до нескольких сотен милливольт. Для измерения таких низких напряжений требуется осциллограф с высоким разрешением. Компенсация пробника и правильное измерение также очень важны для получения точного значения сопротивления R_DS(on).

Измерительная задача

Чтобы рассчитать значение сопротивления R_DS(on) для МОП-транзистора, работающего в инверсном режиме, требуется измерить ток стока и напряжение сток-исток. Однако из-за высокого напряжения сток-исток в закрытом состоянии и пиков при переключении сложно измерить относительно небольшое напряжение сток-исток открытого транзистора с помощью стандартных осциллографов, разрешение которых обычно составляет восемь разрядов. Кроме того, неудовлетворительная компенсация пробника и ненадлежащие методы измерений могут значительно исказить сигнал, что приводит к неправильным результатам измерений даже в случае осциллографа с необходимым динамическим диапазоном.

Контрольно-измерительное решение

Цифровой осциллограф R&S ® RTO/R&S ® RTE в сочетании с программной опцией R&S ® RTO-K17/R&S ® RTE-K17 и надлежащими методами измерений позволяет измерять напряжение сток-исток для получения значения RDS(on), когда требуется широкий динамический диапазон. Благодаря цифровой фильтрации нижних частот достигается разрешение по вертикали до 16 разрядов, уменьшаются помехи и повышается отношение сигнал-шум. Пользователь может ограничивать полосу пропускания (выбор диапазонов) от 1 ГГц до 10 кГц (от 10 до 16 разрядов). Таким образом, можно изучать незначительные детали сигнала, такого как напряжение сток-исток в импульсных источниках питания, которые в противном случае были бы скрыты помехами.

Применение

Надлежащие методы измерений и компенсация пробника для точных измерений

При измерении сигналов с высокочастотными составляющими очень важно, чтобы контур, сформированный используемыми для измерения соединениями (соединения сигнального вывода и земли), был как можно короче. Подпружиненный наконечник пассивного пробника R&S ® RT-ZP10 в сочетании с подпружиненными контактами земли обеспечивают надежный контакт при минимальных шумах и помехах в измеряемом сигнале. Поэтому возможны измерения непосредственно на выводах и корпусе МОП-транзистора. Точная компенсация пробника также очень важна для измерений с высоким разрешением. Плохо скомпенсированный пробник — это источник ошибок измерений, которые также могут негативно влиять на предлагаемые здесь дифференциальные измерения. Для измерений на МОП-транзисторе, у которого отсутствует заземленный вывод, следует использовать активный дифференциальный пробник. В данном случае особенно полезным оказался активный дифференциальный пробник R&S ® RT-ZD10 (1 ГГц), поскольку он поставляется с дополнительным аттенюатором 10:1, который расширяет диапазон напряжений пробника до 70 В пост. тока/46 В перем. тока (пик).

Анализ очень мелких деталей сигнала в режиме высокой четкости

Благодаря опции высокой четкости R&S ® RTO-K17/R&S ® RTE-K17 пользователи получают очень гибкое средство повышения разрешения цифрового осциллографа R&S ® RTO/R&S®RTE. В программной опции для повышения разрешения осциллографа используется цифровая фильтрация. Максимально возможное напряжение в 16 разрядов позволяет выполнять подробный анализ, даже когда требуется чрезвычайно широкий динамический диапазон. Чтобы быстро настроить режим высокой четкости, требуется выполнить всего несколько действий:

• Нажмите кнопку «Mode» (Режим)
• На вкладке «Acquisition» (Сбор данных) нажмите кнопку «Option Mode» (Режим опции) и выберите вариант «High definition» (Высокая четкость)
• Отрегулируйте полосу пропускания. Полученное в результате разрешение отображается автоматически

Выбранная ширина полосы пропускания должна быть как можно меньше, чтобы получить достаточное разрешение, но как можно больше, чтобы сократить до минимума искажение сигнала вследствие фильтрации. Идеальную полосу пропускания для измерений следует определять в каждом конкретном случае.

Предотвращение проблем со смещением при расчете RDS(on)

При измерении таких сильно отличающихся уровней напряжения требуются дополнительные действия, чтобы получить правильный результат. Точности смещения осциллографов уже недостаточно, чтобы для расчета сопротивления R_DS(on) просто разделить напряжение сток-исток МОП-транзистора на ток стока. Когда пробники Роговского используются для измерения тока через вывод стока МОП-транзистора, можно измерить только переменную составляющую тока. Поэтому в результатах измерения тока на осциллографе присутствует постоянное смещение.

Эту проблему можно решить, так как наклон графика тока стока остается постоянным или приблизительно постоянным в течение определенного интервала времени, когда МОП-транзистор открыт. Далее предлагается дифференциальный метод для расчета сопротивления R_DS(on) в режиме высокой четкости:

• Отрегулируйте вертикальный масштаб осциллографа, чтобы максимальное напряжение сток-исток, включая пики, не превышало диапазон входного напряжения осциллографа. В противном случае при перегрузке и насыщении будет снижаться точность измерений напряжения сток-исток
• Посредством масштабирования отобразите напряжение сток-исток так, чтобы четко видеть наклон соответствующего графика
• Включите усреднение сигналов, чтобы устранить оставшийся нежелательный шум или помехи
• Измерьте наклон графика напряжения сток-исток, чтобы получить Δu_D
• Измерьте наклон графика тока стока МОП-транзистора в том же интервале времени, что и для Δu_D, чтобы получить Δi_D
• Рассчитайте R_DS(on) путем деления Δu_D на Δi_D

На снимке экрана показаны соответствующие измерения.

Использование усреднения сигнала в режиме высокой четкости с полосой пропускания 50 МГц для повышения разрешения по вертикали до 16 разрядов. Очень четко отображаются сигналы при сильном увеличении.

Заключение

Опция высокой четкости R&S ® RTO-K17/R&S ® RTE-K17 позволяет измерять детали сигнала, которые могут быть скрыты в шумах типовых 8-разрядных осциллографов. Возможно измерение параметров, таких как сопротивление R_DS(on) в импульсных источниках питания, в случае широкого динамического диапазона сигнала. Особое внимание следует уделять использованию надлежащих методов измерений и точной компенсации пробника, поскольку оба этих фактора могут оказывать значительное влияние на результаты измерений. Рекомендуется проверить точность результатов таких измерений с широким динамическим диапазоном посредством выполнения измерений в различных условиях.

Как выбрать mosfet.

В этой статье мы рассмотрим на какие параметры необходимо обратить внимание при выборе mosfet, работающего в ключевом режиме. Транзистор, работающий в ключевом режиме, можно представить себе как переключатель, который имеет два положения: включено и выключено. Обычно этот режим применяется для управления реле, лампочкой, двигателем и прочей нагрузкой, потребляющей большой ток.

1. Для начала надо узнать напряжение цепи в которой будет работать транзистор, это напряжение будет приложено к выводам Drain и Source.
Далее, необходимо отобрать транзисторы параметр Vds(Drain to Source Voltage ) которых минимум в 1.5 — 2 раза выше.

2. Другой не менее важный параметр — это ток, который мы хотим пропустить через транзистор. Максимальное значение тока, который можно пропустить через mosfet определяет параметр Id(Drain Current). Его значение также должно превышать реальный ток в 1.5 — 2 раза. Но это ещё не все, Id, в свою очередь, зависит от температуры.

На графике видно, что с увеличением температуры корпуса ток, который может пропустить через себя транзистор уменьшается. Поэтому реальное значение Id надо выбирать исходя из того, при какой температуре mosfet будет работать.

3.Так как мы собираемся управлять нагрузкой, у нас наверняка должна быть управляющая схема и нам необходимо узнать какое напряжение у неё на выходе. Это напряжение подаётся на вывод, именуемый затвором или gate.

Напряжение на затворе транзистора ограничивают два параметра:

• Vgs(th)(Gate to Source Threshold Voltage) – пороговое напряжение затвор-исток при котором начинает открываться переход сток-исток
• Vgs(Gate to Source Threshold Voltage) — максимальное напряжение затвор-исток

• Rds(on) — Drain to Source On Resistance — сопротивление перехода сток-исток в открытом состоянии

• Rds(on) @ 10 V = 2.5 Ohms
• Rds(on) @ 4.5 V = 3 Ohms

Зная Rds можно найти ток, который потечёт через транзистор, для этого надо к сопротивлению нагрузки прибавить значение Rds и напряжение цепи поделить на получившееся сопротивление.

I = U/(Rнагрузки + Rds)

Отлично мы нашли ток который потечёт через транзистор, теперь надо убедиться, что транзистор сможет пропустить этот ток при данном напряжении на затворе. Для этого находим график зависимости тока стока(Id) от напряжения на затворе(Vgs).

На этом графике представлена зависимость максимального Id от Vgs, если получившееся при расчётах значение меньше полученного из графика, идём дальше, если нет — ищем способ увеличить напряжение Vgs или другой транзистор.

5.Осталось только разобраться какая мощность будет выделяться на кристалле и способен ли эту мощность рассеять транзистор. И здесь есть один нюанс, обычно в даташите указывают максимальную мощность кристалла при температуре корпуса 25°

но не факт, что ту же мощность сможет рассеять корпус транзистора, по этой причине транзисторы часто устанавливают на радиатор.
Как узнать нужен ли радиатор?
Для начала надо рассчитать мощность которая выделяется на кристалле, считается она по следующей формуле

P = I²*Rds

Дальше открываем даташит и находим температурное сопротивление кристалл-окружающая среда RθJA

RθJA показывает на сколько изменится температура кристалла относительно окружающей среды, при изменении мощности на один ватт.
Теперь если умножить полученное количество ватт на этот параметр и прибавить температуру окружающей среды, можно вычислить температуру кристалла. А как известно она не должна превышать рабочую температуру кристалла (Operating Junction) равную 175°.

Если получившееся при расчёте значение превышает рабочую температуру кристалла, то необходимо транзистор установить на радиатор. Размеры радиатора конечно же можно и нужно рассчитать, но так как изготавливать радиатор вряд ли кто-то будет, выбираем его из имеющихся.