MOSFETs auswählen

Was man wissen muss

7. März 2007, 10:07 Uhr | Von Jonathan Harper und Enrique Rodriguez

MOSFETs gehören zu den wichtigsten Bauteilen elektrischer Systeme. Nichtsdestotrotz ist der Systemdesigner angesichts von Neuentwicklungen und Trends in der Fertigungstechnik gezwungen, mit diesen Veränderungen Schritt zu halten, um für das jeweilige Design passende Produkte bestimmen zu können. Im vorliegenden Artikel geht es darum, wie man mithilfe des Datenblatts den richtigen Baustein auswählt.

Oft müssen Ingenieure, die Experten für die Hauptfunktionen des Systems sind, mangels Ressourcen und Zeit auch die peripheren Subsysteme eines Boards entwickeln. Dazu kann zum Beispiel die Stromversorgung gehören. Allerdings besitzen viele Entwickler nicht die erforderliche Erfahrung, um solche Schaltungen zu entwickeln, und benötigen hierbei Unterstützung. Daher ist es für sie wichtig zu wissen, anhand welcher Kriterien sie einen MOSFET für ihr Design auswählen sollten.

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Es gibt zwei Typen von MOSFETs: N-Kanal- und PKanal- Typen. In Stromversorgungen fungieren diese Bauteile meist als elektrische Schalter. Der Schalter eines N-Kanal-MOSFET wird betätigt, wenn eine positive Spannung zwischen Gate und Source angelegt wird (Bild 1).

Ist der Baustein eingeschaltet, kann Strom vom Drain durch den Schalter und durch die Source fließen. Zwischen Drain und Source fällt Spannung ab, verursacht durch den Durchlasswiderstand R_DS(ON).

Hierbei ist es wichtig zu wissen, dass das Gate eines MOSFETs einen hohen Widerstand aufweist. Aufgrund dessen sollte am Gate immer eine Spannung anliegen. Andernfalls funktioniert der Baustein nicht ordnungsgemäß und kann sich ausoder einschalten, ohne dass dies beabsichtigt ist. Dies könnte einen Leistungsverlust im System zur Folge haben. Liegt zwischen Source und Drain keine Spannung an, wird der Schalter ausgeschaltet und der durch den Baustein hindurch fließende Strom wird unterbrochen. Obwohl der Baustein ausgeschaltet ist, fließt immer noch ein kleiner Strom, Leckstrom oder I_DSS genannt.

Der erste Schritt beim Auswählen des passenden Bausteins für ein Design besteht darin zu bestimmen, ob ein N-Kanal- oder ein P-Kanal-MOSFET verwendet werden soll. Sind der Schalter an Masse und die Last an der Busspannung angeschlossen, fungiert der MOSFET als Low-Side- Schalter (Bild 2). In diesem Fall kommt ein N-Kanal- Baustein zum Einsatz, da zum Ein- und Ausschalten des Bausteins Spannung benötigt wird.

Kommt ein MOSFET als High-Side-Schalter zum Einsatz, so liegt er zwischen Busspannung und der Last (Bild 3). In der Regel kommt in dieser Topologie ein P-Kanal- MOSFET zum Einsatz, und zwar wegen der einfacheren Ansteuerung. Um den richtigen Baustein für eine Anwendung auszuwählen, muss der Entwickler die zur Steuerung des Bausteins benötigte Spannung bestimmen und herausfinden, welcher der Bausteine sich am einfachsten in dem Design implementieren lässt.

Der nächste Schritt besteht darin, die erforderliche Nennspannung oder die maximale Spannung zu bestimmen, mit welcher der Baustein arbeiten kann. Je größer die Nennspannung ist, desto größer sind die mit dem Baustein verbundenen Kosten. Als Faustregel gilt, dass die Nennspannung größer als die Versorgungsspannung oder Busspannung sein sollte. Dies sorgt für ausreichenden Schutz, um einen Ausfall des MOSFETs zu verhindern.

Um den MOSFET auszuwählen, muss man die größtmögliche Spannung bestimmen, die zwischen Drain und Source auftreten kann. Diese wird auch als V_DSmax bezeichnet. Allerdings variiert dieser Wert mit der Temperatur. Daher muss der Entwickler den gesamten für den Betrieb zugelassenen Temperaturbereich betrachten. Die Nennspannung muss für solche Schwankungen einen ausreichend großen Toleranzbereich aufweisen, um einen Ausfall des Stromkreises zu verhindern. Zu den weiteren Sicherheitsaspekten, die der Designentwickler beachten sollte, zählen Spannungstransienten, wie sie beispielsweise Motoren und Transformatoren verursachen. Typische Nennspannungen für verschiedene Anwendungen variieren zwischen 20 V für tragbare Geräte, 20 V bis 30 V für die Stromversorgung von FPGAs und 450 V bis 600 V für Anwendungen an der Netzspannung (230 V).