แรงดันเริ่มนำของ MOSFET ไม่ใช่แรงดันขับให้เปิดเต็ม

เมื่อเห็น MOSFET ระบุแรงดันเริ่มนำต่ำกว่าแรงดันควบคุมที่มีอยู่ อาจดูเหมือนนำมาใช้เป็นสวิตช์ได้ทันที แต่แรงดันเริ่มนำเพียงบอกจุดทดสอบที่กระแสเริ่มถึงค่าที่กำหนด ไม่ได้บอกว่าความต้านทานต่ำพอสำหรับโหลดจริง การเลือกสวิตช์ต้องอ่านเงื่อนไขความต้านทานขณะนำและข้อจำกัดเกตควบคู่กัน บทความนี้อธิบายผ่านโหลดตัวต้านทานบนไฟ 5 โวลต์ที่แยกจากระบบยานยนต์

ข้อมูลสามบรรทัดที่มีหน้าที่ต่างกัน

แรงดันเริ่มนำ VGS(th) ระบุแรงดันระหว่างเกตกับซอร์สที่ทำให้กระแสเดรนถึงค่าทดสอบภายใต้เงื่อนไขที่กำหนด ค่า RDS(on) ระบุความต้านทานระหว่างเดรนกับซอร์สเมื่อขับเกตและมีกระแสตามเงื่อนไขอีกชุดหนึ่ง ส่วนพิกัดแรงดันเกตสูงสุดเป็นขอบเขตความทนของโครงสร้าง ไม่ใช่แรงดันเป้าหมายที่ควรขับ ทั้งสามค่าจึงใช้แทนกันไม่ได้

หากวงจรควบคุมให้ได้ 3.3 โวลต์ แต่ผู้ผลิตระบุ RDS(on) เฉพาะเมื่อ VGS เท่ากับ 10 โวลต์ เราไม่ควรนำค่าความต้านทานนั้นไปคำนวณที่ 3.3 โวลต์แล้วประกาศว่าผ่าน แม้ค่าเริ่มนำจะต่ำกว่าสามโวลต์ก็ตาม อาจต้องเลือกรหัสที่รับรองความต้านทานที่แรงดันขับต่ำพอ หรือใช้วงจรขับที่เหมาะสม โดยยังตรวจพิกัดแรงดันเกต กระแส และความร้อน

1. 1
   VGS(th)

   บอกแรงดันเกตเทียบซอร์สที่กระแสถึงค่าทดสอบ ไม่รับรองว่ารับโหลดจริงด้วยความต้านทานต่ำ

2. 2
   RDS(on)

   อ่านค่าสูงสุดพร้อม VGS และกระแสที่รับรอง แล้วเทียบแรงดันขับที่วงจรให้ได้จริง

3. 3
   พิกัดเกต

   เป็นขอบเขตที่ห้ามเกินรวมยอดกระชาก ไม่ใช่ค่าเป้าหมายสำหรับขับทุกครั้ง

ข้อมูลสามรายการของ MOSFET ใช้แทนกันไม่ได้

สถานการณ์สมมติ: แรงดันตกเล็กกับแรงดันตกมากให้ความร้อนต่างกัน

สมมติใช้ MOSFET ช่องเอ็นเป็นสวิตช์ด้านกราวด์ โดยโหลด 100 โอห์มต่อจากไฟ 5 โวลต์มาที่เดรน และซอร์สต่อศูนย์โวลต์ หากเงื่อนไขการขับทำให้ความต้านทานขณะนำเป็น 0.20 โอห์มจริง กระแสจะเป็น 5 / 100.2 = 49.90 มิลลิแอมป์ แรงดันตกที่ MOSFET ประมาณ 9.98 มิลลิโวลต์ และกำลังสูญเสียประมาณ 0.498 มิลลิวัตต์ ตัวเลขนี้เป็นโจทย์สมมติ ไม่ใช่ค่าของรหัสใด

ถ้าขับเกตไม่เพียงพอแล้ววัดแรงดันเดรนเทียบซอร์สได้ 1.0 โวลต์ กระแสโหลดจะเป็น (5 − 1) / 100 = 40 มิลลิแอมป์ กำลังที่ MOSFET รับคือ 1 × 0.040 = 40 มิลลิวัตต์ แม้กระแสลดลง แต่กำลังสูญเสียกลับสูงกว่ากรณีเปิดดีมาก อย่านำค่า 1 โวลต์หารกระแสแล้วถือว่าเป็น RDS(on) ที่ผู้ผลิตรับรอง เพราะจุดทำงานนั้นอาจไม่ได้อยู่ในเงื่อนไขที่นิยามความต้านทานขณะนำ

เกตต้องวัดเทียบซอร์ส ไม่ใช่เทียบกราวด์ทุกครั้ง

แรงดันที่ควบคุมช่องนำคือผลต่าง VGS = VG − VS หากเกตเทียบกราวด์ได้ 3.3 โวลต์ แต่ซอร์สยกขึ้นเป็น 1.0 โวลต์ แรงดันที่มีผลจริงเหลือ 2.3 โวลต์ เหตุนี้ทำให้วงจรสวิตช์ด้านบวกและวงจรที่ซอร์สไม่ได้อยู่กราวด์ต้องใช้วิธีขับต่างจากตัวอย่างด้านกราวด์ การมองเฉพาะสัญญาณคำสั่งที่ขาควบคุมโดยไม่วัดซอร์สอาจทำให้เข้าใจว่าขับครบแล้วทั้งที่ไม่ครบ

แม้ซอร์สต่อกราวด์ตามแผนผัง เส้นทางกระแสจริงก็มีความต้านทานและความเหนี่ยวนำ การวัดที่จุดกราวด์ไกลจากขาซอร์สอาจไม่เห็นแรงดันเกตจริงในช่วงสวิตช์เร็ว การต่อหัววัดต้องเลือกจุดอ้างอิงให้ตรงและไม่ทำให้กราวด์เครื่องมือไปลัดวงจรส่วนอื่น สำหรับการทดลองแรกให้ใช้วงจรแรงดันต่ำแยกและสวิตช์ช้าหรือคงที่ก่อนศึกษาเรื่องการขับความถี่สูง

1. 1
   เปิดตามแบบจำลอง

   ถ้า RDS(on) = 0.20 โอห์ม กระแส 5 / 100.2 ≈ 49.90 มิลลิแอมป์

2. 2
   กำลังต่ำ

   VDS ≈ 9.98 มิลลิโวลต์ และกำลังประมาณ 0.498 มิลลิวัตต์

3. 3
   ขับไม่พอ

   ถ้าวัด VDS = 1.0 โวลต์ กระแสโหลดเหลือ (5 − 1) / 100 = 40 มิลลิแอมป์

4. 4
   กำลังกลับสูง

   MOSFET รับ 1 × 0.040 = 40 มิลลิวัตต์ จึงต้องดูทั้งกระแสและแรงดันตก

เปรียบเทียบสองจุดทำงานสมมติของโหลด 100 โอห์มจากไฟ 5 โวลต์

วิธีนำไปใช้เลือกและทดลอง MOSFET

1. ตรวจรหัส ขาเกต เดรน ซอร์ส และทิศไดโอดภายในจากเอกสารจริง ไม่เดาจากรูปแพ็กเกจ
2. อ่านค่าแรงดันเริ่มนำพร้อมกระแสทดสอบ แล้วแยกไปอ่าน RDS(on) สูงสุดที่แรงดันขับที่วงจรให้ได้
3. คำนวณกระแสโหลดและกำลังทั้งช่วงเปิดกับสภาพที่ยังมีแรงดันตกสูง พร้อมตรวจพื้นที่ทำงานและข้อจำกัดความร้อน
4. ประกอบวงจรสาธิต 5 โวลต์กับโหลดตัวต้านทานและแหล่งจ่ายจำกัดกระแส จัดให้เกตมีทางกำหนดสถานะปิดเมื่อขาควบคุมลอย
5. วัด VGS และ VDS ที่ขาชิ้นส่วนภายใต้โหลด แล้วเทียบผลกับเงื่อนไขในเอกสาร ไม่เพิ่มแรงดันเกตเกินขอบเขตเพื่อบังคับให้ผลตรง

ข้อผิดพลาดที่ทำให้คำว่าเปิดเต็มชวนเข้าใจผิด

MOSFET ไม่มีจุดเปิดเต็มเพียงแรงดันเดียวที่ใช้ได้ทุกกระแสและอุณหภูมิ คำนี้ในงานสวิตช์หมายถึงขับจนได้ความต้านทานเหมาะกับภาระตามข้อมูลที่รองรับ มากกว่าจะเป็นสภาวะตัดสินแบบศูนย์หรือหนึ่งอย่างสมบูรณ์ อีกทั้งคำว่าอิ่มตัวของ MOSFET ในทฤษฎีอุปกรณ์ไม่เหมือนการอิ่มตัวของทรานซิสเตอร์ไบโพลาร์ที่มักพูดถึงในงานสวิตช์ จึงควรอธิบายด้วย VGS, VDS, กระแส และ RDS(on) เพื่อลดความสับสน

การใช้มิเตอร์แตะเกตแล้วชิ้นส่วนค้างนำอาจเกิดจากประจุบนเกต ไม่ใช่การทดสอบที่รับรองความสามารถขับโหลด ส่วนวงจรที่เปิดปิดเร็วต้องรับส่งประจุเกตในเวลาจำกัด แม้กระแสเกตคงที่จะน้อยก็ยังต้องใช้กระแสขับระหว่างเปลี่ยนสถานะ การตรวจ VGS ด้วยค่าเฉลี่ยเพียงอย่างเดียวจึงไม่ยืนยันว่ารูปคลื่นเปิดปิดถูกต้องทั้งคาบ และไม่ควรใช้ผลทดลองกระแสต่ำไปยืนยันการทำงานที่กระแสสูงกว่าโดยไม่ประเมินใหม่

ตรวจสอบผลให้ตรงกับคำถามว่าใช้เป็นสวิตช์ได้หรือไม่

สำหรับตัวอย่างคงที่ ให้ตรวจว่ากระแสโหลดตรงกับแรงดันตกที่วัดได้หรือไม่ คำนวณกำลังจาก VDS × ID แล้วดูอุณหภูมิภายใต้ภาระที่กำหนด เมื่อสั่งปิดให้ตรวจสถานะเกตและแรงดันที่โหลด โดยคำนึงถึงทางผ่านของไดโอดภายใน หากเปลี่ยนแรงดันควบคุมหรือชิ้นส่วนให้ตรวจเงื่อนไข RDS(on) ใหม่ทุกครั้ง หลักฐานเหล่านี้ตอบได้ว่าสวิตช์ในวงจรสาธิตทำงานตามขอบเขตที่ตั้งไว้หรือไม่ แต่ยังไม่ใช่การยืนยันความเหมาะสมสำหรับวงจรรถหรือระบบความปลอดภัย