Как выбрать мосфет для шим
Управление mosfet’ом с помощью шим.
В одной из прошлых статей мы рассматривали как выбрать mosfet, работающий в ключевом режиме, но в ней ни слова не было сказано про потери мощности, возникающие в результате переключения ключа, или так называемые динамические потери.
А теперь то же самое на понятном языке, представим что у нас есть моторчик и мы хотим его включить, для этого надо подать на него напряжение. Если мы хотим включать моторчик в определённые моменты времени на 10 секунд, то удобно будет последовательно с ним поставить кнопку и нажимать её, когда хотим включить моторчик. Микроконтроллер кнопки нажимать не умеет, поэтому для управления двигателем с помощью микроконтроллера мы заменим кнопку mosfet’ом, в таком случае говорят, что mosfet работает в ключевом режиме, то есть как кнопка или ключ. Как выбрать mosfet для работы в таком режиме мы рассмотрели в этой статье.
Давайте немного изменим задачу, теперь мы хотим управлять скоростью вращения моторчика, используя всё тот же mosfet(моторчик у нас мощный и напрямую подать на него ШИМ нельзя). Самый простой способ сделать это, подать ШИМ на затвор mosfet’а, теперь изменяя коэффициент заполнения ШИМ мы, будем изменять среднее значение напряжения на затворе, таким образом сможем регулировать скорость вращения моторчика. Отличие этого примера от предыдущего в том, что переключение происходит часто, поэтому необходимо учитывать потери мощности на переключение, другими словами, динамические потери.
В таком случае формула для N-mosfet’а будет выглядеть следующим образом:
Начнём с первого слагаемого, которое отвечает за потери мощности на проводимость. Думаю у кого-то мог возникнуть вопрос, откуда там взялась буква D и что она значит?
Буквой D обозначают коэффициент заполнения(Duty Cycle), которая рассчитывается как отношение длительности сигнала к периоду следования импульсов.
Интуитивно понятно, что так, как ключ открыт не постоянно, а открывается на определённое время каждый период, то это надо учитывать, но почему надо умножать именно на коэффициент заполнения?
Для того чтобы разобраться в этом вопросе, давайте посмотрим на картинку ниже.
На картинке видно, что мощность во временной области проявляется всплесками, но при расчётах удобнее будет если мощность будет величиной постоянной во времени, для этого необходимо найти её среднее значение.
Как это сделать?
Мы можем мощность, выделяющуюся во время всплеска равномерно размазать по всему периоду, таким образом получим среднее значение мощности, которое будет выделяться на протяжении всего периода. А так как периоды повторяются то и мощность во временной области станет величиной постоянной. Размазать мощность по периоду очень просто, для этого надо мощность, которая выделяется во время всплеска разделить на период и умножить на время всплеска, что мы и делаем в первом слагаемом.
Всё с первым слагаемым разобрались, перейдём ко второму, которое как раз и отвечает за динамические потери, на рисунке они обозначены жёлтыми треугольниками с надписью Psw.
Причём вершина графика мощности, будет находиться в точке Id/2 и Uds/2, предлагаю запомнить эти значения, дальше мы ими воспользуемся.
Для теоретического расчёта потерь мощности на переключение, необходимо найти площадь «колокольчика», нарисованного серым цветом, а это значит вычислить интеграл, но, мне кажется, многим читателям это не будет интересным, по этому просто советую запомнить, что потери мощности при переключении примерно равны:
А теперь словами: «СРЕДНЕЕ значение ЗА ВРЕМЯ АКТИВНОГО РЕЖИМА примерно равно половине пиковой мощности.»
Почему примерно?
Потому что на самом деле они чуть меньше и мы берём с небольшим запасом. Как видно, значения, которые предлагал запомнить, необходимы для нахождения пиковой мощности.
Теперь надо сделать то же самое, что мы сделали выше, размажем полученную мощность по всему периоду, для этого умножим её на время переключения и разделим на время одного периода, таким образом получим среднее значение мощности за период. А как мы помним периоды повторяются, поэтому мощность можно считать постоянной во времени.
В формуле операция деление на период заменена, умножением на частоту.
Что касается времени переключения, проще всего для его нахождения воспользоваться полным зарядом затвора Qg (который нормируется при заданных Vds, Id и Vgs), взятым из даташита. Тогда ток затвора можно будет найти по формуле Ig = Qg/t, где t — требуемое время переключения.
Почему написал, что это самый простой способ, ведь можно воспользоваться значением ёмкостей? Потому что ёмкости сильно нелинейны и зависят от напряжений и ещё необходимо учитывать эффект Миллера. А полный заряд затвора(Qg) разработчики ввели специально для того, чтобы облегчить нам жизнь.
В принципе на этом можно было бы закончить, но ещё кое-чем хотелось бы поделиться. Если первую формулу переписать через скважность(S) и скважность активного режима(Sa).
Самые важные параметры преобразователей VRM материнских плат
Содержание
Содержание
Модуль регулятора напряжения материнской платы состоит из множества радиоэлементов: начиная от ШИМ-контроллера, который является центром управления, и заканчивая умножителями и мосфетами. Давайте разберемся, какие у них бывают технические характеристики и что это дает на практике.
В предыдущих статьях цикла мы уже выяснили, из чего состоит VRM. Также рассмотрели пять различных топологий, которые применяют производители плат. Перед прочтением материала рекомендуем сперва ознакомиться с этими публикациями.
ШИМ-контроллеры
Основной параметр контроллера — количество каналов управления.
Центральный процессор состоит из двух функциональных узлов, которые питаются через отдельные линии питания: VDD — это ядра процессора, а в SoC входят интегрированная графика и контроллер памяти. Получается, что ШИМ-контроллер состоит из двух контроллеров, которые работают независимо, но расположены в одном корпусе. Первая часть каналов используется для формирования напряжения питания VDD, а вторая — для SoC.
Сам преобразователь VRM тоже делится на два независимых канала. Они обозначаются в схеме питания как А + В, где А — количество каналов для формирования напряжения VDD; а В — количество для SoC.
Разберем на примерах. В материнской плате GIGABYTE A520M DS3H реализована схема питания 5 + 3. Пять каналов предназначены для VDD, три формируют напряжение для SoC. Применяемый в плате контроллер Renesas RAA 229004 способен работать и по схеме 6 + 2, все зависит от производителя. Топология преобразователя VRM классическая: один канал ШИМ-контроллера управляет одной фазой.
В GIGABYTE B550 AORUS Elite V2 используется контроллер Intersil RAA 229004 со схемой питания 12 + 2. Корректней будет записать ее (6 × 2) + 2. Шесть каналов контроллера через удвоители управляют 12 фазами питания VDD, еще два канала — двумя фазами, формирующими напряжение для SoC.
В материнской плате ASUS TUF Gaming Z590-Plus реализована схема 14 + 2 [корректней (7 × 2) + (1 × 2)]. Восьмиканальный ШИМ-контроллер ASP1900B использует семь каналов, которые через удвоители управляют 14 фазами питания VDD, а последний канал (тоже через даблер) выдает напряжение на SoC.
Умножители
Они предназначены для кратного увеличения количества фаз и увеличения результирующей мощности VRM. Подробнее читайте здесь.
Умножители распределяют импульсы поочередно, поэтому частота на каждом из выходов удвоителя (400 кГц) будет вдвое ниже частоты на входе (800 кГц).
А для учетверителя — в четыре раза ниже (200 кГц):
В материнской плате GIGABYTE Z490 Aorus Xtreme используются даблеры Renesas ISL 6617. Они удваивают восемь каналов ШИМ-контроллера Renesas ISL 69269 до 16 фаз.
Также в ее VRM применяется интересное техническое решение. Для питания функциональных узлов процессора используются разные ШИМ-контроллеры. На VDD напряжение формирует восьмиканальный Renesas ISL 69269, а для SoC — одноканальный Richtek RT9018B.
Мосфеты
Ключевым параметром мосфета является Rds (Resistanse drain to source, в переводе «сопротивление сток — исток»). От него зависит, какая мощность будет выделяться на корпусе в виде тепла. Эти потери определяют КПД всего функционального узла, в котором используется мосфет. Чем ниже Rds — тем лучше. Подробнее об устройстве и работе полевого транзистора читайте здесь.
Разберем на примере. Выделяемая мощность — это произведение квадрата протекаемого тока на его сопротивление: P = I 2 × R. Если последнее велико (примем 0,1 Ом), то при токе 20 А мощность составит 40 Вт (20 2 × 0,1 = 40). Это довольно большая величина, которая способна вывести мосфет из строя. Чтобы предотвратить подобное, нужно уменьшить ток. То есть, при большом сопротивлении максимальный ток ограничивается мощностью рассеивания, даже если кристалл мосфета способен пропускать гораздо больше.
Хорошим значением Rds считается диапазон от 0,001 до 0,003 Ом. В таком случае мощность составит от 0,4 Вт до 1,2 Вт.
Мосфеты обладают положительным коэффициентом сопротивления, что является негативным фактором. Это значит, что при увеличении их температуры Rds тоже увеличивается.
Еще один параметр, о котором стоит упомянуть — максимальный ток мосфета (ID). Это величина, которую полевой транзистор способен пропустить через себя, работая в ключевом режиме на предельной температуре кристалла. При известном значении Rds этот ток определяет максимальную рассеиваемую мощность (Pmax = ID 2 × Rds).
Третья важная характеристика — максимальная частота. Чтобы о ней поговорить, сперва нужно разобраться, какие бывают сборки мосфетов.
Сборка в одном корпусе с драйвером
В 2004 году Intel разработала технологию DrMOS. Название составили из начальных частей слов Driver и MOSFET. Инженеры компании упаковали в одном корпусе микросхемы сразу несколько элементов: драйвер и оба силовых ключа (верхнего и нижнего плеча).
Элементы в такой схеме располагаются очень компактно. Длина соединительных линий стала меньше, что привело к уменьшению паразитных индуктивностей и емкостей. В результате частота переключения мосфетов, при которой сохраняются требуемые параметры по тепловыделению и КПД, увеличилась до четырех раз. Помимо этого, удалось добиться наилучшего согласования выходных параметров драйвера с входными характеристиками мосфетов.
Экономия площади текстолита — еще одно достоинство, что особенно актуально для материнских плат формата mATX. Но есть и недостаток. Если дискретный силовой ключ или драйвер выйдут из строя, то можно перепаять их отдельно. В случае DrMOS придется менять всю микросхему, что значительно дороже.
DrMOS используют большинство производителей. Например, компания ASUS применила их для VRM материнской платы ROG STRIX B550-F GAMING.
Сборка в одном корпусе, но драйвер отдельно
В такой гибридной компоновке два силовых ключа соединяют в единый коммутатор, а драйвер располагают отдельно.
Мосфеты подбираются с параметрами, которые обеспечивают сбалансированную работу в паре. С одной стороны, экономится площадь материнской платы, а с другой — немного увеличивается ремонтопригодность (в сравнении с DrMOS).
Дискретная компоновка
Несмотря на то, что эта схема самая «древняя» и кажется устаревшей, до сих пор выпускается множество материнских плат с раздельными мосфетами и драйвером.
Главный недостаток — невысокая скорость переключения силовых ключей. Из-за длинных связей между элементами, паразитные индуктивности здесь гораздо больше. Поэтому максимальная частота переключения мосфетов значительно ниже, чем у DrMOS. Она составляет примерно 0,5 МГц, тогда как совместная сборка с драйвером позволяет поднять ее вплоть до 2 МГц:
Недостатки и преимущества обратны DrMOS. С одной стороны, хорошая ремонтопригодность. Но с другой, используется бо́льшая площадь текстолита платы.
Компоновка VRM с дискретными ключами и драйверами применяется, например, в материнской плате MSI MAG B560M MORTAR.
Как выбрать мосфет для шим
Было собрано огромное количество таких устройств, работают уже долго, MOSFET-ы не греются (вообще холодные). В общем меня все устраивало пока не поступила заявка на ШИМ управление такой нагрузки:
Вопрос такого плана: так как же проще всего управлять таким MOSFET? Спасибо! 
YS  | ||||
Карма: 69 |
| |||
| ||||
| mihail.kapitanov | |||
Зарегистрирован: Сб мар 23, 2013 18:06:56 |
| ||
| |||
| Satyr | ||||
Карма: 26 |
| |||
| ||||
| Дмитрий М | ||||
Карма: 49 |
| |||
| ||||
| YS | ||||
Карма: 69 |
| |||
| ||||
| mihail.kapitanov | |||
Зарегистрирован: Сб мар 23, 2013 18:06:56 |
| ||
| |||
| mihail.kapitanov | |||
Зарегистрирован: Сб мар 23, 2013 18:06:56 |
| ||
| |||
