كيفية حماية دوائر MOSFET - شرح الأساسيات

في هذا المنشور ، نتعلم بشكل شامل كيفية حماية mosfets ومنع حرق mosfet في الدوائر الإلكترونية باتباع بعض الإرشادات الأساسية المتعلقة بتخطيط PCB الصحيح والتعامل اليدوي الدقيق مع هذه الأجهزة الحساسة.

مقدمة

حتى بعد توصيل كل شيء بشكل صحيح ، تجد أن mosfets في دائرتك يصبح ساخنًا وينفجر في غضون دقائق. هذه مشكلة شائعة جدًا يواجهها معظم الهواة الجدد وذوي الخبرة أثناء تصميم وتحسين الدوائر القائمة على mosfet خاصة تلك التي تتضمن ترددات عالية.

من الواضح أن توصيل جميع الأجزاء بشكل صحيح وفقًا للتفاصيل المحددة هو الشيء الرئيسي الذي يجب فحصه وتأكيده أولاً قبل افتراض مشكلات أخرى ، لأنه ما لم يتم وضع الأشياء الأساسية بشكل صحيح تمامًا ، فسيكون من غير المعنى تتبع الأخطاء المخفية الأخرى في دائرتك .

يصبح تطبيق الحماية الأساسي Mosfet أمرًا بالغ الأهمية على وجه التحديد في تلك الدوائر التي تتضمن ترددات عالية بترتيب العديد من كيلوهرتز. وذلك لأن التطبيقات عالية التردد تستدعي تشغيل وإيقاف تشغيل الأجهزة بسرعة (داخل ns) الأمر الذي يتطلب بدوره التنفيذ الفعال لجميع المعايير المرتبطة بشكل مباشر أو غير مباشر بالتحويل المعني.

إذن ما هي العوائق الرئيسية التي تسبب التبديل غير المناسب أو غير الفعال لل mosfets ، دعنا نتعلم بشكل شامل كيفية حماية mosfets بالنقاط التالية.

تخلص من الحث الضال:

الخطأ الأكثر شيوعًا في قائمة الانتظار هو الحث الضال الذي قد يكون مخفيًا داخل مسارات الدائرة. عندما يكون تردد التبديل والتيار مرتفعًا ، فقد تؤدي حتى أدنى زيادة غير ضرورية في مسار الاتصال وهو مسار ثنائي الفينيل متعدد الكلور إلى الحث المترابط والذي بدوره قد يؤثر على سلوك mosfet بشكل كبير بسبب التوصيل غير الفعال والعبور والارتفاعات.

للتخلص من هذه المشكلة ، يوصى بشدة بالحفاظ على المسارات أوسع والحفاظ على الأجهزة قريبة قدر الإمكان لبعضها البعض ولبرنامج التشغيل IC الذي يتم استخدامه لقيادة mosfets المعنية.

لهذا السبب يُفضل SMD وهو أفضل طريقة للقضاء على الحث المتقاطع عبر المكونات ، كما يساعد استخدام ثنائي الفينيل متعدد الكلور على التحكم في المشكلة نظرًا لتوصيلاته القصيرة 'المطبوعة من خلال الفتحة' عبر المكونات.

حتى ارتفاع الوقوف للموسفيت يجب أن يتم تقليله إلى الحد الأدنى عن طريق إدخال الرصاص في العمق قدر الإمكان في ثنائي الفينيل متعدد الكلور ، ربما يكون استخدام SMD هو الخيار الأفضل.

نعلم جميعًا أن mosfets تتضمن مكثفات مدمجة تتطلب الشحن والتفريغ من أجل توصيل الجهاز.

ترتبط هذه المكثفات بشكل أساسي عبر البوابة / المصدر والبوابة / الصرف. Mosfets 'لا تحب' التأخير لفترات طويلة في الشحن والتفريغ من السعة لأن هذه مرتبطة مباشرة بكفاءتها.

قد يبدو أن توصيل mosfets مباشرة بمخرج مصدر منطقي يحل هذه المشكلة ، لأن المصدر المنطقي من شأنه أن يبدل السعة من Vcc إلى الصفر بسهولة ويغرقها بسرعة ، والعكس صحيح بسبب عدم وجود أي عقبة في مسارها.

ومع ذلك ، فإن تنفيذ الاعتبارات المذكورة أعلاه يمكن أن يؤدي أيضًا إلى توليد ارتفاعات عابرة وسلبية ذات اتساعات خطيرة عبر الصرف والبوابة مما يجعل mosfet عرضة للارتفاعات المتولدة بسبب التبديل المفاجئ للتيار العالي عبر الصرف / المصدر.

هذا يمكن أن يكسر بسهولة فصل السيليكون بين أقسام موسفيت مما يجعل دائرة كهربائية قصيرة داخل الجهاز ، ويتلفها بشكل دائم.

أهمية مقاومة البوابة:

للتخلص من المشكلة المذكورة أعلاه ، يوصى باستخدام المقاوم منخفض القيمة بالتسلسل مع المدخلات المنطقية وبوابة mosfet.

مع الترددات المنخفضة نسبيًا (50 هرتز إلى 1 كيلو هرتز) ، يمكن أن تكون القيمة في أي مكان بين 100 و 470 أوم ، بينما بالنسبة للترددات الأعلى من هذا يمكن أن تكون القيمة ضمن 100 أوم ، بالنسبة للترددات الأعلى بكثير (10 كيلو هرتز وما فوق) يجب ألا يتجاوز هذا 50 أوم .

يسمح الاعتبار أعلاه بالشحن الأسي أو الشحن التدريجي للمكثفات الداخلية مما يقلل أو يقلل من فرص حدوث ارتفاعات سلبية عبر مسامير التصريف / البوابة.

باستخدام الثنائيات العكسية:

في الاعتبار أعلاه ، يقلل الشحن الأسي لسعة البوابة من فرص حدوث ارتفاعات ولكن هذا يعني أيضًا أن تفريغ السعة المعنية سيتأخر بسبب المقاومة في مسار المدخلات المنطقية ، في كل مرة يتحول فيها إلى الصفر المنطقي. إن التسبب في تأخير التفريغ يعني إجبار mosfet على العمل في ظل ظروف مرهقة ، مما يجعله أكثر دفئًا دون داع.

يعد تضمين الصمام الثنائي العكسي الموازي لمقاومة البوابة دائمًا ممارسة جيدة ، ويعالج ببساطة التفريغ المتأخر للبوابة من خلال توفير مسار مستمر لتفريغ البوابة عبر الصمام الثنائي وفي المدخلات المنطقية.

يمكن تضمين النقاط المذكورة أعلاه المتعلقة بالتنفيذ الصحيح للـ mosfets بسهولة في أي دائرة من أجل حماية Mosfets من الأعطال الغامضة والحرق.

حتى في التطبيقات المعقدة مثل دوائر سائق mosfet نصف جسر أو جسر كامل مع بعض الحماية الإضافية الموصى بها.

باستخدام المقاوم بين البوابة والمصدر

على الرغم من أننا لم نشير إلى هذا التضمين في الصور السابقة ، إلا أنه يوصى بذلك بشدة لحماية mosfet من النفخ تحت جميع الظروف.

إذن كيف يوفر المقاوم عبر البوابة / المصدر حماية مضمونة؟

حسنًا ، عادةً ما يميل mosfets إلى الإغلاق كلما تم تطبيق جهد تبديل ، قد يكون من الصعب أحيانًا عكس تأثير الإغلاق ، وبحلول الوقت الذي يتم فيه تطبيق تيار تحويل معاكس يكون قد فات الأوان.

يضمن المقاوم المذكور أنه بمجرد إزالة إشارة التبديل ، يمكن لـ mosfet إيقاف التشغيل بسرعة ، ومنع حدوث تلف محتمل.

يمكن أن تتراوح قيمة المقاوم هذه بين 1 كيلو و 10 كيلو ، ولكن القيم المنخفضة ستوفر نتائج أفضل وأكثر فعالية.

الحماية من الانهيار الجليدي

قد تتضرر دوائر MOSFET إذا زادت درجة حرارة الوصلة فجأة عن الحد المسموح به بسبب ظروف الجهد الزائد عبر الثنائيات الداخلية للجسم. يُطلق على هذا الحدوث أنه انهيار جليدي في دوائر الترانزستورات الدقيقة.

يمكن أن تنشأ المشكلة عند استخدام الحمل الاستقرائي في جانب الصرف من الجهاز ، وأثناء فترات إيقاف تشغيل MOSFET ، يصبح EMF العكسي للمحث الذي يمر عبر الصمام الثنائي للجسم MOSFET مرتفعًا للغاية ، مما يتسبب في ارتفاع مفاجئ في درجات حرارة تقاطع MOSFET ، و انهياره.

يمكن معالجة المشكلة عن طريق إضافة صمام ثنائي خارجي عالي الطاقة عبر محطات الصرف / المصدر للوحدات MOSFET ، بحيث يتم مشاركة التيار العكسي عبر الثنائيات ، ويتم التخلص من توليد الحرارة الزائدة.

حماية Mosfets في دوائر H-Bridge من الاحتراق

أثناء استخدام دائرة سائق جسر كامل تتضمن برنامج تشغيل IC مثل IR2110 بالإضافة إلى ما سبق ، يجب وضع الجوانب التالية في الاعتبار (سأناقش هذا بالتفصيل في إحدى مقالاتي القادمة قريبًا)

• أضف مكثفًا للفصل بالقرب من مثبتات إمداد المحرك IC ، سيؤدي ذلك إلى تقليل انتقالات التبديل عبر منافذ الإمداد الداخلية والتي بدورها ستمنع منطق الإخراج غير الطبيعي إلى بوابات mosfet.
• استخدم دائمًا مكثفات عالية الجودة من النوع ESD منخفض التسرب ومكثفات منخفضة التسرب لمكثف التمهيد ، وربما استخدم زوجًا منها على التوازي. استخدم ضمن القيمة الموصى بها الواردة في ورقة البيانات.
• قم دائمًا بتوصيل روابط mosfet الأربعة في أقرب مكان ممكن من بعضها البعض. كما هو موضح أعلاه ، سيقلل هذا من الحث الشارد عبر mosfets.
• و ، قم بتوصيل مكثف ذو قيمة كبيرة نسبيًا عبر الجانب العالي الموجب (VDD) ، والأرض الجانبية المنخفضة (VSS) ، سيؤدي ذلك إلى تأريض كل المحاثة الشاردة التي قد تكون مختبئة حول التوصيلات.
• انضم إلى VSS ، وأرض mosfet المنخفضة الجانبية ، وأرض الإدخال المنطقي معًا ، وانتهي في أرضية سميكة مشتركة واحدة لمحطة الإمداد.
• أخيرًا وليس آخرًا ، اغسل اللوحة جيدًا باستخدام الأسيتون أو عامل مضاد للتدفق مماثل لإزالة جميع الآثار المحتملة لتدفق اللحام لتجنب التوصيلات الداخلية والسراويل القصيرة المخفية.

حماية Mosfets من ارتفاع درجة الحرارة

غالبًا ما تعاني مخفتات الإضاءة من أعطال MOSFET. معظم مخفتات الإضاءة المستخدمة في التطبيقات الصناعية ذات درجة الحرارة المنخفضة تكون مغلقة وغالبًا ما تكون مدمجة في الحائط. يمكن أن يسبب ذلك مشاكل في تبديد الحرارة ، ويمكن أن يؤدي إلى تراكم الحرارة - مما يؤدي إلى حدث حراري. عادةً ، تفشل MOSFET المستخدمة في دوائر باهتة الإضاءة في 'الوضع المقاوم'.

توفر الحماية الحرارية القابلة لإعادة التدفق أو RTP من TE Connectivity إجابة لفشل MOSFET في تطبيقات التيار المتردد ذات درجات الحرارة المنخفضة.

يعمل هذا الجهاز كمقاوم منخفض القيمة في درجات حرارة التشغيل العادية للـ MOSFET. يتم تثبيته مباشرة تقريبًا على MOSFET ، وبالتالي فهو قادر على استشعار درجة الحرارة بدقة. إذا انجرف MOSFET لأي سبب من الأسباب إلى حالة درجة حرارة عالية ، يتم استشعار ذلك بواسطة RTP ، وعند درجة حرارة محددة مسبقًا ، يتغير RTP إلى مقاوم عالي القيمة.

يؤدي هذا إلى قطع الطاقة عن MOSFET بشكل فعال ، مما يحفظها من الدمار. وبالتالي ، فإن المقاوم الأقل سعرًا يضحي بنفسه لتوفير MOSFET باهظ الثمن. يمكن تشبيه مماثل باستخدام الصمامات (مادة منخفضة القيمة) في حماية الدوائر الأكثر تعقيدًا (مثل التلفزيون).

أحد الجوانب الأكثر إثارة للاهتمام في RTP من TE Connectivity هو قدرته على تحمل درجات حرارة هائلة - تصل إلى 260 درجة مئوية. هذا مفاجئ لأن تغيير المقاومة (لحماية MOSFET) يحدث عادة عند حوالي 140 درجة مئوية.

يتم تحقيق هذا العمل الفذ المعجزة من خلال التصميم المبتكر بواسطة TE Connectivity. يجب تنشيط RTP قبل أن يبدأ في حماية MOSFET. يحدث التنشيط الإلكتروني لـ RTP بعد اكتمال لحام التدفق (المرفق). يجب أن يتم تسليح كل RTP بشكل فردي عن طريق إرسال تيار محدد عبر دبوس التسليح الخاص بـ RTP لفترة زمنية محددة.

تعد خصائص الوقت الحالي جزءًا من مواصفات RTP. قبل أن يتم تسليحها ، ستتبع قيمة المقاوم الخاص بـ RTP الخصائص المحددة. ومع ذلك ، بمجرد تسليحها ، سيتم فتح دبوس التسليح كهربائيًا - مما يمنع إجراء المزيد من التغييرات.

من المهم جدًا اتباع التصميم المحدد بواسطة TE Connectivity عند تصميم وتركيب MOSFET و RTP على PCB. نظرًا لأن RTP يجب أن يستشعر درجة حرارة MOSFET ، فمن الطبيعي أن يظل الاثنان على مقربة.

ستسمح مقاومة RTP بما يصل إلى 80 أمبير من التيار عند 120 فولت تيار متردد عبر MOSFET طالما ظلت درجة حرارة MOSFET أقل من درجة الحرارة المفتوحة لـ RTP ، والتي يمكن أن تكون بين 135-145 درجة مئوية.