¿Qué decisiones de diseño debo tomar para seleccionar un MOSFET de canal P adecuado?

Necesito un PFET con una puerta de nivel lógico para activar una conexión de alimentación a un servo de pasatiempo que extrae más corriente de la que puede manejar mi pin MCU. ... Estoy tratando de entender cómo diseñar el circuito para poder elegir entre los dispositivos disponibles que satisfagan mis necesidades y eliminar los que no.

Esta es una respuesta deliberadamente excesivamente detallada a la consulta.
Está pensado como una especie de tutorial en la selección de componentes en general y en la selección de pequeños MOSFET específicamente. Esta no es una aplicación especialmente exigente y en algunos otros casos pueden requerirse muchos más detalles.

Los objetivos incluyen mostrar lo que puede estar involucrado en un proceso típico de selección de componentes relativamente simple, qué tipo de factores no tan obvios pueden ocultarse en segundo plano y cómo, mediante el refinamiento selectivo, una cantidad desconcertantemente grande de dispositivos disponibles puede reducirse a una más manejable y más eficiente. pequeño subconjunto apropiado.

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Establecer el objetivo:

De los miles de MOSFET disponibles, se puede elegir un subconjunto que cumpla con la especificación de diseño determinando cuál es la especificación de diseño. Esto no necesita hacerse con un detalle infinito. El simple hecho de "aproximar" los valores aceptables para una serie de parámetros reduce rápidamente las opciones a niveles (más) manejables. A continuación, usaré abreviaturas relativamente estándar con significados aproximados dados o ninguno en absoluto, ya que se pueden entender rápidamente al inspeccionar las hojas de datos o las tablas de selección o la literatura.

Vdsmax: limitado por la tensión de funcionamiento.

El MOSFET debe funcionar con 5 V, por lo que una clasificación de Vds de 10 V o más está potencialmente bien. Pero un Vds de 20 V o más es común, y más "margen libre" brinda más robustez y resistencia a "las pequeñas cosas que salen mal", como los picos inductivos, así que comience configurando Vds >= 20V. Este y otros parámetros se pueden aflojar si el rango disponible resulta demasiado bajo.

Idsmax - corriente máxima de funcionamiento continuo.

El MOSFET debe manejar la corriente servo máxima fácilmente. No dice qué es eso, por lo que se supone que 1A será muy adecuado. Si este no es el caso, se puede seleccionar un valor diferente. El MOSFET necesita una clasificación IDsmax de 1A, pero una mayor es común y generalmente útil. Un Idsmax más alto que el requerido en funcionamiento generalmente da como resultado dispositivos con una resistencia de encendido más baja, por lo que se reducen las pérdidas a la corriente de funcionamiento deseada.

Rdson - Resistencia cuando está "totalmente mejorada".

La caída de voltajecuando se enciende debe ser lo suficientemente pequeño para mantener las pérdidas térmicas en el MOSFET a un nivel aceptable. Aceptable puede basarse en el control de temperatura del MOSFET, sin demasiada pérdida en el voltaje disponible para los aspectos de presupuesto de carga y energía). En este caso, una resistencia "totalmente encendida" de 0,1 ohmios o menos probablemente esté bien y una mayor puede ser aceptable. A 1A, un Rdson de 0,1 ohmios cae 0,1 V, disipa 100 mW o el 2 % de un suministro de 5 V. A 2A y Rdson de 0,2 ohmios cae 0,4 V y disipa 800 milivatios o el 4 % de un suministro de 5 V. El primero (0.1 Ohm, 1A) es casi seguro aceptable en la mayoría de los casos y ciertamente para un servo y puede ser manejado por un transistor SOT23 SMD con cobre PCB sensible. Este último (0,2 ohmios, 2A) es térmicamente molesto para la mayoría de los usos de SOT23, pero generalmente estaría bien con un paquete DPak, por ejemplo, la caída de voltaje puede ser inaceptable en algunos casos y el % de pérdida de energía probablemente sea generalmente aceptable. por lo tanto, Rdson <= 100 miliohmios será aceptable en 1A y, en muchos casos, un PFET moderno dará niveles de Rdson más bajos.

Rdson - valores típicos y del mundo real.Es importante tener en cuenta que los valores MOSFET Rdson generalmente (pero no siempre) se especifican para valores de pulso estúpidamente cortos en ciclos de trabajo inusualmente bajos. Esto significa que la temperatura de la unión está dominada principalmente por la temperatura del troquel y permanecerá cerca de la temperatura ambiente durante el pulso corto y tendrá suficiente tiempo para enfriarse antes del siguiente pulso. En la mayoría de las situaciones del mundo real, se utilizan tiempos de activación mucho más prolongados y ciclos de trabajo más altos, y las temperaturas de unión están más dominadas por el divisor termorresistivo entre la unión y el ambiente, y serán más altas o mucho más altas. Como regla general, casi siempre es seguro asumir que, en el peor de los casos, Rdson no será más del doble del valor de 25C. En algunos casos, es casi el doble y, en otros, tal vez solo un 20% más, por lo que es necesario verificar las hojas de datos. Tenga en cuenta que los valores tabulares de la hoja de datos son "típicos" y NO "peor de los casos" a menos que se especifique lo contrario. Los principales fabricantes pueden proporcionar valores típicos y máximos. El diseño DEBE usar siempre los valores del peor de los casos.

Los gráficos de las hojas de datos casi siempre dan un valor único para el conjunto de parámetros involucrado y se debe suponer que esto es típico a menos que se indique lo contrario. por ejemplo, se puede dar un conjunto de curvas que muestren Ids contra Vds para una familia de curvas en varios valores de Vgs. Para mostrar el peor de los casos y los valores típicos, sería necesario agregar barras de error o el doble de curvas y nunca he visto ninguno de los dos.

La temperatura de unión y los valores máximos aceptables de I bajo varias condiciones de pulso se pueden encontrar en muchas hojas de datos de una tabla diseñada para este propósito. Esto puede ser útil para llevar al límite los diseños, pero generalmente para los diseños de encendido/apagado, asumiendo la disipación de Rdson x Ix^2, tal vez un ciclo de trabajo si <<1 suele ser seguro y recomendable. Aquí Ix es una figura mágica entre Imax y Iavg. El uso de Iavg puede ser seguro para un rango de Id que suele ser casi el mismo la mayor parte del tiempo, pero como la disipación es proporcional a I^2, el uso de I promedio puede ser riesgoso para los casos en los que el pico I y el promedio I difieren sustancialmente.

Ejemplo: dado un Rdson de 0,1 ohmios y una corriente de 0 A o 10 A con un ciclo de trabajo del 50 %.
Imedia = 10A x 50% = 5A.
La disipación usando Iavg es
Iavg^2 x Rdson = 25 x 0.1 = 2.5W
Actual = 10A^2 x 0.1V x 50% = 5 Watt
= valor doble usando Iavg.

Estado estable. temperatura de la unión = Pd/Rth_total
Rth_total = Rja = suma de las resistencias térmicas de la unión al ambiente.
Los componentes principales de Rth son
Rjc = resistencia térmica de la unión a la carcasa +
Rcs = resistencia térmica de la carcasa al sumidero +
Rsa = resistencia térmica del sumidero al ambiente.
Entonces Rthtotal = Rja = Rthjc + Rthcs + Rthsa

Rjc generalmente está diseñado por el fabricante para que sea "sensiblemente bajo", de modo que la temperatura de la unión no sea demasiado alta por encima de la temperatura de la caja como potencia máxima, lo que le da al diseñador la oportunidad de obtener una barra de energía térmica con disipación completa.

En niveles de potencia más que triviales, es habitual que la temperatura de la unión esté en el rango de 60 °C a 100 °C en uso continuo y los valores de 120 °C o más pueden ser aceptables. Si bien, teóricamente, un dispositivo puede funcionar hasta el valor Tjmax de, típicamente, alrededor de 140 C, esto no deja margen para los transitorios térmicos y comienza a afectar la vida útil del dispositivo. [Cree especifica sus LED de clase de iluminación para operar a Tj de 85C y 105C y, a menudo, ya no proporciona cifras de 25C Tj en las hojas de datos].

Vgsth - voltaje de puerta mínimo para encender.

El MOSFET tiene 5 V disponibles para la conmutación de puerta cuando su convertidor elevador está funcionando, pero es más seguro comenzar con un dispositivo que esté al menos medio satisfecho con el mínimo de 3 V disponibles de una celda de iones de litio de voltaje mínimo. Entonces comience con un Vgsth de menos de 3V si es posible.
Vgsth es el Vgs "recién encendido", por lo que se necesita más bajo, así que comience con una cifra de Vgsth de 1V a 2V. Los valores por debajo de 1 V están bien si están disponibles, pero son muy inusuales y casi siempre también están asociados con un valor Vgsmax más bajo de lo habitual, lo que indica un espesor de óxido de puerta de cosa extremo y una sensibilidad potencialmente añadida al daño electrostático.

Selección:

Eso debería servir para empezar. Podríamos haber mirado el tipo de caja (¿quieres soldar paquetes QFN?) o la disipación de energía (es poco probable que importe aquí), o ROHS (RO qué :-)), o... . En los casos de tasas de conmutación altas, las pérdidas de la carga/descarga de la puerta pueden volverse significativas y podemos comenzar a buscar los valores de carga de la unión y..., pero en este caso y para la mayoría de los primeros pases, estos detalles pueden seguirse más adelante si es necesario.

Personalmente, utilizo Digikey como mi motor de búsqueda de componentes de primera elección debido a su base de listado absolutamente amplia, buena (pero no perfecta) selección basada en parámetros, sabiendo que si lo almacenan, la marca es casi seguro que tiene buena reputación (y si les compra, probablemente sea genuino). A veces también compro productos de ellos :-)/ (estoy en Nueva Zelanda, así que si compro para usar aquí, los costos de envío pueden ser importantes). Hay muchos otros sistemas de proveedores que se pueden utilizar de esta manera.

Establezca los filtros del sistema de selección de Digikey (u otro proveedor) (se recomienda uno a la vez) en:
MOSFET,
PChannel,
Vds >= 20V,
Ids >= 1A,
Rdson <= 100 mOhm
Vgsth<= 2V,
en stock <- generalmente deseable
cantidad 1 o más <- mínimo más alto por lo general da una gama más amplia y precios más bajos

Produciendo 35 dispositivos para Digikey en este caso.

Candidatos potenciales

Ordenar por $ ascendente para comenzar.
En igualdad de condiciones, el costo más bajo es bueno.
Posteriormente, puede ser informativo reordenar por, por ejemplo, Rdson y Vgsth.
Cerca de la parte inferior de bajo costo está Panasonic MTM761230LBF a $ 0.35 / 1.
A pesar de tener un paquete molestamente pequeño, comentaré las especificaciones con cierto detalle, ya que son "más especiales que algunas" en las buenas y en las malas.
Página de precios de productos aquí
Hoja de datos aquí
Esto está en un paquete mini 6 SMD que es más difícil de soldar que algunos, pero factible.
4 de los 6 pines son de drenaje. haciendo que la soldadura sea mucho más fácil que si, por ejemplo, colocaran la conexión de la puerta entre otros dos terminales (como hacen algunos). Este es un dispositivo de 20 V 3 A, aceptable en esta aplicación. Rdson = 36 miliohmios - muy bajo. Dicen "unidad de 2,5 V". Como Vdrive útil es >> Vgsth, el Vgsth debe ser bajo. Es.
Vgsth = 0,4/0,85/1,3 V min/typ/max = MUY bajo y
Vgsmax es solo 10V como consecuencia (ver discusión anterior). Esto es aceptable siempre que se realice y se diseñe para ello. Como Panasonice 'sabe lo que hace', así como la mayoría, verá en el diagrama de la hoja de datos que hay una abrazadera de voltaje bidireccional en la puerta. Esto es muy deseable en dispositivos con un Vgsmax tan bajo. Sin tal, la más mínima bocanada de voltaje inducido electrostáticamente puede destruir el dispositivo. Con la protección aún debe tratarlos con la debida reverencia.

A 1A con 2V en la puerta cae 0.05V Vds - esto será más alto cuando/si está caliente pero no más del doble = 0.1V.
como ha dicho ahora que Iload max es de 100 mA, esto será muy aceptable. (La corriente de sobretensión bien puede ser bastante más alta, pero se maneja fácilmente)

Si lo desea, una pieza para soldar que cuesta 56c/1 y tiene una potencia nominal de 30V 24A y 25 miliohmios es la St STD30PF03LT4. Si bien Vgsth se especifica como 1V min, esto es engañoso: realmente, realmente quiere que 3V funcione la mitad de bien. Está en un DPAk lo suficientemente grande como para ver y sujetar y soldar.
En 24A Ids está en una clase diferente a la hermosa pero más frágil parte de Panasonic. Ambos funcionarían aquí, especialmente si se usa una unidad cercana a 5V para la parte St pero incluso a 3V.
Página de precios
Hoja de datos

Para una solución pequeña y adecuada, vea el SI2301 de 49 centavos/1.
Solo 20V 2.8A (adecuado), paquete SOT23 y ligeramente por encima de los 100 miliohmios en la especificación de resistencia, pero probablemente muy feliz con 2V en la puerta y probablemente bastante menos (el gráfico se vuelve demasiado difícil de leer).
Ficha de datos

EL PUNTO AQUÍ no es tanto las partes específicas a las que hemos llegado (y bastantes más) sino el método de elegir parámetros importantes, reduciendo las opciones al establecer los parámetros deseados en >= el valor mínimo aceptable (por ejemplo, Vds) o <= valor máximo aceptable (por ejemplo, Rdson) y búsqueda progresiva de piezas que cumplen con las especificaciones. Si los componentes potenciales ~= 0, entonces se pueden inspeccionar las especificaciones para ver cuáles se pueden aflojar.

1. 5v 16MHz ATmega168 Arduino Pro Mini

El nivel de salida digital de un Arduino de 5 V es de 0 ~ 5 V, por lo que desea un FET que se encienda completamente con este voltaje. Debe especificarse como 'Nivel lógico' o 'Controlador de puerta de 4,5 V' .

2. Convertidor de refuerzo de 5v (... en realidad aumenta a aproximadamente 5.27v)

V _GS y V _DS deben tener una clasificación de al menos un 20 % más alta que los voltajes más altos que jamás encontrarán . Por seguridad, optaría por al menos 12V .

3. Knock-off Clon Futaba S3003 servo

Suponiendo que el 'clon' tenga especificaciones similares a las de un S3003 real, debería tener un pico de aproximadamente 1A. Desea una caída de voltaje mínima a esta corriente, digamos 0.1V. Por lo tanto , el FET debe tener R _dson <= 0,1 Ω con un controlador de compuerta de 4,5 V.

Con esta baja caída de voltaje, la disipación de energía es mínima (1A ² * 0.1Ω = 0.1W), lo que prácticamente garantiza que la clasificación actual del FET será más alta de lo que necesita. Así que simplemente ignore la calificación actual.

Fui a [Digikey] pero la gran cantidad de opciones es asombrosa.

Ahora que sabe qué especificaciones buscar, seleccione FET Type: P-Channel, y lo que prefiera (p. ej., 8-SOIC). Esto debería reducir las opciones a unos pocos. Finalmente seleccione uno que sea igual o menor a 100mΩ.FET Feature: Logic LevelDrain-Source Voltage: 12V/20V/30VPackage / CaseRds On (Max) @ Id, Vgs

Cuando haya elegido un candidato, lea su hoja de datos para verificar que todos los parámetros se ajusten a su aplicación.

Tanto P-MOSFET como N-MOSFET se pueden usar como interruptores. Para lograr la conmutación, debe agregar el voltaje apropiado entre la puerta y la fuente, que generalmente se define como Vgs. Cuando el voltaje es más alto que el umbral, la resistencia del transistor cae drásticamente para que la corriente pueda fluir a través de él. La diferencia entre estos dos es que Vgs tiene que ser positivo para N-MOSFET y negativo para P-MOSFET para que se abra el interruptor. Entonces, en primer lugar, elija el transistor con el voltaje de umbral apropiado . En segundo lugar, asegúrese de que el transistor elegido pueda manejar suficiente corriente . También puede buscarlo en las hojas de datos. En tercer lugar, como un interruptor nunca es un cortocircuito ideal, tome la resistencia Rdsen cuenta porque puede haber una caída de alto voltaje en el transistor. Por lo general, cuando la corriente es de varios cientos de miliamperios, esta resistencia no es un problema.