Comutador lateral alto MOSFET de canal P

Estou tentando reduzir a dissipação de energia de um comutador lateral alto MOSFET de canal P. Então, minha pergunta é:

• existe alguma maneira pela qual esse circuito possa ser modificado para que o MOSFET do canal P esteja sempre "totalmente ligado" (modo triodo / ôhmico), independentemente da carga?

Editar 1 : ignore o mecanismo de ligar / desligar. A questão permanece a mesma: como manter V (sd) sempre o menor possível (modo P-MOSFET totalmente ligado / modo ôhmico), independente da carga, para que a dissipação de energia do MOSFET seja mínima.

Edit 2: O sinal comutado é um sinal DC. Basicamente, o circuito substitui um botão de interruptor.

Edit 3: Voltagem comutada 30V, corrente máxima comutada 5A.

Conhecer a tensão sendo comutada e a corrente máxima melhoraria significativamente a qualidade da resposta disponível.

Os MOSFETS abaixo fornecem exemplos de dispositivos que atendem às suas necessidades em baixa tensão (por exemplo, 10-20V) em correntes mais altas do que você trocaria na maioria dos casos.

O circuito básico não precisa ser modificado - use-o como está com um FET adequado - como abaixo.

No modo estacionário, o "problema" é facilmente resolvido.

• Um dado MOSFET terá uma resistência bem definida em uma determinada tensão de acionamento de porta. Essa resistência mudará com a temperatura, mas geralmente em menos de 2: 1.

• Para um determinado MOSFET, geralmente você pode diminuir a resistência aumentando a tensão de acionamento do portão, até o máximo permitido para o MOSFET.

• Para uma determinada corrente de carga e tensão de acionamento de porta, você pode escolher o MOSFET com a menor resistência de estado possível.

• Você pode obter MOSFETS com Rdson na faixa de 5 a 50 miliohm em correntes de até 10 A a um custo razoável. Você pode obter similar em até 50A, com custos crescentes.

Exemplos:

Na falta de boas informações, farei algumas suposições. Isso pode ser aprimorado fornecendo dados reais.

Suponha que 12V seja comutado em 10A. Potência = V x I = 120 Watts.
Com um Rdson quente de 50 miliohms, a dissipação de energia no MOSFET será I ^ 2 x R = 10 ^ 2 x 0,05 = 5 Watts = 5/120 ou cerca de 4% da potência de carga.
Você precisaria de um dissipador de calor em quase qualquer pacote.
A 5 miliohms, a dissipação a quente de Rdson seria de 0,5 Watts. e 0,4% da carga.
Um TO220 no ar parado resolveria esse problema.
Um DPD / TO252 SMD com cobre PCB mínimo pode lidar com isso.

Como um exemplo de um MOSFET SMD que funcionaria bem.
2,6 miliohms Rdson melhor caso. Diga cerca de 5 miliohms na prática. 30V, 60A avaliado. US $ 1 em volume. Provavelmente alguns $ em 1's. Você nunca usaria o 60A - esse é um limite de pacote.
Em 10A, a dissipação é de 500 mW, como acima.
Os dados térmicos são um pouco incertos, mas soam como uma junção de 54 C / Watt ao ambiente em um estado estacionário de PCB FR4 de 1 "x 1".
Portanto, cerca de 0,5 W x 54 C / W = 27C de aumento. Diga 30C. Em um gabinete, você terá uma temperatura de junção de talvez 70 a 80 graus. Mesmo no Vale da Morte, no meio do verão, deve estar tudo bem. [Aviso: NÃO feche a porta do banheiro no ponto Zabriski no meio do verão !!!!] [Mesmo se você for uma mulher e o inferno '

Folha de dados AN821 anexada à folha de dados - Excelente artigo sobre questões térmicas de SO8

Por US $ 1,77 / 1, você obtém um dispositivo TO263 / DPak bastante agradável.
A folha de dados aqui inclui um mini NDA! Limitado pela NDA - leia você mesmo.
30v, 90A, 62 K / W com cobre mínimo e 40 k / W com um sussurro. Este é um MOSFET incrível nesse tipo de aplicativo.
Menos de 5 miliohms alcançáveis ​​em muitos 10 ampères. Se você pudesse acessar a matriz real, poderia iniciar um carro pequeno com isso, pois o interruptor do motor de partida (especificado em 360A nos gráficos), MAS os cabos de ligação são classificados em 90A. isto é, o MOSFET excede em muito a capacidade do pacote.
Por exemplo, 30A de potência = I ^ 2 x R = 30 ^ 2 x 0,003 = 2,7W.
0,003 ohms parece justo depois de examinar a folha de dados.

A carga não é o principal problema para manter os Rds o mais baixo possível, é nos Vgs que você precisa se concentrar.
Para um PMOS, quanto menor a tensão do gate, menor o Rds (como Russell aponta, Vgs absolutos mais altos ). Isso significa que, neste caso, o ponto mais baixo dos sinais de entrada causará os Rds mais altos (se for um sinal CA)

Portanto, existem quatro opções que vêm à mente:

1. Abaixe a tensão do portão (aumente Vgs absoluta) o máximo possível (mantendo-se dentro das especificações, é claro)

2. Aumente o nível CC do sinal (ou reduza o balanço pk-pk)

3. Use um MOSFET de 4 derivações (para que você possa polarizar o substrato separadamente da fonte) para que a tensão do sinal não afete os Rds.

4. O óbvio que acompanha tudo isso - use um MOSFET com um Vth / Rds muito baixo

5. Se for uma opção, o uso de um segundo MOSFET em paralelo reduzirá a resistência total pela metade, para que a dissipação de energia seja reduzida pela metade. Isso significa que a dissipação de energia de cada MOSFET individual é 0,25 da versão de um MOSFET. Isso pressupõe a correspondência ideal de Rds (os MOSFETs têm tempco positivo e os componentes do mesmo lote estarão bem próximos e, portanto, mais próximos). Isso faria uma grande diferença, portanto vale o espaço / custo extra.

Para mostrar como o Rds varia com o sinal de entrada, veja este circuito:

Simulação:

O traço verde é o sinal de entrada e o traço azul é o MOSFET Rds. Podemos ver que a tensão do sinal de entrada diminui, o Rds sobe - muito nitidamente abaixo de Vgs de ~ 1V (a tensão limite para este MOSFET provavelmente está nesse nível)
. fora; isso acontece muito rapidamente, outros milivolts produziriam Rds consideravelmente mais altos.

Esta simulação mostra que quando o MOSFET está totalmente ativado, a carga deve ter muito pouco efeito:

O eixo X é a resistência de carga (R_load) e o traço azul é o MOSFET Rds no intervalo de 1 a 10 kΩ. Podemos ver que o Rds varia menos de 1mΩ (suspeito que as transições nítidas são apenas SPICE, mas o valor médio deve ser razoavelmente confiável). A tensão do portão era 0V e a tensão de entrada era 3VDC.