TC4420 и TC4429 — драйверы затвора MOSFET на 6 А

Выводы

Выводы VDD, GND и OUTPUT сдвоены, и даташит требует подключать оба вывода каждой пары (примечание 1 к рисунку корпусов): через них течёт пиковый ток 6 А. У TO-220 с пятью выводами порядок другой:

Параметры

По таблице DC Characteristics при TA = 25 °C и VDD от 4,5 до 18 В; в скобках — максимумы во всём диапазоне температур (исполнения C, I, E и V: 0…70, −25…85, −40…85 и −40…125 °C).

Предельные режимы: VDD 20 В, вход от −5 В до VDD + 0,3 В (выше — ток не больше 50 мА), кристалл до 150 °C. Времена переключения Microchip «гарантирует конструкцией», а не измеряет; схема на рис. 4-1 — VDD = 18 В, нагрузка 2500 пФ, меандр 100 кГц. Допустимая мощность при TA ≤ 70 °C: TO-220-5 — 1,6 Вт (с радиатором при 25 °C — 12,5 Вт, RθJC 10 °C/Вт), PDIP-8 — 730 мВт, SOIC-8 — 470 мВт; RθJA — 71, 125 и 155 °C/Вт соответственно, у DFN на четырёхслойной плате — 33,2 °C/Вт.

Чем отличаются TC4420 и TC4429

Выходной каскад и выводы одинаковые, разница в логике: у TC4420 выход повторяет вход, у TC4429 — инвертирует. TC4429 совместим по выводам с более старым TC429. Инверсия важна при включении питания: пока микроконтроллер не проинициализировал вывод, вход драйвера висит в воздухе (ток входа не больше ±10 мкА), и выход не определён. Для TC4420 входу нужен резистор на общий провод, для TC4429 — на VDD, иначе силовой ключ откроется на время старта — подробнее в ответе «Почему MOSFET открывается при включении, пока МК не запустился».

Типовое включение

• Питание. Керамический конденсатор между VDD и GND у самых выводов, не меньше 1,0 мкФ (разд. 3.1); в схеме измерений стоят 0,1 и 4,7 мкФ. Импульс 6 А длится десятки наносекунд, взять его из дорожки питания нельзя — только из конденсатора развязки.
• Земля. Оба вывода GND — на полигон или короткими дорожками к конденсатору питания и истоку транзистора (разд. 3.4).
• Выход. Оба вывода OUTPUT соединены, между ними и затвором — резистор; даташит номинал не задаёт, его расчёт — в ответе «Какой резистор ставить в затвор MOSFET?». При VDD = 12 В и ROH ≤ 2,8 Ом (норма при 18 В) ток без резистора достигал бы около 4 А (наш расчёт) — звон в затворе неизбежен.
• Вход. Фронты должны быть крутыми: из-за ускоряющего конденсатора медленный фронт даёт двойной импульс на выходе (разд. 3.2). RC-фильтр или медленная оптопара перед входом не годятся. Схема ключа целиком — в статье «Ключ на MOSFET».

Когда нужен драйвер, а не вывод микроконтроллера

Вывод микроконтроллера отдаёт 20 мА при 5 В. Затвор IRFZ44 требует до 67 нКл при 10 В, и от 20 мА зарядится примерно за 3,4 мкс (наш расчёт), причём только до 5 В — IRF540 и IRFZ44 при таком напряжении открыты частично, об этом ответ «Как подключить MOSFET к Arduino?» и карточка IRF540, IRFZ44, IRLZ44. TC4420 от 12 В перезаряжает тот же затвор за десятки наносекунд с полным размахом VDD. Драйвер нужен, когда транзистору нужны 10–12 В на затворе; когда частота ШИМ — десятки килогерц и выше, и медленные фронты греют ключ (ответ «Почему MOSFET греется в ШИМ, хотя без ШИМ холодный»); когда затвор далеко от микроконтроллера. Для верхнего ключа полумоста TC4420 не подходит — плавающего канала у него нет, это задача IR2110 или IR2104.

Потери и нагрев

Мощность в драйвере — ток покоя, перезарядка нагрузки и сквозной ток выходного каскада (рис. 2-13); главное — перезарядка: P = Qg · VDD · f; для IRFZ44 с Qg = 67 нКл (максимум по даташиту Vishay 91291 при VGS = 10 В, ID = 51 А) при 12 В на 100 кГц это около 80 мВт, ток покоя добавляет около 5 мВт, и SOIC-8 с 155 °C/Вт нагреется примерно на 13 °C (наш расчёт) — радиатор не нужен. Считать через заряд затвора точнее, чем через ёмкость: входная ёмкость того же IRFZ44 — 1900 пФ типично при VDS = 25 В, почти как нагрузка 2500 пФ в схеме измерений драйвера, но Ciss · 10 В даёт лишь 19 нКл, а полный заряд с учётом участка Миллера (Qgd 25 нКл) — 67 нКл, в три с половиной раза больше (наш расчёт). На сотнях килогерц с нагрузкой 10 000 пФ (рис. 2-6, 2-9) нужен уже DFN с полигоном или TO-220. Фланец TO-220-5 — это VDD, на заземлённый радиатор его ставят через изолирующую прокладку; радиатор подберёт калькулятор.

Частые ошибки

• Подключён один вывод из пары. Второй VDD, GND или OUTPUT в воздухе — примечание 1 даташита это запрещает: ток 6 А делится между выводами.
• Нет конденсатора у VDD или он далеко: на питании провалы, фронты затянуты, драйвер сбоит.
• Медленный фронт на входе — двойные импульсы на выходе.
• Вход не подтянут на время старта — силовой ключ открывается при включении.
• TO-220 на общем радиаторе без изоляции — фланец соединён с VDD, а не с GND.
• VDD ниже 4,5 В — работа не нормирована.

Другие драйверы — в разделе «Драйверы».