Перейти к содержанию

Почему MOSFET открывается при включении питания, пока микроконтроллер не запустился?

Обновлено Редакция GAW

Пока микроконтроллер в сбросе или загрузчик ещё не передал управление программе, его выводы не выдают ни ноль, ни единицу. У ATmega328P они переходят в третье состояние, как только наступает сброс. Затвор MOSFET в этот момент — изолированная ёмкость, и любой заряд на ней остаётся: от наводки на провод, от утечки, от руки. Порог IRLZ44 — всего 1–2 В, и такого висящего входа хватает, чтобы транзистор приоткрылся.

Ёмкость сток — затвор

Есть и более жёсткая причина. Когда подаётся питание, напряжение на стоке растёт, и через ёмкость сток — затвор (Crss) в затвор течёт ток. TI в SLUA618A даёт условие, при котором резистор затвор — исток успевает этот ток отвести (ур. 20):

RGS<UTHCGD⋅dU/dtR_{GS} < \frac{U_\text{TH}}{C_{GD} \cdot dU/dt}

Наш расчёт для IRLZ44 (порог берём по минимуму — 1 В, Crss = 200 пФ) при питании 12 В:

Как нарастает питаниеdU/dtРезистор затвор — исток не больше
за 1 мс12 В/мс420 кОм
за 100 мкс120 В/мс42 кОм
за 10 мкс (подключение разъёма на ходу)1,2 В/мкс4,2 кОм

Важная оговорка: Crss = 200 пФ в даташите задана при VDS = 25 В, а при малом напряжении на стоке, с которого и начинается фронт питания, ёмкость сток — затвор в разы больше: у близкого по устройству IRFZ44 на рис. 5 даташита Crss около 1000 пФ при 1 В против примерно 170 пФ при 25 В (наш отсчёт по графику). Поэтому значения в таблице — верхняя граница, и резистор берут с большим запасом: 10 кОм в 42 раза меньше границы для фронта 1 мс и вчетверо — для 100 мкс, а при подключении питания на ходу нужен резистор меньше 4,2 кОм, тоже с запасом. Без резистора транзистор может открыться на время фронта питания, а при чувствительной нагрузке это уже рывок двигателя или щелчок реле.

Сколько длится опасный интервал

Сброс по питанию плюс запуск загрузчика: у Arduino с загрузчиком это заметное время — о нём рассказано в ответе «Почему скетч Arduino Uno запускается с задержкой после нажатия RESET». Всё это время состояние затвора задаёт только внешний резистор.

Как выбрать последовательный резистор затвора, разобрано в ответе «Какой резистор ставить в затвор MOSFET», а откуда у транзистора ёмкости — в статье «Ёмкости MOSFET». Почему важен именно минимальный порог, объясняет статья о пороговом напряжении.

Похожие вопросы

Почему нельзя включить встроенную подтяжку микроконтроллера?

У ATmega328P встроенные резисторы подтягивают вывод только к питанию, то есть открыли бы N-канальный транзистор. К тому же во время сброса они отключены — выводы в третьем состоянии, пока программа их не настроит. Нужен внешний резистор на исток.

Где ставить резистор — у транзистора или у микроконтроллера?

У транзистора, прямо между затвором и истоком, после последовательного резистора затвора. Тогда затвор остаётся закрытым, даже если отключится провод от микроконтроллера или плата управления ещё не подключена.

Не ослабит ли резистор 10 кОм сигнал на затворе?

Почти нет. Вместе с резистором затвора 150 Ом он образует делитель: при 5 В на выводе на затворе 5 · 10 / 10,15 ≈ 4,93 В, а вывод постоянно отдаёт около 0,5 мА (наш расчёт). Для IRLZ44, у которого RDS(on) задано при 4 и 5 В, этого достаточно.

Источники

  1. Texas Instruments. SLUA618A: Fundamentals of MOSFET and IGBT Gate Driver Circuits, L. Balogh (revised October 2018) — разд. 3.4 (схемы ускорения выключения) — затвор силового MOSFET висит, пока выходы драйвера не начали работать при подаче питания; разд. 3.5 dv/dt Protection — при подаче питания от включения скоростью нарастания напряжения защищает резистор между затвором и истоком, ур. 20: RGS < VTH / (CGD · dv/dt)
  2. Microchip. ATmega48A/PA/88A/PA/168A/PA/328/P Data Sheet (DS40002061B, 2020) — разд. 14.2.1 Configuring the Pin — выводы переходят в третье состояние, как только наступает сброс, даже без тактового сигнала; встроенные резисторы у портов — только подтягивающие к питанию
  3. Vishay. IRLZ44 Power MOSFET (Document Number 91328, S21-1045-Rev. D, 25-Oct-2021) — VGS(th) 1,0–2,0 В при 250 мкА; Crss 200 пФ при VDS = 25 В; ёмкости зависят от VDS (рис. 5)
  4. Vishay. IRFZ44 Power MOSFET (Document Number 91291, S21-1045-Rev. C, 25-Oct-2021) — рис. 5 Typical Capacitance vs. Drain-to-Source Voltage — Crss растёт при уменьшении VDS: по графику около 1000 пФ при 1 В и около 170 пФ при 25 В

Нашли ошибку?

Смотрите также