Chaveamento de baixa potência com MOSFET

Nesta topologia, um MOSFET de canal N funciona como uma chave pelo lado de baixo: a carga fica entre o positivo da alimentação e o dreno. O source vai ao retorno da alimentação.

O ponto essencial é a referência do comando: o terminal baixo do sinal de comando deve estar no mesmo nó do source. Assim, a tensão que controla o dispositivo é realmente V_GS, medida do gate para o source.

Use este caso de referência ao longo do tutorial:

• Alimentação isolada: 5 Vcc
• Carga resistiva: 100 Ω, potência nominal de 1 W
• Comando nominal: 3,3 V
• MOSFET: canal N, em chaveamento pelo lado de baixo

Com a chave ligada, a corrente convencional esperada percorre: positivo de 5 V → resistor de 100 Ω → dreno → source → retorno da fonte.

A potência nominal da carga é uma capacidade; ela não significa que a carga dissipará 1 W neste circuito. A corrente e a potência reais serão conferidas a partir da alimentação e das resistências do caminho.

Duas tensões ajudam a verificar os estados da chave:

• V_GS: meça entre gate e source. Ela informa o comando efetivamente visto pelo MOSFET.
• V_DS: meça entre dreno e source. Ela mostra a tensão sobre a chave.

Não substitua V_GS pela tensão do gate medida contra um ponto qualquer. Por exemplo, 3,3 V no gate só correspondem a V_GS = 3,3 V se o source estiver no mesmo potencial da referência baixa do comando.

No caso de referência, suponha que o gate esteja a 3,3 V em relação ao retorno comum e que o source esteja a 0 V. Qual é V_GS?

Escolha o esquema que preserva a topologia de chaveamento pelo lado de baixo e mede V_GS com a referência correta.

No circuito do passo anterior, o source do MOSFET está no retorno comum. Portanto, o menor nível alto previsto do comando também define, inicialmente, o menor V_GS disponível.

Para este exercício, o comando nominal é 3,3 V, com tolerância de ±0,3 V. No pior caso alto, use V_GS = 3,0 V para selecionar o componente.

A escolha deve usar um valor máximo garantido de R_DS(on), especificado para uma tensão de gate que o circuito realmente possa fornecer. Uma especificação feita a 2,5 V pode ser usada neste caso; uma feita somente a 4,5 V não comprova a condução em 3,0 V.

A tabela contém dados didáticos de exercício, não componentes reais. A carga é resistiva de 100 Ω em uma alimentação isolada de 5 V; o comando pode cair a 3,0 V.

Nesta triagem, um candidato só é elegível se tiver R_DS(on) máxima especificada em V_GS compatível com 3,0 V e se seus limites atenderem ao circuito. Entre os elegíveis, adote como critério objetivo a menor R_DS(on) máxima garantida.

Com o MOSFET de canal N ligado no lado de baixo e já conduzindo, ele pode ser modelado como uma pequena resistência, R_DS(on). Ela fica em série com a carga resistiva.

Use o modelo:

I_D ≈ V_alimentação / (R_carga + R_DS(on))

Depois, calcule a queda no MOSFET:

V_DS ≈ I_D × R_DS(on)

A mesma corrente atravessa a carga e o MOSFET. Portanto, R_DS(on) cria uma pequena queda de tensão na chave e reduz ligeiramente a corrente do circuito. Para esta análise, use uma R_DS(on) compatível com a tensão efetiva de gate e com a temperatura de projeto considerada.

Considere este dado de exercício para um MOSFET já compatível com o comando:

• Alimentação: 5,0 V
• Carga: 100 Ω
• R_DS(on) máxima especificada na condição de gate aplicável, a 25 °C: 0,10 Ω
• Curva térmica típica fornecida: em 100 °C, fator 1,6 sobre o valor a 25 °C.

Para uma estimativa conservadora de perda, adote 100 °C como temperatura de projeto:

R_DS(on) estimada = 0,10 Ω × 1,6 = 0,16 Ω

A curva é típica: ela ajuda a estimar o comportamento, mas não transforma 0,16 Ω em um limite garantido de catálogo. O valor a 100 °C é uma hipótese conservadora para estimar uma perda superior; não é a previsão de que a junção necessariamente chegará a 100 °C.

As perdas não se distribuem da mesma forma:

• MOSFET: P_condução ≈ I_D² × R_DS(on) ≈ 0,40 mW.
• Carga de 100 Ω: P_carga ≈ I_D² × R_carga ≈ 0,249 W.

Neste caso, a carga foi projetada para dissipar a maior parte da potência. A perda pequena no MOSFET não deve ser confundida com a potência entregue à carga.

Agora aplique o método a outro caso, sem usar os resultados do exemplo anterior.

Dados do exercício:

• Alimentação: 9,0 V
• Carga resistiva: 180 Ω
• R_DS(on) máxima a 25 °C, na condição de gate aplicável: 0,20 Ω
• Fator de uma curva térmica típica a 100 °C: 1,5

Para esta estimativa conservadora, primeiro adote a R_DS(on) corrigida pela curva típica a 100 °C. Em seguida, calcule a corrente, V_DS e a perda de condução. Trate o resultado corrigido como estimativa, não como limite garantido.

Quando o comando deixa de dirigir o gate, o gate não deve ficar sem referência. Instale R_GS diretamente entre gate e source desde a montagem inicial.

Esse resistor cria um caminho para remover a carga armazenada no gate e força a tendência de V_GS = 0 V. Assim, o MOSFET de canal N da chave pelo lado de baixo tende a permanecer desligado quando o comando está desconectado.

A ligação deve ser gate–source, não gate–dreno nem gate–positivo da alimentação. O source é a referência usada para V_GS.

Há dois estados diferentes que podem parecer “nível baixo”, mas não são equivalentes:

• Comando em nível baixo ativo: a fonte de comando conecta o gate à sua referência baixa. Ela absorve a carga do gate de forma ativa.
• Comando desconectado: não há essa conexão ativa. R_GS passa a ser o caminho que define o gate em relação ao source.

Portanto, “eu mando 0 V quando desligo” não elimina a função de R_GS: uma desconexão, um mau contato ou uma saída que deixe de comandar não é o mesmo que aplicar 0 V ativamente.

R_GS não tem valor universal. Escolha-o a partir de restrições explícitas:

1. Fuga que poderia elevar o gate: para uma corrente de fuga máxima informada, estime a tensão residual: V_GS,residual ≈ I_fuga × R_GS. Ela precisa ficar abaixo do limite definido para manter o desligamento.
2. Consumo com comando alto: quando o gate está em nível alto, há corrente contínua no resistor: I_RGS ≈ V_GS/R_GS. Essa corrente deve caber na capacidade contínua do comando.

Um resistor menor reduz a tensão gerada por uma fuga dada, fortalecendo a tendência de desligamento. Em troca, aumenta a corrente exigida da fonte de comando enquanto ela mantém o MOSFET ligado.

Além de R_GS, que mantém o gate referenciado ao source quando o comando não está conectado, use R_G em série entre a saída de comando e o gate.

R_G limita a corrente transitória que a saída precisa fornecer ao carregar o gate ou absorver ao descarregá-lo ativamente. A resistência de saída do próprio comando, R_saída, também participa dessa limitação.

Neste exemplo, o source está no retorno comum. Portanto, a tensão relevante continua sendo V_GS, medida diretamente entre gate e source.

Para uma primeira estimativa, considere o gate inicialmente próximo ao source e despreze, nesse instante, a corrente por R_GS. A corrente de pico de carga é:

I_gate,pico ≈ ΔV / (R_saída + R_G)

Isso vale sob a hipótese de que as resistências informadas sejam as únicas relevantes no caminho. Se houver outra resistência série conhecida, ela também deve entrar na soma.

A capacidade de saída deve ser conferida nos dois sentidos: ela precisa fornecer corrente ao ligar e absorver corrente ao desligar ativamente. Esses limites podem ser diferentes.

R_G também reduz um pouco a tensão contínua que chega ao gate, porque forma um divisor com R_GS. Desprezando a fuga do gate, no comando alto:

V_GS ≈ V_comando × R_GS / (R_saída + R_G + R_GS)

Com R_G = 470 Ω e R_GS = 100 kΩ:

V_GS ≈ 3,3 × 100000 / (40 + 470 + 100000) ≈ 3,28 V

Essa é a tensão a usar para reavaliar a escolha do MOSFET: a baixa R_DS(on) precisa ser especificada para uma tensão de gate compatível com esse valor, considerando a margem definida no projeto.

Para uma estimativa de movimentação de carga no gate, use:

t ≈ Q_g / I_gate,média

• Q_g é a carga considerada para o intervalo analisado, nas condições informadas.
• I_gate,média é a corrente média que realmente entra ou sai do gate nesse intervalo.
• O resultado é um tempo aproximado para transferir essa carga.

Exemplo de unidades: 12 nC / 6 mA = 2 µs.

Use dados compatíveis: a carga de gate publicada depende das condições de V_GS, V_DS e corrente de dreno usadas no ensaio. Portanto, um valor de Q_g não descreve sozinho toda transição possível da montagem.

Complete a estimativa: se Q_g = 24 nC e I_gate,média = 4 mA, então t ≈ ____.

Informe o tempo aproximado na unidade mais conveniente.

Compare duas condições para a mesma carga de gate de 20 nC:

• Condição A: corrente média de 2 mA → t ≈ 10 µs
• Condição B: corrente média de 10 mA → t ≈ 2 µs

A condição B movimenta a carga mais rapidamente. Em troca, o circuito de comando precisa conseguir fornecer essa corrente ao ligar e absorver corrente ao desligar ativamente, dentro de suas especificações.

Transições mais longas podem manter tensão e corrente sobrepostas por mais tempo, aumentando as perdas de transição e o aquecimento. Porém, acelerar sem verificar o comando também é inadequado: a fonte de sinal deve suportar os picos e a demanda dinâmica envolvida.

O objetivo não é buscar a transição “mais rápida” isoladamente, e sim uma transição compatível com o MOSFET, o comando e as perdas previstas.

Depois de o circuito estabilizar, confira grandezas medidas entre os nós corretos:

• V_GS: ponta positiva no gate e negativa no source. É a tensão de comando efetivamente vista pelo MOSFET.
• V_DS: ponta positiva no dreno e negativa no source. Indica a queda de tensão na chave.
• Corrente da carga: meça a tensão nos terminais da carga resistiva e estime I_carga = V_carga / R_carga.

No caso de referência, a carga é de 100 Ω. Portanto, uma tensão de carga próxima de 5 V corresponde a uma corrente próxima de 50 mA. A tensão do gate medida contra uma referência arbitrária não substitui V_GS: o source é a referência obrigatória.

Use os valores calculados nas etapas anteriores como referência. No caso de 5 V, carga de 100 Ω, comando de 3,3 V e R_GS presente, as leituras abaixo representam tendências após a estabilização. Tolerâncias do comando, resistores e MOSFET podem alterar os números, mas não a interpretação geral dos estados.

Associe cada observação a seu estado ou diagnóstico. Considere uma alimentação de 5,0 V, carga de 100 Ω, V_GS efetivo previsto de aproximadamente 3,28 V no comando alto e R_GS instalado, exceto quando a observação indicar o contrário.

Uma sequência útil de verificação é: primeiro confirmar pinagem, referência comum e R_GS sem alimentação; depois energizar com corrente limitada; por fim, registrar V_GS, V_DS e a tensão na carga em cada estado. Se uma leitura divergir, desligue antes de investigar conexões ou componentes.

Não tente decidir se R_DS(on) está correta apenas porque o multímetro mostra 0,00 V em V_DS. Compare a queda observada com a estimativa e com as limitações da medição.

Caso integrado

A imagem reúne as conexões que devem permanecer no projeto: carga no dreno, source no retorno comum, R_G em série com o comando e R_GS diretamente entre gate e source.

Vamos concluir usando condições explícitas, válidas somente para este exercício:

• Alimentação isolada: 12 Vcc, com corrente limitada.
• Carga resistiva: 100 Ω, potência nominal de 2 W.
• Comando alto: 3,3 V.
• Resistência de saída do comando: 50 Ω ao fornecer corrente e 70 Ω ao absorver corrente.
• Limite transitório do comando: 12 mA nos dois sentidos.
• MOSFET N: V_DS máximo = 30 V; V_GS máximo = ±12 V; R_DS(on) máxima = 0,50 Ω a V_GS = 2,5 V; V_GS(th) = 0,8 a 1,2 V nas condições de teste.
• Para condução na temperatura prevista, adote R_DS(on) = 0,75 Ω como estimativa de projeto.
• R_GS = 10 kΩ; Q_g = 6 nC no intervalo analisado; corrente média de gate assumida para esse intervalo: 4 mA.

O objetivo é escolher R_G, verificar o estado ligado e registrar os limites da estimativa de tempo.

O resistor série deve respeitar o limite de fornecimento no instante inicial de carga do gate:

I_gate,pico ≈ 3,3 V / (R_saída + R_G)

Com R_saída = 50 Ω e limite de 12 mA, determine o menor valor teórico de R_G. Depois será adotado um valor comercial maior para criar margem.

Adote R_G = 330 Ω, acima do mínimo calculado.

Confira os picos sob as hipóteses dadas:

• Ao ligar: I_pico ≈ 3,3 / (50 + 330) = 8,68 mA.
• Ao desligar ativamente, partindo de V_G ≈ 3,18 V: I_pico ≈ 3,18 / (70 + 330) = 7,95 mA.

Os dois valores ficam abaixo de 12 mA. Portanto, R_G = 220 Ω deve ser rejeitado neste projeto: produziria aproximadamente 12,2 mA ao ligar, acima do limite. R_G limita transientes; R_GS continua sendo o caminho de descarga quando o comando é desconectado.

Agora complete os valores do projeto usando R_G = 330 Ω, R_GS = 10 kΩ e R_DS(on) de projeto = 0,75 Ω.

No estado alto, desprezando a fuga do gate:

V_GS ≈ 3,3 × 10.000 / (50 + 330 + 10.000)

Use esse V_GS para conferir a compatibilidade com a condição de R_DS(on) do MOSFET.