Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Schaltfrequenzen von P-Kanal-Mosfets für Abwärtswandler


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von Max O. (Gast)


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Hallo,

ich habe das Problem, dass ich einen Abwärtswandler mit einem 
P-Kanal-Mosfet bauen muss, da ich keinen Platz für eine extra 
Treiberversorgung eines N-Kanal-Mosfet habe.

Die Platine soll so klein wie nur irgendwie möglich sein, die 
Eingangsspannung beträgt 24 V, als Ausgangsleistung brauche ich 5 V, 5 
A.

Jetzt frage ich mich im Vorraus, wie hoch ich die maximale 
Schaltfrequenz wählen kann, weil das ja direkt die Größe beeinflusst und 
auch die Auswahl passender Induktivitäten.


Liege ich in der Annahme richtig, dass die maximalen Schaltfrequenzen 
von P-Kanal-Mosfets unter denen von N-Kanal-Mosfets liegen?

Bei Mosfets sind ja im Gegensatz zu IGBTs Majoritätsträger das 
Entscheidende, bei P-Kanal-Mosfets sind es dann ja die Defektelektronen, 
welche eine deutlich geringere Leitfähigkeit aufweisen.

Also sollten P-Kanal-Mosfets ja nicht viel schneller schalten können als 
IGBTs bei denen ein PNP-Transistor die Leistung schaltet" ?

Grüße
Max

von MiWi (Gast)


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was hälst Du davon statt irgendwelchem allgemeinem Ausssagengeschwurbel 
die Zeit zu nutzen um einfach in den Datenblättern der P-FETs 
nachzulesen? Da steht das normalerweise drinnen wie schnell sie schalten 
können... falls sie für diesen Zweck geeignet sind.

von Jamie got some fun with a gun (Gast)


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Max O. schrieb:
> Hallo,
>
> ich habe das Problem, dass ich einen Abwärtswandler mit einem
> P-Kanal-Mosfet bauen muss, da ich keinen Platz für eine extra
> Treiberversorgung eines N-Kanal-Mosfet habe.

Weswegen mußt Du den bauen? Und warum mußt Du den bauen?
(Und nicht einmal den Treiber "extra" zu versorgen muß!/muß! ,)

> Die Platine soll so klein wie nur irgendwie möglich sein, die
> Eingangsspannung beträgt 24 V, als Ausgangsleistung brauche ich 5 V, 5
> A.
>
> Jetzt frage ich mich im Vorraus, wie hoch ich die maximale
> Schaltfrequenz wählen kann, weil das ja direkt die Größe beeinflusst und
> auch die Auswahl passender Induktivitäten.

Das ist schon richtig.

> Liege ich in der Annahme richtig, dass die maximalen Schaltfrequenzen
> von P-Kanal-Mosfets unter denen von N-Kanal-Mosfets liegen?

> Bei Mosfets sind ja im Gegensatz zu IGBTs Majoritätsträger das
> Entscheidende, bei P-Kanal-Mosfets sind es dann ja die Defektelektronen,
> welche eine deutlich geringere Leitfähigkeit aufweisen.
>
> Also sollten P-Kanal-Mosfets ja nicht viel schneller schalten können als
> IGBTs bei denen ein PNP-Transistor die Leistung schaltet" ?

Du wirfst da zwei völlig verschiedene Effekte in einen Topf.
Wie kommst Du auf den Trichter? Vergiß doch bitte den Unsinn,
denn damit liegst Du völlig falsch. Wie schnell ein Mosfet
ein- oder ausschaltet, ist im Grunde nur eine Frage passender
Ansteuerung - genauer: Des Umladestromes der Gatekapazitäten.

Das Gate muß ja - bezogen auf die Source - aufgeladen werden,
auf eine (je nach Typ untersch. hohe) Spannung U_GS (o. V_GS),
um den Mosfet einzuschalten - ob nun N-Ch oder P-Ch, das ist
bei beiden so, nur sind beim P-Ch halt Spannungs- sowie auch
Strom-Werte negativ.

Anders als Bipolartransistoren braucht Mosfets kein dauernder
Strom whrd. der Leitendphase zugeführt werden - es reicht ein
Strompuls passender Polarität zum ein- oder ausschalten.

Mosfets heißen deswegen auch "spannungsgesteuerte Schalter" -
wie auch IGBTs, Ersatzschaltung incl. Fet ist Dir ja bekannt.

Diesen Strom kann man auch sehr hoch machen (für MHz Betrieb).
Nur dessen Höhe und natürlich Steilheit (Anstiegs- und Abfall-
Zeiten) bestimmen die Kürze der Schaltzeiten - und damit auch
die maximal mögliche Schaltfrequenz.

Ein angenommen Schaltleistungs-äquivalenter Bipolartransistor
kann - voll durchgesteuert, wie auch der Mosfet - im Bereich
so niedriger Spannung weder bzgl. der Schaltzeiten (riesiger
Unterschied) noch bzgl. der Leitverluste mit dem Fet mithalten.

Die maximal sinnvolle Schaltfrequenz... ca. 10fach kleiner.
Sie sollen ja nicht nur schalten, sondern auch Strom leiten. ,)

Und:

Der Unterschied zw. N- und P-Kanal-Mosfet ist eben Elektronen-
vs. Löcherleitung, P-Ch sind nicht prinzipiell langsamer. Der
Unterschied ist der, daß beim P-Ch für vergleichbar niedrigen
R_DS(ON) - das ist der Einschaltwiderstand - ca. doppelter
Materialaufwand ("Chipfläche"/Die-Größe") nötig ist.

Die Folge ist, daß sich hierbei ungewollte (aka "parasitäre")
Kapazitäten, die es ja auch beim N-Ch gibt, ebenfalls erhöhen.
Und daher muß auch der Ansteuerstromwert für P-Ch höher sein,
für angenommen gleichen R_ON.


Das alles schließt zwar P-Ch nicht unbedingt als Lösung aus -
aber Du solltest jetzt immerhin einige der Konsequenzen kennen.

Aber sag' mal: Kennst Du auch keine monolithisch integrierten
Konverter, mit denen Dein Projekt klein, billig und auch noch
einfach plan- und durchführbar sein könnte?

Noch dazu ist bei ca. 5:1 "untersetztem" Übertragungsverhältnis
eines nicht synchrongleichgerichteten Tiefsetzstellers (bedeutet
also Fang- bzw. Freilauf-Diode statt 2. Fet "revers betrieben")
der Leitverlust whrd. der Freilaufphase wirklich pöhse hoch im
so niedrigen Kleinpannungsbereich (die Effizienz schlechter,
was wiederum "klein" schwerer macht).

Ich kann Dir nur empfehlen, lieber einen z.B. TPS56637 als die
nahezu bestvorstellbare Lösung hier wenigstens mal anzusehen -
und verlinke Dir deshalb mal das Datenblatt (die von Dir recht
innig zu vermeiden versuchte "Treiberversorgung" macht hierbei
ganz einfach ein sogenannter "C_boost" (alternativ "C_bootstrap"
genannt - am Schaltknoten gestützt, eine Ladungspumpe für die
Durchsteuerung von N-Ch Highside - "oben" halt - bildend). Das
kostet fast keinen Platz, und (vs. isoliert) sehr wenig Geld.

https://www.ti.com/lit/ds/symlink/tps56637.pdf?ts=1605963548170&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.ti.com%252Fpower-management%252Fnon-isolated-dc-dc-switching-regulators%252Fstep-down-buck%252Fbuck-converter-integrated-switch%252Fproducts.html

Mal kurz durch die TI-Webench (automatisches Konverter-Design-
Programm von Texas Instruments) laufen lassen ist das PCB nur
um die 50mm x 60mm groß, die Spule nicht mal 10mm x 10mm ...
damit Du einen Eindruck gewinnst (PCB hier allerdings 4-lagig,
eventuell kennt einer der Schaltregler-Profis hier aber ein IC
vergleichbarer Art, das in Datenblatt oder Applikationsschrift
mit der Vorlage eines Platinenlayouts für einfach doppelseitig
kaschiertes PCB (ohne Innenlagen) glänzt?

von Jamie got some fun with a gun (Gast)


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Jamie got some fun with a gun schrieb:
> Ein angenommen Schaltleistungs-äquivalenter Bipolartransistor
> kann - voll durchgesteuert, wie auch der Mosfet - im Bereich
> so niedriger Spannung weder bzgl. der Schaltzeiten (riesiger
> Unterschied) noch bzgl. der Leitverluste mit dem Fet mithalten.

Verflixt - dieser Abschnitt gehört eigentlich gleich unter "Und:".

von Jamie got some fun with a gun (Gast)


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Hier noch die Doku vom Evaluationsmodul, das aber auf etwas
höhere Belastbarkeit ausgelegt ist - 8-28V_in / 5V_out @ 6A.
Auch hier ist ein 4-lagiges Layout zu sehen, und das dürfte
bei diesem IC mit seinen gut 0,5MHz auch angebracht sein.

https://www.ti.com/lit/ug/slvube3a/slvube3a.pdf?ts=1606008431748&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.ti.com%252Ftool%252FTPS56637EVM%253FkeyMatch%253DTPS56637%2526tisearch%253DSearch-EN-everything%2526usecase%253DGPN

Wie kritisch ist denn Größe/Platzverbrauch wirklich?
Ich bin ja fast sicher, daß Dich die Winzigkeit von PCB &
auch Komponenten doch eher überrascht. Darfs etwas größer,
dann könnte man nämlich mit einem z.B. 150-200kHz Design
eher in Richtung zweilagig (fast vollst. GND Plane unten).
Noch besser 100kHz, das Layout wäre deutlich unkritischer.

Du hast ja diesbezüglich keine konkreten Zahlen genannt,
nur so_klein_wie_möglich erbeten - so findet man jedoch
schlecht passenden Ansatz, nenn doch mal einen Bereich...

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