Estoy estudiando el diseño de circuitos electrónicos de control de velocidad y me he dado cuenta de que la mayoría utilizan un circuito integrado controlador como la serie de chips DRV de TI. Por el momento, el abastecimiento de estos chips es extremadamente difícil, así que me pregunto por qué los GPIOs MCU no puede conmutar los MOSFET directamente.
Respuestas
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A veces pueden. Pero cuando no pueden, hay dos razones principales: no hay suficiente tensión y/o no hay suficiente corriente.
La tensión es necesaria para que se enciendan muchos MOSFET, por lo que tienen poca resistencia. A menudo se necesitan 10 V. Ningún MCU común puede suministrar más de 5V y muchos en estos días son 3.3V en los pines GPIO.
La corriente es necesaria para que el MOSFET conmute rápidamente, de modo que las pérdidas no sean demasiado grandes. A menudo se necesitan corrientes de pico en amperios para conseguir una buena conmutación. Decenas de mA es más probable lo que puede obtener de un pin GPIO.
Otra razón es que puedes necesitar una bomba de carga y un driver de alto voltaje para una etapa de salida de lado alto, que normalmente utilizaría un chip especial que puede manejar 600V cuando el voltaje de tu bus es de 160 o 320VDC. El driver del lado bajo puede estar pegado en el mismo chip. El driver del lado alto desplaza los 10V de la puerta al carril positivo para que puedas usar un MOSFET de canal N.
Si tienes un MOSFET de potencia que es de nivel lógico (especificado para Rds(on) a Vgs igual o menor que la Vdd de tu MCU) y la especificación del área de funcionamiento seguro del MOSFET no se viola por conmutación lenta, es posible que pueda accionarlo directamente, por ejemplo, para encender y apagar un motor o un calentador sin PWM.
TonyM
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41
La tensión de encendido de la puerta del MOSFET puede ser superior a la que puede proporcionar un pin de E/S de la MCU. Un circuito excitador puede traducir la tensión de salida lógica de E/S en una fuerte tensión de activación de la puerta.
Un circuito de accionamiento de MOSFET debe ser capaz de cargar y descargar la capacitancia puerta-fuente del MOSFET lo suficientemente rápido como para producir la forma de onda de salida deseada en el drenaje.
Esta capacitancia (a menudo Ciss o Cgs en la hoja de datos) es de tamaño significativo, particularmente en dispositivos de potencia. Un pin de E/S de la MCU puede ser capaz de proporcionar la fuente/sumidero de corriente necesaria para cargar/descargar lo suficientemente rápido, o puede que no. Depende de la capacitancia de puerta del MOSFET en particular, de la corriente fuente/sumidero del driver y de la frecuencia de funcionamiento requerida.
Como apunte, siempre se debe utilizar una resistencia en serie cuando se conduce una puerta FET de conmutación desde una salida lógica, como un pin MCU. Esto reduce la corriente máxima instantánea de E/S en la conmutación. También reduce el efecto de la conmutación de la carga que se acopla de nuevo a la salida de la puerta lógica por la capacitancia de drenaje-puerta del FET, que puede producir picos negativos en la puerta del FET.
Justme
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201
Porque son eléctricamente incompatibles.
Si tienes una MCU con un voltaje de entrada de 3.3V, es posible que el N-FET necesite más de 3.3V en la puerta para encenderse correctamente.
Si tienes un P-FET y la alimentación en la fuente es de 12V, sólo podrías conducir la puerta a 0V y 3,3V, por lo que el P-FET estaría siempre encendido.
Por tanto, los voltajes de las patillas IO de la MCU deben convertirse a voltajes mayores adecuados para accionar las compuertas FET.
La puerta del FET es también una carga altamente capacitiva, por lo que encender y apagar el FET requiere mover carga dentro y fuera de la puerta. Esto debe hacerse con relativa rapidez para que el FET no esté a medio camino durante mucho tiempo. Cargar rápidamente la capacitancia de la puerta requiere una alta capacidad de conducción de corriente que los pines IO de la MCU no tienen.
Así que, además de los mayores niveles de tensión, el accionamiento de los FET también necesita mucha más corriente.
Ze'ev
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284
Otros ya han explicado los "por qué no", así que yo añadiría el "PERO".
Para aplicaciones sencillas(*), con piezas razonablemente modernas (**) y con un micro de 5V (***) seguro que puedes construir algo que funcione razonablemente bien. Usted todavía se supone que añadir algunas resistencias de descarga de puerta (por ejemplo. 100k), alguna protección de puerta y una resistencia en serie es también a menudo una buena idea.
Los circuitos integrados de controladores FET no son mágicos, pero siguen siendo piezas muy prácticas. Para muchas aplicaciones, no se necesitan en absoluto. Cuando se necesitan algunas de sus funciones, como el suministro/disminución de alta corriente, el cambio de nivel, el arranque, a menudo se puede salir del paso con un circuito hecho con unas pocas piezas discretas, que "funcionará lo suficientemente bien".
(*) por ejemplo, control de la velocidad del ventilador
(**) por ejemplo el fet IRFZ44, que tiene un Vth máximo de 4V
(***) Nunca lo he probado con uno de menor voltaje, pero podría funcionar.
