Courant de commutation MOSFET

[kevin8z]

Bonjour,

Je voudrais savoir si mon raisonnement pour dimensionner la résistance entre une broche de mon PIC et le MOS est bon.

Je voudrais passer de 0 à 5V en 1µS.

- Dans la doc du MOS je prend le Ciss max, 800pF (sur le graphe de C en fonction de Vds)
- Le PIC peut délivrer MAX 25mA, donc Rmin = 5V/Imax Rmin = 200ohms, sur le tableau p511 du PIC je trace la tension en fonction du courant (avec R choisis) je trouve donc un point de fonctionnement à 3.5V pour 17mA.

- Pour trouver Rmax on fait : 1µS = 5*RCiss Rmax = 1µS/5*800pF = 250ohms

Je prend donc une résistance entre 200 et 250ohms, et dans le pire des cas j'aurai un pic de courant de 17mA.

Je suppose que sans résistance l'appel de courant est beaucoup trop élevé ça fait donc chuter la tension de la broche de sortie, et risque à terme de détruire cette broche.

Merci

Doc du MOS : http://www.doitonce.net.au/once:tech...s/SI2307DS.pdf
Doc du PIC : http://ww1.microchip.com/downloads/e...Doc/41412F.pdf
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[Antoane]

Bonjour,

L'idée est bonne mais il y a pas mal de choses cachées dans tes équations ; tu en es peut-être conscient mais j'aime autant en détailler certaines :

- Dans la doc du MOS je prend le Ciss max, 800pF (sur le graphe de C en fonction de Vds)

Ciss est non-linéaire, elle dépend de Vgs ; tu en as par ailleurs pris une valeur typique.
En l’occurrence, ce qui t'intéresse est la totale gate charge, c'est la charge à apporter à la grille pour passer de Vgs=0V à Vgs=-10V.

Le PIC peut délivrer MAX 25mA, donc Rmin = 5V/Imax Rmin = 200ohms, sur le tableau p511 du PIC je trace la tension en fonction du courant (avec R choisis) je trouve donc un point de fonctionnement à 3.5V pour 17mA.

17mA est le courant max en typique, il peut être compris entre 9mA et 25mA sur un vrai PIC.

- Pour trouver Rmax on fait : 1µS = 5*RCiss Rmax = 1µS/5*800pF = 250ohms

Cette formule permet de trouver la résistance maximale permettant de faire passer la tension d'une capacité idéale de 0 à ~4,95V si le dipole RC est alimenté par un échelon de tension de 5V. En italique ce qui ne s'applique pas au cas du PIC + MOSFET.
Par ailleurs, la commutation du mosfet sera plus rapide que cela : entre Vgs=0 et Vgs=Vth, la conductivité du MOSFET ne varie pas ; en fait, l'essentiel de la commutation a lieu pendant le plateau de Vgs, lorsque tu charges la capa Miller et que la tension Vgs ne varie pas alors que tu continues à apporter des charges (cf figure "gate charge", en bas de page 2-3).

[kevin8z]

Ciss est non-linéaire, elle dépend de Vgs ; tu en as par ailleurs pris une valeur typique.
En l’occurrence, ce qui t'intéresse est la totale gate charge, c'est la charge à apporter à la grille pour passer de Vgs=0V à Vgs=-10V.

Je vois sur les graphes que Ciss dépend de Vds. J'ai donc pris Ciss à l'endroit ou Vds = 0v.
J'applique quelle formule du coup avec la total gate charge?

Cette formule permet de trouver la résistance maximale permettant de faire passer la tension d'une capacité idéale de 0 à ~4,95V si le dipole RC est alimenté par un échelon de tension de 5V. En italique ce qui ne s'applique pas au cas du PIC + MOSFET.

Car la tension de sortie du PIC dépend du courant?

Par ailleurs, la commutation du mosfet sera plus rapide que cela : entre Vgs=0 et Vgs=Vth, la conductivité du MOSFET ne varie pas ; en fait, l'essentiel de la commutation a lieu pendant le plateau de Vgs, lorsque tu charges la capa Miller et que la tension Vgs ne varie pas alors que tu continues à apporter des charges (cf figure "gate charge", en bas de page 2-3).

capa Miller?
Je ne comprend pas trop ce passage.

Du coup j'utilise quoi comme formule réellement?

[DAUDET78]

Ce qu'il faudrait savoir, c'est la fréquence de commutation de ton NMOS ? 1Khz ou 50Khz ?
Ce qu'il faudrait savoir, c'est le type de charge et la tension appliquée à cette charge ? 10V ou 300V ?
Comme tu as du 0/5V de commande, j'espère que tu utilises un NMOS "logic" ou TTL ?

[A voir en vidéo sur Futura]

[kevin8z]

Ce qu'il faudrait savoir, c'est la fréquence de commutation de ton NMOS ? 1Khz ou 50Khz ?

C'est un PMOS avec un signal carré de commande de 38KHz.

Ce qu'il faudrait savoir, c'est le type de charge et la tension appliquée à cette charge ? 10V ou 300V ?

C'est pour piloter des leds IR aux bornes de la charges plus du drain il y à 5V.

Comme tu as du 0/5V de commande, j'espère que tu utilises un NMOS "logic" ou TTL ?

La Rds(on) est spécifié pour Vgs = 4.5V. Je pense qu'il est bon. Sinon on a la Rds(on) en fonction de Vgs donc pas trop grave non?

Les NMOS "logic" ou TTL commence par le préfixe IRL?

Enfaite je cherche à connaître les différents formules permettant ensuite de calculer par moi même les différente valeurs, quelque soit le montage.

[Antoane]

Bonsoir,

Car la tension de sortie du PIC dépend du courant?

Oui. Lors de la commutation, le courant consommé est "grand", donc la tension de sortie diminue ; la charge est ralentie. In fine, c'est comme si tu remplaçais la R par une R équivalent constitué de R + la résistance de sortie du pic (qui varie avec le courant la traversant).

capa Miller?

Si tu observes les courbes de la commutation d'un MOSFET, tu observes que pendant "un certain temps", la tension Vgs n'augmente presque pas alors qu'un courant circule dans la base (au temps ~1.8µs dans la simu). Ce phénomène est du au fait que pendant ce temps, la tension Vgs diminue.
Envoyer du courant dans un condensateur en en faisant changer lentement la tension, c'est équivalent à une capacité de très grande valeur, dite capacité Miller.

Pas surper clair mais, à défaut : http://en.wikipedia.org/wiki/Miller_effect
http://fr.wikipedia.org/wiki/Effet_Miller

Du coup j'utilise quoi comme formule réellement?

On le voit dans la simu : la majorité de la commutation a lieu pendant que la tension Vgs reste constante (on note cette tension de plateau V_{gs, p}). Le temps nécessaire pour apporter la charge servant à porter Vsg de 0V à V_{gs, p} et celui servant à faire croître Vgs au delà de V_{gs, p} va donc être négligé.


Pour la simulation, j'ai choisi (au pif) un BSB015N04NX3 : http://www.infineon.com/dgdl/Infineo...21a03bbfcd7aac
La datasheet indique que la valeur typique de charge Qgd est de 13nC, c'est cette charge qui assure la commutation pendant le plateau de Vgs=V_{gs, p}. Le courant de grille est alors I_{g, p} =(Vcc-V_{gs, p}) /R1. Ici : Vcc=10V, R1=100 et V_{gs, p} =4,8V ("gate plateau voltage dans la datasheet). La charge est l'intégrale du courant (i=dq/dt) ; à courant constant, cela donne que la charge est égale au produit du courant par le temps. Pour acheminer la charge Qgd avec un courant I_{g, p}, il faut un temps t_p tel que :
Qgd=I_{g, p}*t _p => t_p =Qdg/I_{g, p} =Qdg*R1/(Vcc-V_{gs, p} )=13*100/(10-4.8)=250ns, ce qui est proche de ce qu'indique la simulation.


Tu as donc deux méthodes possibles :
- celle que tu as utilisé, qui te donne une valeur surdimensionnée mais garantie ;
- celle exposée ci-dessus, qui te donne une valeur plus proche du réel mais avec une assez grande incertitude, due aux incertitudes sur Qdg et V_{gs, p}.

Selon le cas, tu pourras utiliser l'une ou l'autre.

Il y a énormément de littérature sur le sujet, par exemple :
https://www.fairchildsemi.com/applic...AN/AN-9010.pdf
http://www.irf.com/technical-info/appnotes/mosfet.pdf


Nota : l'unité seconde, c'est un s minuscule. Le S en case haute, c'est l'unité siemens : http://en.wikipedia.org/wiki/Siemens_%28unit%29

[kevin8z]

En ce qui concerne l'effet Miller en général, j'ai bien compris.

Après je comprend très bien les formules utilisées, mais je comprend moins bien quand tu dis que : "la majorité de la commutation a lieu pendant que la tension Vgs reste constante" surement du à la physique des matériaux utilisés...

Dans la doc de mon mos, il n'y a pas indiqué Vgs, p, je suppose qu'il faut regarder le graphe de Vgs en fonction de Qg et donc on trouve un peut plus de 3V?

Tu as donc deux méthodes possibles :
- celle que tu as utilisé, qui te donne une valeur surdimensionnée mais garantie ;
- celle exposée ci-dessus, qui te donne une valeur plus proche du réel mais avec une assez grande incertitude, due aux incertitudes sur Qdg et V_{gs, p}.

Selon le cas, tu pourras utiliser l'une ou l'autre.

Du coup ma méthode donne un résistance de plus grande valeur, mais garantie, je ne vois ps très bien du coup dans quel cas utiliser la 2ième méthode.

PS: tout à l'heure je regardais la tension Vgs d'un mos (pour une alim à découpage), j'avais d'ailleurs zoomer sur le front montant de la commande, et j'ai vue que pendant un certain temps la tension était constante, je n'y est pas prêté grande intention, mais maintenant je sais a quoi ça correspond.
Donc si j'aurai visualiser ne même temps la tension Vds, j'aurai pu voir qu'à cet instant précis le MOS commutait?

[Antoane]

Après je comprend très bien les formules utilisées, mais je comprend moins bien quand tu dis que : "la majorité de la commutation a lieu pendant que la tension Vgs reste constante" surement du à la physique des matériaux utilisés... [...]
que pendant un certain temps la tension était constante, je n'y est pas prêté grande intention, mais maintenant je sais a quoi ça correspond.
Donc si j'aurai visualiser ne même temps la tension Vds, j'aurai pu voir qu'à cet instant précis le MOS commutait?

Avant que Vgs atteigne Vgs,p et après que Vgs ai dépassé Vgs,p, Vds varie peu, cf la simu.
Les valeurs exactes des Qdg, Vds,p... est effectivement fonction des matériaux employés et des dimensions physique de la puce.
Si tu veux aller plus loin, il faut étudier la physique des semi-conducteurs -- pas trivial, mais fun.

Dans la doc de mon mos, il n'y a pas indiqué Vgs, p, je suppose qu'il faut regarder le graphe de Vgs en fonction de Qg et donc on trouve un peut plus de 3V?

Oui.

Du coup ma méthode donne un résistance de plus grande valeur, mais garantie, je ne vois ps très bien du coup dans quel cas utiliser la 2ième méthode.

Avec ton 5*RC, tu trouves 5*R1*Ciss=5*100*12=6µs (pour ma simu) alors que ma technique donne 250ns. D'après la simu, il faut 210ns pour passer de Vds=9.5V à 0.5V. Ton radiateur sera sur-sur-dimensionné.

[DAUDET78]

C'est un PMOS avec un signal carré de commande de 38KHz.

Tu peux donner ton schéma ?

C'est pour piloter des leds IR aux bornes de la charges plus du drain il y à 5V.

Et le courant est limité comment ?

[kevin8z]

l'image viens d'être validée. Ce que j'indiquai dans mon PS avais la même allure que ton résultat de simu.

Quand tu trouve ton tp = 250nS, cela correspond bien au temps ou Vgs est constant?

j'ai refais les calculs de ma résistance avec ta formule.

J'ai donc R1 = tp*(Vcc-Vgs, p )/Qdg

Avec tp = 1.32µs, Vgs, p = 3V et Qdg = Qg = 15nC

Je trouve R1 = 175ohms

Donc inférieur aux valeurs trouvées avec la 1ère méthode, donc à cause des incertitude de Vgs, p et de Qg?


PS : maintenant je comprend mieux quand un MOS chauffe à cause du temps de commutation, c'est à cause du temps Tp plus il est long, plus on reste dans le régime linéaire et donc forcément ça chauffe.

[Antoane]

Quand tu trouve ton tp = 250nS, cela correspond bien au temps ou Vgs est constant?

Oui.

j'ai refais les calculs de ma résistance avec ta formule.

J'ai donc R1 = tp*(Vcc-Vgs, p )/Qdg

Avec tp = 1.32µs, Vgs, p = 3V et Qdg = Qg = 15nC

Je trouve R1 = 175ohms

Pourquoi choisir 1.32µs et pas 1µs, comme en post#1 ?
Pourquoi Qdg = Qg = 15nC ? Qdg~=2nC

L'incertitude sur l'ensemble des paramètres est effectivement assez monstrueuse.

[kevin8z]

Avant que Vgs atteigne Vgs,p et après que Vgs ai dépassé Vgs,p, Vds varie peu, cf la simu.
Les valeurs exactes des Qdg, Vds,p... est effectivement fonction des matériaux employés et des dimensions physique de la puce.
Si tu veux aller plus loin, il faut étudier la physique des semi-conducteurs -- pas trivial, mais fun.

Oui j'ai remarqué cette variation
Oui ça peut être fun, pour l'instant je vais rester du coter purement électronique.

Avec ton 5*RC, tu trouves 5*R1*Ciss=5*100*12=6µs (pour ma simu) alors que ma technique donne 250ns. D'après la simu, il faut 210ns pour passer de Vds=9.5V à 0.5V. Ton radiateur sera sur-sur-dimensionné.

Ah oui effectivement, bon du coup ma méthode est mauvaise, car si je dimensionne R1 en fonction de Tp, je vais trouvé une valeur trop grande qui du coup va faire chauffer le MOS... C'est bien pour cela que j'avais vue à plusieurs reprises sur le net que la formule utilisée était en fonction de Qg, mais il me manquais des précisions.

Tu peux donner ton schéma ?Et le courant est limité comment ?

Le voici. Le courant est limité par une résistance, je ne vais pas brancher la led en direct sans résistance, sans quoi, elle ne ferai pas long feu.


Du coups maintenant, comment trouver le temps que mes Vgs pour passer de 0 à 5V, j'utilise la formule 5*R*Ciss?

[kevin8z]

Pourquoi choisir 1.32µs et pas 1µs, comme en post#1 ?
Pourquoi Qdg = Qg = 15nC ? Qdg~=2nC

Oui effectivement, on va garder 1µS, j'ai oublier d'arrondir...

Au départ tu parlais de la total gate charge, et la tu parle de la gate drain charge, c'est pour ça que j'ai pris 15nC. Je ne comprend pas du coup pourquoi prendre Qdg au lieu de Qg

[Antoane]

Ah oui effectivement, bon du coup ma méthode est mauvaise, car si je dimensionne R1 en fonction de Tp, je vais trouvé une valeur trop grande qui du coup va faire chauffer le MOS...

Non, tu vas trouver une valeur qui sera proche de ce l'objectif.
Avec la méthode du 5RC, tu trouves qu'il faut R<250Ω.
Avec "ma" méthode, tu trouves qu'il faut R< 1µ*(5-3.2)/2n=900Ω
La vérité, celle que tu obtiens en câblant le montage, c'est qu'avec une résistance de 900Ω et si tous les composants ont des caractéristiques typiques, tu auras un temps de commutation proche de 1µs.
La vérité, celle que tu obtiens en câblant le montage, c'est qu'avec une résistance de 250Ω et des composants quelconques, tu auras un temps de commutation inférieur à 1µs.

Conclusion : utiliser 250Ω convient toujours, c'est garanti par le fabricant, mais peut coûter plus cher (par exemple parce qu'il faudra un plus gros driver).
Utiliser 900Ω suffit en typique ; en utilisant un coefficient de sécurité bien choisi (en fonction des tolérances connues ou supposées sur les différentes variables), tu te retrouves avec un montage fonctionnant à tous les coups.

La note "si tous les composants ont des caractéristiques typiques" est importante :
- la tolérance sur la charge totale portée par le gate Qg, par exemple, est de +50%, on peut supposer qu'il en va de même pour Qdg.
- la tension Vgs_th est souvent donnée à ±1V près, on peut supposer que la dispersion de Vgs,p est du même ordre...

C'est bien pour cela que j'avais vue à plusieurs reprises sur le net que la formule utilisée était en fonction de Qg, mais il me manquais des précisions.

Je pense que c'est plutôt du à :
- toutes les infos sur Qdg et Vgs,p ne sont pas toujours donnés (on n'a souvent par exemple que la valeur typique, voire aucune valeur) ;
- la formule est "compliquée" ;
- autre.

Au départ tu parlais de la total gate charge, et la tu parle de la gate drain charge, c'est pour ça que j'ai pris 15nC. Je ne comprend pas du coup pourquoi prendre Qdg au lieu de Qg

Pour faire passer Vgs de 0 à 10V (ou 5V, voir dans la datasheet), il faut apporter une charge Qg.
Pour faire passer Vgs de un peu moins que Vgs,p à un peu plus que Vgs,p, il faut apporter une charge Qdg (donc Qdg<Qg).

Qdg est utilisée dans "ma" méthode, Ciss (liée à Qd par le Vgs de fonctionnement, à savoir 5 ou 10V selon le composant) est utilisé dans le 5RC.

[kevin8z]

D'accord merci pour l'intérêt porté à mon poste.
Je dormirai moins C** ce soir...

J'essayerai ce week end de câblé une R de 900ohms, et regarderai à l'oscillo que j'obtient bien environ 1µS.

Tous ça pour commander des LEDS... Heureusement ça me servira surement pour autre chose...
Sinon en général : il vaut mieux tout le temps mettre un résistance, pour éviter des appels de courant excessif, mais aussi pour des problème de CEM?

[DAUDET78]

Pourquoi utiliser un PMOS ?
Quelle est la valeur de R3 ?
Comment est fabriqué le 5V ? un 7805 ?

[Antoane]

Bonsoir,

Tous ça pour commander des LEDS... Heureusement ça me servira surement pour autre chose...
Sinon en général : il vaut mieux tout le temps mettre un résistance, pour éviter des appels de courant excessif, mais aussi pour des problème de CEM?

oui, et aussi pour éviter les oscillation de la commande de grille, dues au circuit LC constituée de l'inductance parasite du câblage et à la Ciss. Ce n'est pas toujours critique lorsque la commande vient d'un PIC, qui présente déjà une assez forte impédance de sortie, mais ça l'est lorsque tu utilises un driver dédié, capable de sortir des pointes de plusieurs ampères.

[kevin8z]

Pourquoi utiliser un PMOS ?

Car au départ le MOS était relié à une sortie d'un 74HCT138, qui lui fourni un +5V lorsque la sortie n'est pas sélectionné.
Le MOS se trouve sur une carte de commande, et R+led se trouve sur une autre carte, en réalité 112 cartes R+Led (avec capteur IR). Du coup je suis obligé de rester en PMOS, sinon ça me coûte le prix de refaire 112cartes, ou de devoir couper une piste et la reliée a la masse au lieu du +5V.

Quelle est la valeur de R3 ?

R3 vaut 1.5k

Comment est fabriqué le 5V ? un 7805 ?

Le 5V provient d'une alim à découpage

Quelle est l'importance de ces questions? par curiosité?

[kevin8z]

oui, et aussi pour éviter les oscillation de la commande de grille, dues au circuit LC constituée de l'inductance parasite du câblage et à la Ciss. Ce n'est pas toujours critique lorsque la commande vient d'un PIC, qui présente déjà une assez forte impédance de sortie, mais ça l'est lorsque tu utilises un driver dédié, capable de sortir des pointes de plusieurs ampères.

Merci pour ces précisions.

Ca fait beaucoup de paramètres à prendre en compte pour une si petite bête...

[DAUDET78]

R3 vaut 1.5k

Donc un courant LED de 2,5mA ???? tu pilotes ta LED directement avec ta sortie µC !

Quelle est l'importance de ces questions? par curiosité?

Parce que tu caches ton application finale ..... et moi, j'aime pas ça !
Ca ressemble à une table magique qui s'allume localement quand on pose un truc dessus ? Ma boule de cristal se trompe ?

Et il est fort probable qu'on peut faire un truc beaucoup plus simple ..... si on connaissait la totalité de ton schéma actuel !

Le 5V provient d'une alim à découpage

Réponse sans intérêt ..... ce qui m'importe, c'est de savoir si tu disposes d'une tension de plus de 5V . C'est 12V, 24V ?

[kevin8z]

Donc un courant LED de 2,5mA ???? tu pilotes ta LED directement avec ta sortie µC !

Oui 2.5 mA par leds, mais au total 112 leds, donc 280mA que seul une broche ne peut fournir.

Parce que tu caches ton application finale ..... et moi, j'aime pas ça !

Je ne la cache pas, je ne pensai pas que c'était utile, car pour moi pour commuter un courant de 280mA il faut passer par un buffer, dans ce cas un MOS.

Ca ressemble à une table magique qui s'allume localement quand on pose un truc dessus ? Ma boule de cristal se trompe ?

112leds RGB avec 112 leds IR + capteurs.
La boule de cristal fonctionne donc parfaitement

ce qui m'importe, c'est de savoir si tu disposes d'une tension de plus de 5V . C'est 12V, 24V ?

Non. j'ai acheter une alim à découpage, en entrée le secteur, et en sortie 5V sous 7A max

[DAUDET78]

Oui 2.5 mA par leds, mais au total 112 leds, donc 280mA que seul une broche ne peut fournir.

Donc ton schéma en #12 est mensongé ! Il ne représente pas la charge réelle du PMOS !
Et tu peux mettre deux LED en série avec une résistance de 1K... donc 140mA

Tu peux utiliser un PMOS avec une 220 ohms et arrêter de te tripatouiller le troufignon !
Ou simplement un PNP darlington en TO220 avec une résistance série de base de 1K

[kevin8z]

Donc ton schéma en #12 est mensongé ! Il ne représente pas la charge réelle du PMOS !
Et tu peux mettre deux LED en série avec une résistance de 1K... donc 140mA

Oui mais je voulais savoir si mon raisonnement et mes calculs étaient bon.
Je ne peut pas mettre 2 leds en série, chaque carte contient sa résistance et sa led.

Tu peux utiliser un PMOS avec une 220 ohms et arrêter de te tripatouiller le troufignon !
Ou simplement un PNP darlington en TO220 avec une résistance série de base de 1K

Expression originale, bizarre certes, mais pas mal.

C'est bien beau de mettre tel ou tel valeur, mais si on ne sais même pas comment la calculer c'est dommage... Le but n'est pas de s'em******* à chaque fois, mais juste de le faire au moins une fois et de savoir d'ou sort cette valeur.

[kevin8z]

D'ailleurs je pense avoir trouvé la réponse, à "pourquoi sur le net on voit dans les formules Qg et pas Qgd ?" car en faite on cherche le temps à partir du quel le MOS va commuter lorsque le signal passe d'un état à un autre, et pas le temps que celui ci met réellement à commuter.