PチャネルMOSFETハイサイドスイッチ

PチャネルMOSFETハイサイドスイッチの消費電力を削減しようとしています。だから私の質問は：

• この回路を変更して、負荷が何であってもPチャネルMOSFETが常に「完全オン」（三極管/オームモード）になるように変更する方法はありますか？

編集1：オン/オフメカニズムを無視してください。質問は何とか同じままです。MOSFETの電力消費が最小になるように、負荷に関係なくV（sd）を可能な限り最小（P-MOSFET完全オン/オーミックモード）に保つにはどうすればよいですか。

編集2：切り替えられた信号はDC信号です。基本的に、回路はスイッチボタンを置き換えます。

編集3：電圧スイッチ30V、最大電流スイッチ5A。

切り替えられる電圧と最大電流を知ることにより、利用可能な応答品質が大幅に向上します。

以下のMOSFETは、ほとんどの場合、スイッチングするよりも高い電流で低電圧（10〜20Vなど）でニーズを満たすデバイスの例を示しています。

以下のように、基本回路を変更する必要はありません-適切なFETでそのまま使用します。

モードの定常状態では、「問題」に簡単に対処できます。

• 特定のMOSFETには、特定のゲート駆動電圧でのオン抵抗が明確に定義されています。この抵抗は温度によって変化しますが、通常は2：1未満です。

• 特定のMOSFETについては、通常、ゲート駆動電圧を、MOSFETの最大許容値まで増加させることにより、オン抵抗を減らすことができます。

• 与えられた負荷電流とゲート駆動電圧に対して、余裕のある最小のオン状態抵抗を持つMOSFETを選択できます。

• 5〜50ミリオームの範囲のRdsonを使用して、最大10 Aの電流でリーズナブルな価格でMOSFETSを入手できます。コストを上げると、最大50Aで同様のものを得ることができます。

例：

良い情報がない場合、いくつかの仮定をします。これらは、実際のデータを提供することで改善できます。

12Vが10Aで切り替えられると仮定します。電力= V x I = 120ワット。
50ミリオームのRdsonホットでは、MOSFETの消費電力はI ^ 2 x R = 10 ^ 2 x 0.05 = 5ワット= 5/120または負荷電力の約4％になります。
ほとんどすべてのパッケージにヒートシンクが必要です。
5ミリオームでは、Rdsonの熱放散は0.5ワットになります。負荷電力の0.4％。
静止空気中のTO220は、それを処理します。
PCB銅を最小限に抑えたDPak / TO252 SMDは、それで問題ありません。

うまく機能するSMD MOSFETの例として。
2.6ミリオームのRdsonベストケース。実際には約5ミリオームと言います。30V、60A定格。ボリューム$ 1。おそらく1に数ドル。60Aを使用することはありません。これはパッケージの制限です。
10Aでは、上記のように500 mWの損失です。
熱データは少し不確かですが、1 "x 1" FR4 PCB定常状態で54 C / Wジャンクションから周囲へのように聞こえます。
したがって、約0.5W x 54 C / W = 27C上昇します。30Cと言います。エンクロージャーでは、接合部温度はおそらく70〜80度になります。真夏のデスバレーでも大丈夫です。[警告：夏の半ばにザブリスキーポイントのトイレのドアを閉めないでください!!!!] [あなたが女性で地獄であっても

データシートAN821をデータシートに追加-SO8熱問題に関する優れた論文

$ 1.77 / 1で、かなり良いTO263 / DPakデバイスが手に入ります。
ここからのデータシートにはミニNDAが含まれています！ NDAによる制限-自分で読んでください。
30v、90A、最小銅線で62 K / W、ささやきで40 k / W。これは、このタイプのアプリケーションでは素晴らしいMOSFETです。
多くの数十アンペアで達成可能な5ミリオーム未満。実際のダイにアクセスできる場合、これをスターターモータースイッチ（グラフでは360Aに指定）として小型車を起動できますが、ボンドワイヤの定格は90Aです。すなわち、内部のMOSFETはパッケージの能力を大きく超えています。
たとえば、30Aの電力= I ^ 2 x R = 30 ^ 2 x 0.003 = 2.7W。
データシートを見ると、0.003オームは公平なようです。

負荷は、Rdsをできるだけ低く保つための主な問題ではなく、集中する必要があるVgsです。
PMOSの場合、ゲート電圧が低いほど、Rdsは低くなります（ラッセルが指摘するように、絶対 Vgs は高くなります）。これは、この場合、入力信号の最低点が最高のRdsを引き起こすことを意味します（AC信号の場合）

したがって、頭に浮かぶ4つのオプションがあります。

1. ゲート電圧を可能な限り下げます（絶対Vgsを上げます）（もちろん仕様内にとどまりながら）

2. 信号のDCレベルを上げる（またはpk-pkスイングを下げる）

3. 信号電圧がRdsに影響を与えないように、4リードMOSFETを使用します（したがって、ソースとは別に基板にバイアスをかけることができます）。

4. 上記すべてに当てはまるもの-Vth / Rdsが非常に低いMOSFETを使用する

5. オプションの場合、2つ目のMOSFETを並列に使用すると、合計抵抗が半分になり、電力消費が半分になります。これは、個々のMOSFETの消費電力が1つのMOSFETバージョンの0.25であることを意味します。これは、理想的なRdsマッチングを前提としています（MOSFETは正の温度係数を持ち、同じバッチのコンポーネントは非常に近いため、近くなります）。

Rdsが入力信号によってどのように変化するかを示すには、この回路を見てください。

シミュレーション：

緑のトレースは入力信号、青のトレースはMOSFET Rdsです。（このMOSFETのしきい値電圧は、おそらく周りのこのレベルで）非常に鋭く〜1Vの電圧Vgsの下に-入力信号電圧が低下すると私たちは、RDSが上昇し、見ることができる
電圧は唯一のMOSFETターンオンの最初に小さな道をディップすることを注意オフ; これは非常に迅速に発生し、さらに数ミリボルトでもかなり高いRdsを生成します。

このシミュレーションは、MOSFETが完全にオンになったとき、負荷の影響がほとんどないことを示しています。

X軸は負荷抵抗（R_load）、青のトレースは1Ω〜10kΩの範囲のMOSFET Rdsです。Rdsの変動は1mΩ未満であることがわかります（急激な遷移は単なるSPICEであると思われますが、平均値はかなり信頼できるはずです）ゲート電圧は0V、入力電圧は3VDCでした。