Wie Sie den richtigen MOSFET finden (Teil 5) – Schalten von Verbrauchern

| Autor / Redakteur: Brett Barr* / Kristin Rinortner

MOSFETs auswählen: Wie Sie den richtigen FET für Ihre Anwendungen finden.
MOSFETs auswählen: Wie Sie den richtigen FET für Ihre Anwendungen finden. (Bild: N-Kanal.MOSFET / Markus A. Hennig / BY-SA 3.0)

Mehr als alles andere werden MOSFETs als Lasttrennschalter eingesetzt – die Zahl geht in die Hundertmillionen. Ob der Preis oder die Größe im Einzelfall Priorität hat, bestimmt darüber, welchen MOSFET Sie für Ihre Schaltung wählen. Zwei Herangehensweisen.

„Eine Weggabelung in einem gelben Wald. Der eine Weg war mit FemtoFET bezeichnet, der andere mit SOT-23. Ich entschied mich für FemtoFET, um eine kleinere Leiterplatte zu bekommen.“

– Robert Frost (glaube ich zumindest).

Vielleicht sollte ich zunächst definieren, was ich mit „Lasttrennschalter“ meine. In diesem Artikel verstehe ich darunter jeden Kleinsignal-FET, dessen einzige Funktion in einem System darin besteht, einen Strom von weniger als 1 A zu einem anderen Bauelement auf der Leiterplatte entweder durchzulassen oder zu blockieren.

Batterieschutz-MOSFETs haben eine ganz ähnliche Funktion, sind aber eine eigene Untergruppe der Lasttrennschalter-Applikationen, in denen auch deutlich höhere Ströme auftreten können.

Unser Applikations-Team bezeichnet die Lasttrennschalter-FETs als „Feenstaub“, weil sie nach Fertigstellung eines Großteils des Designs über das System verteilt werden. Damit tut man diesen kleinen Kraftwerken möglicherweise Unrecht, sind sie doch nicht selten das, was das gesamte elektronische System zusammenhält.

Die kleinen Signale, die über diese Bauelemente laufen, machen meist nur einige hundert Milliampere aus, sodass theoretisch nichts dagegen spräche, diese Funktion zu integrieren. Die Kosten kundenspezifischer integrierter Schaltungen übersteigen aber häufig ihren Nutzen. Somit ist es einfacher, ein fertiggestelltes Design durch diese Kleinsignal-FETs zu vervollständigen, anstatt ein kundenspezifisches IC in Auftrag zu geben oder abzuändern.

Aus dem gerade Gesagten ergeben sich zwei Hauptforderungen an diese Bausteine: sie müssen billig und klein sein. Welche dieser beiden Anforderungen im Einzelfall wichtiger ist, bestimmt darüber, welche Art MOSFET sich am besten für Ihr Design eignet.

Priorität Kosten

Haben die Kosten die höchste Priorität, dürften die kleinen Gehäuse der SOT-Serie (Small-Outline Transistor) wie etwa die Bauarten SOT-23, SOT-26, SOT-323 oder SOT-523 die richtige Wahl sein. Diese Bauelemente nehmen auf der Leiterplatte eine Fläche zwischen 2,6 und 10 mm² ein. Ihr Einschaltwiderstand liegt zwischen einigen hundert Milliohm und einigen Ohm, und sie eignen sich je nach Widerstand für Ströme bis zu etwa einem halben Ampère.

Sie bestehen aus einem etwas sperrigen Gehäusekörper mit großen, außenliegenden Anschlüssen (Bild 1). Einige Entwickler bevorzugen die herausgeführten Anschlüsse, da sie die Montage auf der Leiterplatte erleichtern und eine einfache Sichtprüfung der Lötverbindung erlauben. Die attraktivste Eigenschaft dieser FETs ist jedoch ihr niedriger Preis. Ich möchte hier anmerken, dass TI keine MOSFETs in diesen Gehäusen anbietet und auch nicht die Absicht hat, auf diesem Massenmarkt aktiv zu werden.

Priorität Größe

Wenn es aber vorrangig darum geht, die von zahlreichen externen Kleinsignal-Transistoren beanspruchte Leiterplattenfläche zu reduzieren, ist ein CSP (Chip-Scale Package) oder ein LGA (Land Grid Array) die bessere Wahl. Bei TI gibt es eine breite Auswahl an solchen Bauelementen, von denen die FemtoFET-Produktlinie (Bild 2) am populärsten ist. Diese Bauelemente brauchen wenig Platz, und es gibt Optionen mit knapp 0,5 mm².

Die winzigen Abmessungen führen allerdings unweigerlich zu einem hohen Wärmewiderstand zwischen Sperrschicht und Umgebung über die Leiterplatte. Da die Einschaltwiderstände jedoch um eine bis zwei Größenordnungen kleiner sind als bei den SOIC-Versionen mit mehr Flächenbedarf, können die niedrigeren Leitungsverluste den geringfügig höheren Wärmewiderstand mehr als wettmachen, sodass die Stromtragfähigkeit unter dem Strich sogar höher ist (in einigen Fällen über 1 A).

Bevor Sie sich für einen der beiden Wege entscheiden, möchte ich auf zwei Dinge hinweisen. Erstens sollten Sie vor der Entscheidung für einen FemtoFET (oder einen anderen extrem kleinen Baustein) die Fähigkeiten Ihrer Leiterplattenfertigung überprüfen. Einige Fertigungsprozesse bevorzugen nämlich einen größeren Abstand zwischen den Befestigungs-Pads (sodass hier SOT-Bausteine präferiert werden). Hersteller elektronischer Kleingeräte dagegen kommen oftmals mit Anschlussrastern bis 0,35 mm herab zurecht (dies entspricht den FemtoFET-Gehäusen F4 und F3).

FET-Verlustleistung des Systems

Ich habe mich bereits ausführlich über das Thema Nennstrom geäußert. Da der alleinige Zweck eines Lasttrennschalters aber darin besteht, kleine Ströme zu leiten, möchte ich noch einmal hierauf eingehen. Wie üblich, ist es am besten, die vom Anbieter beworbenen Nennströme zu vergessen und stattdessen umgekehrt vorzugehen, indem Sie überlegen, welche FET-Verlustleistung das System zulässt.

In den meisten Datenblättern ist der thermische Widerstand zwischen Sperrschicht und Umgebung (RθJA) für Leiterplatten mit maximaler und minimaler Kupfermenge angegeben. Auf der sicheren Seite ist man, wenn man die Situation mit minimalem Kupfer als ungünstigsten Fall ansetzt.

Wenn Sie aber die Abmessungen der finalen Leiterplatte kennen, könnten Sie versuchen, einen zwischen den im Datenblatt angegebenen Werten für die minimale und die maximale Kupfermenge liegenden Wert für (RθJA) zu interpolieren.

Mit Gleichung 1 und dem Wissen über die ungünstigsten Umgebungsverhältnisse der finalen Anwendung können Sie anschließend berechnen, wieviel Verlustleistung der FET verträgt und wie hoch demzufolge der Strom sein darf.

(Gleichung 1)
(Gleichung 1)

Ein positiver Aspekt von Lasttrennschalter-Anwendungen ist, dass der Baustein entweder ein- oder ausgeschaltet ist. Im Unterschied zu allen anderen Anwendungen, auf die ich in dieser Serie eingegangen bin, handelt es sich hier deshalb bei allen auftretenden Verlusten um Leitungsverluste (I2R).

Vielen Dank fürs Lesen. Im nächsten Beitrag befasse ich mich eingehender mit einem Teilbereich der Lasttrennschalter-Applikationen, den ich zu Anfang bereits kurz erwähnt habe: dem Einsatz von FETs als Batterieschutz.

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* Brett Barr arbeitet als Product Marketing Engineer bei Texas Instruments in Bethlehem / U.S.A.

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