MOSFET

Управление напряжением, а не током

MOSFET (полевой транзистор с изолированным затвором, по-русски МОП-транзистор) — второй главный ключ на платах. Его выводы: затвор (G, gate), сток (D, drain), исток (S, source).

Главное отличие от биполярного: затвор отделён от канала тонким слоем окисла и ток в статике не потребляет. Транзистор открывается напряжением между затвором и истоком (VGS), а не током. Поэтому MOSFET удобно включать прямо от вывода микроконтроллера, а сопротивление открытого канала у современных транзисторов — миллиомы.

Аналогия: биполярный транзистор — кран, который держат открытым струёй воды. MOSFET — кран с электромагнитной защёлкой: достаточно приложить «давление» к затвору, и он открыт, расход на управление почти нулевой.

📖Из учебникагл. 3, §3.01–3.02, с. 122–129

Хоровиц честно признаёт, что новичка разнообразие полевых транзисторов вводит в ступор: n- и p-канальные, с p-n-переходом и с изолированным затвором, обогащённого и обеднённого типа. На практике в ключах на платах почти всегда используют МОП-транзисторы обогащённого типа: при нулевом напряжении на затворе они закрыты, а открываются при положительном (N-канал) или отрицательном (P-канал) напряжении затвор–исток.

Два параметра, которые путают все

Параметр	Что это на самом деле
VGS(th) — пороговое напряжение	напряжение, при котором транзистор начинает открываться и пропускает крошечный ток (обычно 250 мкА). Это не напряжение полного открытия!
RDS(on) — сопротивление открытого канала	указывается при конкретном VGS: 10 В, 4,5 В, 2,5 В… Чем меньше VGS, тем больше RDS(on)

Пример по даташиту AO3400A (N-канал, 30 В, корпус SOT-23):

VGS	RDS(on), макс.
10 В	26,5 мОм
4,5 В	32 мОм
2,5 В	48 мОм

VGS(th) у него от 0,65 до 1,45 В. Раз RDS(on) гарантирован при 2,5 В, транзистор подходит для управления от логики 3,3 В: это транзистор с логическим уровнем затвора (logic-level). У многих мощных MOSFET RDS(on) указан только при 10 В — от вывода МК на 3,3 В они откроются лишь частично и будут греться.

⚠️Внимание

Правило выбора: в даташите должен быть RDS(on), гарантированный при напряжении, которое у тебя реально будет на затворе (или меньшем). Ориентироваться на VGS(th) нельзя: при VGS чуть выше порога канал ещё почти закрыт.

Ключ в нижнем плече

Рис. 2.7. Ключ на N-канальном MOSFET в нижнем плече. Затвор управляется напряжением, тока в статике почти не берёт. Резистор 100 Ом ограничивает импульс тока перезаряда ёмкости затвора, 100 кОм к земле держат транзистор закрытым, пока вывод МК не настроен. Диод гасит выброс от индуктивной нагрузки.

Схема для включения нагрузки от вывода МК — N-канальный MOSFET между нагрузкой и землёй (low-side switch):

1. Исток — на землю, сток — к нагрузке, нагрузка — к питанию (оно может быть выше напряжения логики, например 12 В).
2. Резистор в цепи затвора (десятки–сотни ом). Затвор — это конденсатор (у AO3400A входная ёмкость Ciss ≈ 630 пФ). В момент переключения он заряжается импульсом тока, и резистор этот импульс ограничивает, а заодно гасит звон.
3. Подтяжка затвор–исток (10–100 кОм). Пока МК сбрасывается и вывод «висит», транзистор не должен самопроизвольно открыться.
4. Обратный диод на индуктивной нагрузке (урок 2.4).
5. Проверка нагрева: P = I² · RDS(on). Нагрузка 2 А на AO3400A при VGS = 4,5 В: 4 · 0,032 ≈ 0,13 Вт — терпимо для SOT-23 с хорошей медью вокруг; при 2,5 В уже ≈ 0,19 Вт.

Ключ в верхнем плече (между питанием и нагрузкой) делают на P-канальном MOSFET. Затвор у него нужно тянуть ниже истока, поэтому от логики им обычно управляют через дополнительный маленький транзистор. Так же, на P-MOSFET, строят защиту от переполюсовки почти без потерь.

Встроенный диод

У любого обычного MOSFET есть паразитный диод исток–сток (body diode): у N-канального анод на истоке, катод на стоке. Он проводит, когда напряжение на стоке ниже истока. Поэтому MOSFET в выключенном состоянии блокирует ток только в одну сторону — это важно в схемах защиты и коммутации батарей.

Статическое электричество

Окисел затвора очень тонкий, и разряд статического электричества с пальцев его пробивает. Транзистор после этого может выглядеть живым, но работать странно или иметь утечку.

📖Из учебникагл. 3, §3.15, с. 177–179; табл. 3.7

Хоровиц объясняет механизм: затвор отделён от канала слоем стекла толщиной в доли микрона, и накопленному заряду просто некуда стечь. По его таблице, человек, прошедший по ковру в сухом помещении, может зарядиться до десятков киловольт. Защита на производстве — контроль влажности, ионизаторы, антистатическая одежда и обученный персонал. Впаянный в схему транзистор повреждается гораздо реже. Логические КМОП-микросхемы имеют защитные диоды на входах, а мощные MOSFET часто нет, и уязвимее всего приборы с маленькой площадью затвора.

🛠Особенность Altium

У MOSFET в SOT-23 нумерация выводов почти всегда G=1, S=2, D=3, но бывают исключения — проверяй по даташиту. Силовые MOSFET в корпусах типа DPAK или PowerPAK отводят тепло через большую площадку стока: на плате под ней нужен полигон меди и термопереходы (урок 5.8).

Практика

1. Нужно включать светодиодную ленту 12 В / 1,5 А от МК на 3,3 В. Какие параметры MOSFET искать? (N-канал, VDS ≥ 20–30 В, ID с запасом ≥ 3 А, RDS(on) гарантирован при VGS ≤ 2,5–3,3 В.)
2. Посчитай потери на AO3400A при 1,5 А и VGS = 2,5 В. (1,5² · 0,048 ≈ 0,11 Вт.)
3. Зачем резистор 100 кОм между затвором и истоком? (Держит транзистор закрытым, пока вывод МК не настроен, и разряжает ёмкость затвора.)

🧯 Типичные ошибки

MOSFET с VGS(th) = 2 В от логики 3,3 В греется

Почему Пороговое напряжение — это начало открытия. При 3,3 В канал открыт не полностью, RDS(on) большое.

Как исправить Выбирай транзистор, у которого RDS(on) гарантирован при 2,5 В (logic-level), или управляй затвором от 10 В через драйвер.

Нагрузка кратковременно включается при подаче питания

Почему Затвор не подтянут к истоку, а вывод МК при старте находится в высокоимпедансном состоянии.

Как исправить Резистор 10–100 кОм между затвором и истоком.

Новый MOSFET работает странно после пайки

Почему Пробой затвора статикой.

Как исправить Заземлённый браслет, антистатический коврик, паяльник с заземлённым жалом.

Проверь себя

1. 1. Чем управляется MOSFET?

   Током базыНапряжением затвор–истокТоком стока
2. 2. Что означает VGS(th) в даташите?

   Напряжение, при котором транзистор полностью открытНапряжение, при котором транзистор начинает проводить малый токМаксимально допустимое напряжение на затворе
3. 3. Какая мощность выделится на MOSFET с RDS(on) = 20 мОм при токе 3 А?

   0,06 Вт0,18 Вт0,6 Вт1,8 Вт
4. 4. Куда подключают исток N-канального MOSFET в ключе нижнего плеча?

   К питанию нагрузкиК землеК выводу МК

🎯Практическое задание~30 мин

Подбери у дистрибьютора N-канальный MOSFET в корпусе SOT-23 для ключа 5 В / 2 А с управлением от 3,3 В. Выпиши VDS, ID, RDS(on) при 2,5 В и 4,5 В, VGS(th), Ciss. Посчитай нагрев при 2 А и нарисуй полную схему ключа с резистором затвора, подтяжкой и диодом (нагрузка — мотор).