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Utilisation des NMOS en interface de puissance
DAUDET78
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#1 Message par DAUDET78 » lun. 5 nov. 2018 17:17 lien vers la Data-Sheet : Cliquez ici

Bonjour,

Vu le nombre d’interrogations sur la commande en ON/OFF d’une charge alimentée par une tension DC différente de la tension d’alimentation du circuit logique avec un transistor NMOS, voici un petit tuto qui aborde le problème.

1/ Préliminaires

Le sujet est vaste, très vaste. Aussi, on va se limiter, pour le moment, à la simple commande par tout ou rien d’une charge constituée par exemple d'un relais, d'une résistance chauffante alimentée en DC, d'un ruban LED alimenté en 12V , ou encore d'un moteur.
Donc, ce n’est pas applicable aux commandes en PWM, aux ponts « H » et aux commandes de charges alimentées en AC.
De plus, l’utilisation d’une isolation galvanique (optocoupleur) ne sera pas abordée.
J'ai choisi, arbitrairement, la datasheet du PIC18F2525 afin d'indiquer où trouver les informations qui sont importantes pour brancher un NMOS sur une sortie.
PS : si ce tuto plait, on pourra en faire d’autres sur ces thèmes.

2/ Comment fonctionne un NMOS ?

Pour notre usage, on peut considérer que c’est un simple interrupteur commandé par un signal de tension .

  • Le signal de commande est appliqué entre la source et la grille
  • Le « contact » se fait entre la source et le drain
00 NMOS.JPG

idea ! Quelques remarques :
  • en position OFF, le courant de fuite est très faible (de l’ordre de moins de la centaine de µA)
  • en position ON, la résistance que présente l’interrupteur est très faible (entre 5 et quelques centaines de milliohm) et est appelée RDS(ON).
    On verra que c’est un paramètre très important dans le choix du NMOS.
  • le 0V du signal de commande est commun avec le 0V de la source de tension qui alimente la charge. On verra que cela peut imposer des contraintes de câblage.
  • Il y a une diode interne en inverse entre le drain et la source. Cette diode ne peut pas être utilisée comme diode de roue libre.
  • la grille d’un NMOS se comporte comme un condensateur de l’ordre du nanofarad (paramètre CIss de la datasheet) et donc ne consomme aucun courant en statique. Par contre, pour la faire changer de niveau, il faut lui fournir une pointe de courant non négligeable.


3/ Quelles sont les caractéristiques du NMOS qui sont importantes?

Si on lit la datasheet d’un NMOS, il faut regarder (voici , au zazard, celle du IRL540) :
http://www.farnell.com/datasheets/140623.pdf

La valeur du RDS(ON)
C’est la valeur garantie à 25°C de la résistance interne du NMOS quand il est conducteur et cette valeur est spécifiée pour un VGS donné. Ce RDS(ON) permet de calculer la chute de tension dans le NMOS en conduction et aussi la puissance dissipée dans le NMOS.
On voit qu’un IRL540 demande 4V pour que le RDS(ON) soit inférieur à 63mΩ pour un courant drain max de 15A.
01 Rds(ON) IRL540.JPG

Avec un courant de 2A dans la charge, la chute de tension est donc de U=R*I -> 0,063*2=126mV et il dissipe P=UI -> P= (R*I)*I -> P=R*I² -> 0,063*2²= 0,252W . Il n’a donc pas besoin d’un radiateur.
Attention : plus le transistor chauffe, plus RDS(ON) augmente (en gros il passe à 100mΩ à 100°, voir la figure 4 page 3).

La valeur du courant drain
Le RDS(ON) est spécifié pour un courant drain max de 15A. Donc, on peut l’utiliser (théoriquement ) jusque 7,5A (coefficient de sécurité classique de 2). Mais attention à l’échauffement ! Il dissipe alors 0,063*7,5²= 3,54W à 25° ….. le IRL540 est donc un très mauvais choix pour un tel courant.

La valeur min du VGS(Th)
Le VGS(Th) sert uniquement à spécifier le début de mise en conduction du NMOS (1V pour le IRL540 ). Ce paramètre ne pose aucun problème pour une commande logique qui est toujours bien inférieure à 1V au niveau bas.

La valeur de CIss
Ce paramètre a peu d'importance en commande statique (qui est notre cas). Par contre en commande de PWM ou autres, il faudra en tenir compte .
02 Ciss IRL540.JPG

Mais, attention, une sortie logique n'aime pas beaucoup de piloter une charge capacitive. En effet, il lui faut fournir un courant important pour charger et décharger la capacité grille/source. Pour limiter ce courant, on place , en série avec la commande et la grille une résistance. Quelle valeur ? Tout dépend du courant max que peut fournir (IOH) ou absorber (IOL) la sortie du µC. Il faut regarder ce paramètre sur la datasheet ( §26.3 N°D090 et §26.3 N°D080 ). Dans le pire cas, c'est 3mA qu'il ne faut pas dépasser. Donc, pour une alimentation VDD=5V, la résistance est de 5/0,003=1666 . Une 1,7KΩ conviendra parfaitement.
NB : il ne faut pas aller trop haut en valeur ! En effet, plus la résistance est grande, plus les temps de commutation sont allongés et donc une dissipation plus grande dans le NMOS lors des changements d'état.

La puissance qu'il peut dissiper (sans mourru !)
On sait calculer la puissance que le NMOS va dissiper en conduction. Mais quelle va être sa température de jonction ?
03 Rth IRL540.JPG

Il faut distinguer deux cas :
  • Le transistor est monté sur un radiateur et il faut faire des calculs. Un site que l'on peut consulter : https://www.sonelec-musique.com/electro ... alcul.html
    NB : normalement, si le NMOS est bien choisi, on n'a pas besoin de radiateur ... sauf cas très spécial !
  • Le transistor est tout nu et sa température dépend de la résistance thermique Jonction/Ambiante
Donc dans ce dernier cas, la température de la jonction, c'est Température_Ambiante + RTH(JA)*W
Si on reprend l'IRL540 avec 2A de courant drain , avec une température ambiante de 60°C (le 15 aout à 12H00 !) et un RDS(ON) de 63mΩ, on a une température de jonction de 60+62*0,063*2²= 75,6°C. Il faut donc refaire le calcul avec la valeur RDS(ON) à 75°C(voir la figure 4 page 3) et rebelote !
A la louche, on voit que ça converge vers 80 à 84° . Donc c'est tout bon !
NB : La datasheet indique que la température de jonction ne doit pas dépasser 175°C. Mais il faut se rappeler qu'en électronique, moins un composant est chaud, plus sa durée de vie est grande !

4/ En résumé :

Pour faire le bon choix ...
  • On connait la tension d'alimentation de la charge, par exemple, 12V. Il faut un NMOS qui tienne au minimum 24V. Attention de ne pas prendre trop haut. Plus la tension est élevée, plus le RDS(ON) est grand !
  • On connait le courant dans la charge, par exemple, 2A. Il faut un NMOS qui tienne au minimum 4A. Attention : Une lampe à filament demande, au démarrage à froid, un courant dix fois plus grand que celui de fonctionnement à chaud!
  • On connait la tension de commande du NMOS . 5V ? 3,3V ? 2V ?
  • On sélectionne le NMOS qui a un RDS(ON) le plus faible possible (avec la tension de commande disponible), surtout si le courant drain est élevé !
  • On sélectionne le boitier du NMOS qui est compatible avec un refroidissement/encombrement correct. Un boitier TO220 dissipe, tout nu, un peu moins d'un Watt, pas un composant SMD !
  • On sélectionne aussi en fonction de son fournisseur favori ..... de la disponibilité ...... du prix !

:!!: Et on fait le bon schéma !
Tiens ? c'est pas le même qu'au début .......


04 NMOS.JPG



  • Il y a une 100KΩ qui sert, lors du Reset du µC, à fixer à 0V la tension grille. En effet , la broche du µC est en mode "Input" tant que le programme d'initialisation ne la mette en "output" . La tension grille serait indéterminée sans la PullDown (résistance de tirage vers le bas ... en Français).
  • Il y a Rserie dont on a causé.
  • Il y a une diode (dite de roue libre) qui absorbe la surtension due a une charge selfique. Elle doit supporter en inverse la tension d'alimentation et en direct le courant de la charge. Une simple diode de redressement est utilisable (Une 1N4004 tient 400V et 5A en crête ).
  • Le câblage de l'alimentation de puissance et de l'alimentation du µC est en étoile. Le courant (important) de la charge ne passe donc pas dans le 0V du µC

idea ! La question qui tue .....
Ouais, mais il y a des milliers de NMOS ! Comment je fais mon choix avec tous ces beaux critères ? ? ? ?

Certains sites (Farnell, RadioSpare, Digikey etc ) ont des filtres de sélection. Mais attention ! Toujours vérifier sur la datasheet du NMOS (ils fournissent le lien vers celle-ci) que le site du vendeur de tapis ne comporte pas d'erreurs !
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Modifié en dernier par DAUDET78 le mer. 7 nov. 2018 06:38, modifié 4 fois.
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Tuto sur l'utilisation des NMOS en interface de puissance
DAUDET78
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#2 Message par DAUDET78 » lun. 5 nov. 2018 17:19 lien vers la Data-Sheet : Cliquez ici

Et la cerise sur le gâteau, voici une liste de NMOS 5V , 3V et 2V :
ATTENTION : Le fichier ayant été commencé il y a plus de 5 ans, il n'y a aucune garantie sur la disponibilité des composants et la validité des liens WEB

BS170 50V 0,2A 7,5 Ohm http://www.datasheetcatalog.org/datashe ... 011379.PDF
bsc020n03msg 30V 30A 0,0025 ohm http://www.infineon.com/dgdl/Infineon-B ... 4cd99d033e
BSR802 20 3,7A 1,8V 0,032Ohm SOT23 http://www.farnell.com/datasheets/1648230.pdf
BSH105 20V 0,6A 4,5V=0,2 ohm 2,5V=0,25 ohm SOT23 http://www.nxp.com/acrobat_download/dat ... H105_3.pdf
BTS141 12A 0,068 protegé http://www.infineon.com/dgdl/BTS141TC_D ... 003e&ack=t
BUK101 50V 13A 0,06 Ohm http://www.datasheetcatalog.org/datashe ... 1-50DL.pdf
BUK555 13A 100V 0,1Ohm TO220 http://www.datasheetcatalog.org/datashe ... 5-100A.pdf
BUK954 80V 24A 0,0044 Ohm http://www.nxp.com/documents/data_sheet ... R4-80E.pdf
BUK9535 100 25A 0,035
CSD18504KCS 40V 40A 0,010 Ohm http://www.farnell.com/datasheets/1682186.pdf
DMG4406 30V 10A 0,015 Ohm boitier SO8 http://www.diodes.com/datasheets/DMG4406LSS.pdf
FDD8778 20V 33A 0,021 ohm http://pdf.datasheetcatalog.com/datashe ... DD8778.pdf
FQP30N06L 60V 16A 0,045 ohm https://www.fairchildsemi.com/datasheet ... 30N06L.pdf
IRFD110 http://www.datasheetdir.com/VISHAY-IRFD110+download
IRFD024 http://www.datasheetdir.com/IRFD024+download
IPS0151 30V 3A http://www.datasheetdir.com/IPS0151+download
IRL510 100V 3A http://www.datasheetdir.com/IRL510+download
IRL540 4 et 5V 17A 100V 0.077 http://www.vishay.com/docs/91300/91300.pdf
IRL630 200 5A http://www.datasheetcatalog.org/datashe ... irl630.pdf
IRLB8721 30V 25A 0,016 ohm https://cdn-shop.adafruit.com/datasheet ... 721pbf.pdf
IRLML2803 40V 0,46A 0,4 Ohm SOT23 http://www.irf.com/product-info/datashe ... ml2803.pdf
IRLML6344 30V 4A 0,037 2,5V http://www.irf.com/product-info/datashe ... 344pbf.pdf
2N7000 48V 75mA http://www.datasheetdir.com/NXP-2N7000+download
VN2210 http://www.datasheetcatalog.com/datashe ... 2210.shtml
IRLR024N en d²pack ou TO220 60V 8A 0,080 ohm http://www.datasheetcatalog.com/datashe ... R024.shtml
IRLD024 et IRLD120 en Hexdip
buk555
IRF3717 et IRF3704
IRL3102 http://www.datasheetcatalog.com/datashe ... 3102.shtml
IRL3803 59A 30V 0,009 Vgs=4,5V http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet- ... L3803.html
IRLB4030 92A 100V 0,0045 http://www.irf.com/product-info/datashe ... 030pbf.pdf
http://www.irf.com/product-info/datashe ... 030pbf.pdf
IRLR7821 12A 30V 0,0125 Vgs=4,5V http://www.irf.com/product-info/datashe ... 821pbf.pdf
obsolete IRF3706 18A 20V 0,022 Vgs=2,8V http://www.datasheetcatalog.org/datashe ... rf3706.pdf
IRF7105 0,5A NMOS+PMOS http://www.irf.com/product-info/datashe ... 105pbf.pdf
IRF7303 2A 30V http://www.datasheetcatalog.com/datashe ... 7303.shtml
IRF7307 2A 30V
IRF7476 0,030ohm Vgs=2,8V 12A 12V http://docs-europe.origin.electrocompon ... 8a418e.pdf
IRL540N 0,063ohm Vgs 4V 15A 100V http://www.produktinfo.conrad.com/daten ... F_540N.pdf
IRLB8743 0,0042 ohm 30V 27A http://docs-europe.electrocomponents.co ... f35038.pdf
IRLZ34N 0,046Ohm 16A 55V http://www.datasheetcatalog.org/datashe ... rlz34n.pdf
IRLML00300 0,040Ohm 4,2A 20V CMS http://www.irf.com/product-info/datashe ... 030pbf.pdf
IRLML2060 640mo 1A 60 http://www.irf.com/product-info/datashe ... 060pbf.pdf
IRLML6344 37mOhm 4A 2,5V 30V http://www.irf.com/product-info/datashe ... 344pbf.pdf
PMV45 0,042ohm Vgs=4,5V 1,5A 25V http://www.datasheetcatalog.org/datashe ... 5EN-01.pdf
Si4378 22A 20V 4mOhm 2,5V http://www.vishay.com/docs/72918/si4378dy.pdf
SUD40N03 10A 30V 27mOhm TO252 http://docs-europe.origin.electrocompon ... 59e7d8.pdf
ZVN4306 1,5A 60V 0,45 ohm TO92 http://docs-europe.electrocomponents.co ... 0ad5ca.pdf
2N7000 50mA 60V 0,2 ohm TO92 https://www.fairchildsemi.com/datasheets/2N/2N7000.pdf
Et d'autres listes :
En 2,5V : http://www.vishay.com/mosfets/25-rated-on-res/
En 1,2V : http://www.vishay.com/mosfets/12-rated-on-res/
L'age n'est pas un handicap .... Encore faut-il arriver jusque là pour le constater !

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#3 Message par Gérard » mar. 6 nov. 2018 14:32 lien vers la Data-Sheet : Cliquez ici

Hello l'artiste,
Content de te lire ici. Avec ton savoir et tes tutos, tu vas en faire des contents ici.

:bravo: :bravo:
Le 11 / 07 / 2017, j'ai commandé une Ford Mustang.
Le 31 / 08 / 2017, j'ai eu la Mustang, un régal.

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#4 Message par Temps-x » mar. 6 nov. 2018 19:36 lien vers la Data-Sheet : Cliquez ici

Bonjour,

DAUDET78 a écrit :Source du message PS : si ce tuto plait, on pourra en faire d’autres sur ces thèmes.


:+1: Ah que ouais, il me plait bien ce tutoriel, super instructif, il faut que je prenne le temps de le lire à tête reposé.

Mais je vais le lire entièrement, peut être des questions après lecture mais seulement en fin de semaine, dans tous les cas Merci !

==> A+
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