Seleção de MOSFET: VDS, RDS(on), Qg e Térmica
A maioria das escolhas de MOSFET falha no segundo ou no terceiro número, não no primeiro. A tensão nominal é fácil; é na resistência em condução com o seu acionamento de porta real, e no calor que daí advém, que os projetos falham.
Resposta rápida
- VDS: pelo menos 1.5–2× a tensão máxima de entrada, incluindo transitórios.
- RDS(on): à tensão de gate que realmente aplica — não ao valor de 10 V.
- Qg: define a perda de condução da porta e a velocidade de comutação; um die grande tem mais disso.
- Térmico: o encapsulamento e o cobre decidem se a perda é suportável.
1. Tensão: o número fácil
Num barramento de 24 V com transitórios de carga, podem surgir 30–36 V no dreno. Um FET de 40 V é um bom ponto de partida; um de 30 V não. A regra prática é 1.5–2× o barramento nominal, e verifique a classificação de avalanche se a carga for indutiva.
Classificações de tensão mais elevadas normalmente acarretam maior RDS(on) para o mesmo tamanho de pastilha, por isso não especifique em excesso: um componente de 100 V num barramento de 12 V custa resistência em condução por uma margem de que não precisa.
| Barramento | VDS a ter em conta | Comentário |
|---|---|---|
| 5 V | 20–30 V | Plenty of choice, low RDS(on) |
| 12 V | 30–40 V | The common sweet spot |
| 24 V | 40–60 V | Check transients on the rail |
| 48 V | 80–100 V | RDS(on) rises; parallel devices may be better |
2. RDS(on) à sua tensão de porta
As folhas de dados indicam o RDS(on) a 10 V, muitas vezes também a 4,5 V e raramente a 2,5 V. Se o gate driver for um pino de MCU de 3,3 V, o valor de 10 V é ficção para o seu projeto: o componente pode estar apenas parcialmente ativado e a resistência ser várias vezes superior.
| Acionamento da porta | Classe de peça | A que estar atento |
|---|---|---|
| 10–12 V | Standard | Gate charge and driver current |
| 4.5–5 V | Logic-level | Check the 4.5 V column exists |
| 2.5–3.3 V | Sub-logic-level | Fewer parts; watch threshold spread |
3. Qg e o driver
Perda de gate = Qg x Vg x fsw Qg 30 nC, 10 V, 100 kHz: 30 mW Qg 6 nC: 6 mW
A perda de gate é pequena a 100 kHz e dominante a 1 MHz. A outra metade é a perda de comutação durante a transição, que depende da rapidez com que o driver consegue carregar e descarregar a gate — um driver fraco com um Qg grande transforma um componente de “baixo RDS(on)” num aquecedor.
A força do driver é a outra metade da equação. Um GPIO de 3,3 V fornece alguns miliamperes; um driver de gate dedicado fornece amperes durante alguns nanossegundos. Com um Qg grande e um driver fraco, o FET passa mais tempo na região linear em cada flanco, e esse tempo é calor.
4. O orçamento de perdas
| Termo | Fórmula | Nota |
|---|---|---|
| Conduction | I² × RDS(on) × D | Use RDS(on) at temperature |
| Switching | 0.5 × VDS × I × (tr + tf) × fsw | Measured, not guessed |
| Gate | Qg × Vg × fsw | Driver loss often included |
| Body diode | VF × I × dead time × fsw | Matters in synchronous stages |
Exemplo: 24 V para 5 V, 5 A, 200 kHz, RDS(on) 10 mΩ a 100 °C, D = 0.21. A condução é 25 × 0.010 × 0.21 ≈ 53 mW; a comutação com flancos de 20 ns é 0.5 × 24 × 5 × 40e-9 × 200e3 ≈ 480 mW; a porta a 10 nC é 2 mW. O problema é a comutação, não a condução — um flanco mais rápido ou uma frequência mais baixa altera a resposta.
Esse resultado é o oposto da intuição habitual. A 24 V e 200 kHz, o termo de comutação domina, pelo que um componente com RDS(on) ligeiramente superior mas com Qg muito inferior e flancos mais rápidos pode funcionar mais frio. A 5 V e 50 kHz, o termo de condução normalmente prevalece, e o componente com RDS baixo é o correto.
5. Térmico: encapsulamento e cobre
A almofada de dreno é o dissipador. Um DFN com uma matriz de vias e cobre no outro lado pode atingir 20 °C/W; um SOT-23 sem cobre aproxima-se de 200 °C/W em ar parado. Escolher o encapsulamento é escolher a resistência térmica.
5b. Três candidatos, a mesma função
| Candidato | RDS(on) a 4.5 V | Qg | Adequado |
|---|---|---|---|
| A: big die | 5 mΩ | 30 nC | Low frequency, high current |
| B: balanced | 10 mΩ | 10 nC | Most 100–300 kHz designs |
| C: small die | 20 mΩ | 3 nC | High frequency, light load |
Nenhuma destas é a “melhor”. A resposta certa depende do orçamento de perdas, e é por isso que a ordem de seleção começa pelos números da aplicação e não pela lista de componentes.
6. Ordem de seleção
- Filtrar por VDS (1.5–2× tensão do barramento, mais transitórios).
- Filtrar por RDS(on) à tensão de porta que vai utilizar, a 100 °C.
- Verificar Qg em relação à capacidade do driver à sua frequência de comutação.
- Verifique a resistência térmica do encapsulamento face ao orçamento de perdas.
- De seguida, verifique o díodo de corpo, a SOA e a avalanche — os detalhes que decidem os dois últimos candidatos.
7. FAQ
Um RDS(on) mais baixo é sempre melhor?
Não. Um RDS(on) mais baixo significa geralmente uma die maior, mais Qg e comutação mais lenta, o que pode aumentar as perdas totais em alta frequência.
Posso comandar um MOSFET standard a partir de 3.3 V?
Normalmente não de forma satisfatória. O limiar pode ser atingido, mas o componente não ficará totalmente ativado, pelo que o RDS(on) é muito superior ao valor da folha de dados.
Porque é que o FET aquece com corrente baixa?
As perdas de comutação e de porta não diminuem com a corrente. Com carga leve, podem ser dominantes, especialmente a alta frequência.
Preciso de uma resistência de gate?
Uma resistência pequena (2–10 Ω) atenua as oscilações e controla a EMI. Se for demasiado grande, a perda de comutação aumenta; se for demasiado pequena, as oscilações excedem a tensão nominal da porta.
Canal N ou canal P para o lado alto?
O canal N tem melhor RDS(on), mas necessita de bootstrap ou de uma bomba de carga. O canal P é mais simples e pior por área — adequado para corrente baixa.
E o díodo de corpo?
Num andar síncrono, o díodo de corpo conduz durante o tempo morto. A sua queda de tensão direta e a carga de recuperação acrescentam perdas e, numa ponte com comutação dura, podem causar oscilações. Verifique trr e Qrr, não apenas a tensão direta.
Como leio a área de funcionamento seguro?
O gráfico SOA mostra a corrente que o componente suporta para um determinado VDS e largura de impulso. É relevante para hot-plug, inrush e condições de falha — não para funcionamento em regime permanente.
De quanto cobre preciso?
Suficiente para manter a aba (tab) perto da temperatura ambiente mais alguns graus com a perda esperada. As vias térmicas sob o pad são o primeiro passo, não um dissipador de calor.
8. Fontes
- Folhas de dados de MOSFET dos fabricantes — RDS(on) a 25 °C e 100 °C, Qg, SOA, resistência térmica.
- Notas de aplicação sobre perdas de potência em MOSFET e acionamento de gate (TI, Infineon, onsemi).
- Dados térmicos do encapsulamento — RθJA com a área de cobre e o padrão de vias recomendados.
Escolher um MOSFET?
Envie a tensão da barra, a corrente de carga, a frequência de comutação e o comando de gate. Vamos verificar o orçamento de perdas e o encapsulamento antes de encomendar.
