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Como Funciona o TOPFET (ART1851)

Os projetistas se tornam cada vez mais exigentes e as técnicas de criação de novos componentes semicondutores cada vez mais sofisticadas. o resultado disso é a facilidade criar componentes que sejam dotados exatamente das características que os projetistas exigem. Os TOPFETs são um exemplo disso, desenvolvidos pela Philips Components. Estes novos componentes consistem em FETs de potência com funções on-chip incluídas. Veja neste artigo o que são os TOPFETs e algumas de suas principais características e aplicações.

TOPFET significa Temperature and Overload Protected MOSFETs ou traduzindo, MOSFETs com proteção contra sobrecarga e temperatura.

Estes componentes consistem em Transistores de Efeito de Campo de Potência que incluem on-chip, todos os elemento necessários para proteger o dispositivo contra sobrecargas que possam ocorrer em condições de limite de operação.

O processo mais usado para se obter um componente que sobreviva às condições limites de operação é a seleção.

No entanto, este não é um processo apropriado, tanto por ser custoso como também trabalhoso.

i A melhor solução, utilizada pela Philips Components, foi a inclusão na própria pastilha (on-chip) um circuito que possa monitorar as condições de funcionamento do dispositivo e ajustar suas características de modo automático.

Na figura 1 temos o diagrama de blocos de um TOPFET.

 

   Figura 1 – Diagrama de blocos de um TOPFET
Figura 1 – Diagrama de blocos de um TOPFET

 

O elemento principal é o MOSFET de potência, que tem às mesmas características dos tipos convencionais produzidos pela Philips Components.

Os tipos disponíveis atualmente são os seguintes:

Tipo Rds(on) Vis (V)
BUK100-50GL 125 5
BUK101-50GL 60 5
BUK102-50GL 35 5
BUK100-50G 100 10
BUK101-50G 50 10
BUK102-50G 28 10

 

A principal diferença entre os três grupos de TOPFETs é a área ocupada pelo MOSFET de potência.

Mas, a maior diferença num TOPFET é a conexão da comporta.

Na primeira geração de TOPFETs a entrada era conectada à comporta via dois resistores, com uma resistência total de 5,2 Ω.

Com estes resistores, a proteção podia ser realizada de forma como se faz convencionalmente num MOSFET comum de potência.

Isso significa também que os TOPFETs podem ser utilizados em projetos que foram criados originalmente para usar MOS FETs comuns de potência, sem necessidade de modificações.

O valor de 5,2 Ω foi justamente escolhido por se adaptar as características dos circuitos de entrada da maioria dos MOSFETs comuns.

No entanto, projetistas que pretendiam usar o TOPFET em aplicações de alta freqüências como, por exemplo, as que exijam excitação direta de microcontroladores, podiam achar o valor muito alto ou muito baixo, mas para, estes casos, variantes do tipo básico podiam ser produzidas com as alterações necessárias.

Para os blocos de controle, proteção contra curto-circuito e sobre-temperatura, a alimentação é obtida diretamente* do pino de entrada.

Isso significa que para uma operação conveniente, a tensão de entrada deve ser maior ou igual a Visp, o que nos leva a um valor típico entre 3,5 e 4,0 V (valores limites).

A proteção contra sobre-temperatura usa duas unidades de sensoriamento, com diferentes coeficientes de temperatura, de modo a decidir quando a temperatura do chip está muito elevada.

As saídas dos sensores são ligadas a um comparador, que muda de estado num ponto, programado, quando ocorre o cross-over.

A saída do comparador vai ao bloco de controle.

A proteção contra curto-circuito tem por base um novo tipo de arranjo sensor que mede a temperatura da parte MOSFET do chip.

Este sensor difere de diversas formas do que mede a temperatura do chip como um todo.

Depois de trabalhado, o sinal do sensor é aplicado a um comparador, que muda de estado quando a temperatura se torna muito alta.

A saída do comparador é aplicada-a uma lógica de controle.

O circuito de controle contém um latch que resseta quando a entrada Vis está no nível baixo e que é setado quando recebe um sinal tanto do comparador do sensor de sobre-temperatura, como do comparador do circuito de proteção contra curto-circuito.

A saída deste circuito é usada para controlar um transistor NMOS que é ligado entre a comporta (g) e a fonte (s) do MOSFET de potência, via um resistor de 200 Ω.

Se o latch indicador de falha for setado, este transistor conduz e a comporta do MOSFET é descarregada, desligando-o.

O circuito de proteção contra sobre tensão contém uma cadeia de zeners que começa a conduzir quando a tensão dreno-fonte excede 50 V.

Quando eles conduzem, os zeners provocam uma condução parcial do MOSFET de potência, de modo a atuar como um ceifador, reduzindo assim a tensão.

O último componente a ser levado em conta no bloco é o diodo de proteção de entrada ESD (Electrostatic Díscharge Protection), que é representado com um diodo zener.

Este elemento é projetado para operar com pulsos, não sendo apropriado para operação contínua, tanto na polarização direta como inversa.

É importante pois, que na operação do dispositivo a tensão entre a entrada e a fonte seja mantida na faixa de -0,3 V a 11 V.

 

Aplicações

a) Driver estático

A presença de uma resistência de entrada entre 3 k Ω e 5 k Ω na entrada, conforme vimos, além da necessidade de uma tensão de pelo menos 4 V para operação correta dos sistemas de proteção, exige que os TOPFETs sejam excitados por circuitos com características especiais, na comutação de cargas contínuas.

Nestas condições, o TOPFET conduzirá (on) quando a tensão de entrada for de pelo menos 4 V e desIigará ( off) quando a tensão de entrada for de menos de 1 V.

A primeira geração de TOPFETs que apresenta estas características, é indicada para operação na configuração em push-pull, e pode ser excitada diretamente por estágios de saídas das família HC/HCT e AC/ACT.

A Philips Components planejou na época criar novas gerações de TOPFETs que poderiam ser controlados diretamente por portas de saída padrão de microcomputadores.

 

b) Operação Pulsante

As características dinâmicas de um TOPFET são determinadas principalmente pela presença do resistor de 5 k Ω na entrada e as características de comporta do MOSFET de potência.

Na prática, freqüências de comutação de até 10 kHz podem ser usadas.

Na figura 2 temos um gráfico onde se mostra a corrente de carga em função do ciclo ativo num controle de potência PWM operando em 10 kHz,com uma, indutância de carga de 3,2 mH, resistência de carga de 2 S Ω e uma tensão de bateria de 13 V.

 

Figura 2 – Corrente média x ciclo ativo
Figura 2 – Corrente média x ciclo ativo

 

 Na faixa de 0% a 90% da potência, há uma dependência quase que linear da corrente em relação ao ciclo ativo.

Quando comparado a um MOSFET comum nesta aplicação, a velocidade limitada de comutação é um aumento da dissipação dinâmica devem ser levados em conta.

 

c) controles DC

Na figura 3 temos uma aplicação para um circuito de controle de um motor DC em ponte, usando TOPFETs.

 

Figura 3 – Controle DC
Figura 3 – Controle DC

 

Um fator importante a ser considerado neste circuito é que, como os TOPFETs são protegidos contra curto-circuitos, a ponte é protegida totalmente no caso de ter um curto no motor, quer seja pela interligação de seus terminais, quer seja pela ligação de um dos terminais ao V+ ou terra.

O circuito também prevê a proteção da ponte em caso de travamento ou redução de velocidade do motor, ou picos de tensão na linha de alimentação.

O circuito tem os seguintes blocos, com a seguintes funções:

Um bombeador de cargas que desenvolve uma tensão suficiente para comutar os TOPFETs de cima.

Este bloco tem por base dois disparadores-inversores Schmitt-Trigger.

As etapas de excitação T1/T2 e T5/T5 ,tanto aplica tensão ao respectivo TOPFET como curto-circuita sua comporta com a fonte.

Os transistores T3 e T7 fazem com que os respectivos estágios sejam controlados pelos níveis lógicos de um circuito externo em relação à terra.

Na figura 4 temos um circuito de interface, que proporciona quatro sinais de controle a partir de duas entradas.

 

Figura 4 – Interface para o controle de motor da figura 3.
Figura 4 – Interface para o controle de motor da figura 3.

 

Estes sinais podem vir, por exemplo, de uma porta de saída de um microcontrolador.

A tabela junto ao diagrama dá as quatro possibilidades de controle para o motor: parado, girando num sentido, girando em outro e parado, mas com tensão positiva nos terminais.

Como nos circuitos com MOSFET convencionais, não são necessários diodos de proteção externos, pois eles já estão incluídos no próprio componente

O mesmo circuito da figura 3, também pode ser usado num controle pulsante (PWM).

O lado inferior da chave será a entrada de sinal, enquanto que o lado de cima deve ser mantido em condução permanente.

A tabela junto ao diagrama da figura 4, também mostra esta possibilidade de aplicação.

Lembramos que para a primeira geração de TOPFETs da Philips Components, a máxima velocidade de controle para este circuito é de 10 kHz.

 

Considerações Especiais

a) Desligamento de cargas lndutivas

Se bem que o TOPFET possua um diodo de proteção interno, este componente não foi projetado para desligar cargas indutivas.

Como numa operação contínua com o desligamento de cargas indutivas, no caso de um PWM, o circuito de proteção contra sobretensão do TOPFET pode atuar de modo a aplicar tensões negativas elevadas na carga.

Durante este período a dissipação será elevada, podendo afetar a temperatura da junção.

 

b) Ligação em paralelo

Além dos pontos em comum que ocorrem em relação a ligação em paralelo de MOSFET comuns, os TOPFETs tem ainda o seguinte ponto a ser considerado:

Como devem ser alimentados os circuitos de proteção a partir do sinal externo, haverá melhor desempenho se cada TOPFET for excitado separadamente.

 

c) Operação inversa

Se o TOPFET for polarizado no sentido inverso (dreno-fonte) ocorre o mesmo que num MOSFET de potência comum, o diodo interno de proteção existente no componente é polarizado no sentido direto e conduz intensamente a corrente.

Para os TOPFETs o diodo usado tem as mesmas características dos encontrados nos MOSFET de potência convencionais.

A velocidade de recuperação dos diodos permite sua utilização em circuitos inversores com freqüências de até 10 kHz, não sendo necessária a ligação externa de diodos mais rápidos.

Com relação à entrada, existe um diodo de proteção (ESD), que conduz quando a tensão inversa se torna maior que -0,5 V (maior em valor absoluto), o que significa que a polarização inversa a partir deste valor deve ser evitada.

Este artigo foi elaborado com base em informações técnicas da Philips Components – Product Information SC-012 de 1994.

 

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