Cuando un diseñador busca un MOSFET discreto para realizar una función específica en una aplicación, la primera opción suele ser la ficha técnica o ficha de producto. Sin embargo, estos documentos suelen ser largos y engorrosos, por lo que localizar e interpretar la información necesaria no siempre es trivial. Además, el significado de los parámetros enumerados rara vez se explica en las fichas técnicas, e incluso las pequeñas diferencias en su interpretación pueden ser críticas para el comportamiento de un dispositivo en una aplicación. Además, los parámetros suelen especificarse para condiciones de funcionamiento típicas, lo que dificulta a los diseñadores determinar cómo podría comportarse un dispositivo en escenarios alternativos. Por ello, los ingenieros de aplicaciones de campo de los fabricantes de dispositivos semiconductores dedican mucho tiempo a ayudar a los diseñadores a realizar cálculos y a interpolar los gráficos de las fichas técnicas. A través de una serie de escenarios prácticos, este artículo analiza las ventajas de una innovación pionera introducida recientemente por Nexperia: las fichas técnicas interactivas, una forma totalmente nueva de conocer el comportamiento de los MOSFET que puede adaptarse dinámicamente a una aplicación personalizada. Esta herramienta permite a los diseñadores visualizar la interdependencia de varios parámetros simultáneamente y determinar rápidamente cómo se comporta un dispositivo en un punto de funcionamiento deseado. La precisión de estas novedosas fichas técnicas, que prometen reducir significativamente la necesidad de complejos cálculos e interpolaciones, se ve reforzada en gran medida por los modelos electrotérmicos de Nexperia, recientemente publicados, en los que se basan. Se trata de los primeros modelos que proporcionan información sobre el comportamiento térmico de los dispositivos MOSFET discretos en todo su rango de temperaturas de funcionamiento.
Escenario 1a: MOSFET RDS(on) a 25 °C, VGS = 10 V
Un diseñador desea conocer la RDS(on) de un MOSFET para VGS = 10 V a una temperatura de unión de 25 °C. La lectura de una tabla en una ficha técnica estándar es sencilla, donde se enumera el valor típico para RDS(on) = 4.8 mΩ. (Figura 1).
Figura 1. Lectura de la RDS(on) de un MOSFET a partir de una hoja de datos estándar
La ficha técnica interactiva de Nexperia para el mismo dispositivo presenta «barras de ajuste», que pueden configurarse al punto de funcionamiento deseado del MOSFET (Figura 2). Esta ficha técnica proporciona un valor de RDS(on) = 4.13 mΩ. Sin embargo, esta cifra refleja con mayor exactitud el valor real medido en una aplicación real. La razón de la discrepancia entre ambas se debe a que las fichas técnicas se basan en dispositivos típicos que no necesariamente representan la media, mientras que los modelos electrotérmicos de precisión en los que se basan las fichas técnicas interactivas se basan en dispositivos que representan el comportamiento medio. Por el contrario, la ficha técnica interactiva se comporta como una simple interfaz gráfica de usuario (GUI) para mostrar los datos generados por los modelos electrotérmicos de Nexperia. Esto permite que la ficha técnica interactiva muestre el comportamiento del MOSFET y calcule dinámicamente la RDS(on) para el punto de funcionamiento seleccionado con las barras a velocidades casi instantáneas.
Figura 2. Lectura de la RDS(on) de un MOSFET a partir de una hoja de datos interactiva
Escenario 1b: MOSFET RDS(on) a 100 °C, VGS = 10 V
A continuación, el diseñador desea conocer el valor de la RDS(on) (para el mismo dispositivo) a 100 °C. Para ello, hay que desplazarse por varias páginas hasta encontrar el gráfico que muestra el valor RDS(on) normalizado en función de la temperatura (Figura 3). A continuación, proyectando verticalmente (utilizando una regla) desde 100 °C hasta el punto de intersección con la curva y horizontalmente se obtiene un factor de escala de aproximadamente 1,45 (teniendo en cuenta que existe un margen de error al leer el gráfico). Multiplicando este valor por RDS(on) (típico) se obtiene un valor aproximado de RDS(on) = 7 mΩ.
Figura 3. Cálculo de un factor de escala de temperatura
El uso de una ficha técnica interactiva requiere que simplemente muevan la barra Tj a 100 °C y leer RDS(on) = 5.63 mΩ – una vez más, un valor más exacto y realista calculado por un simulador de circuitos utilizando los modelos electrotérmicos del dispositivo.
Escenario 1c: MOSFET RDS(on) a 25 °C, VGS = 5 V
El diseñador desea ahora conocer la RDS(on) del dispositivo para VGS = 5 V, también a 100°C. Lamentablemente, es imposible utilizar la información de una ficha técnica estándar (independientemente del fabricante). Sin embargo, si se utiliza una ficha técnica interactiva, basta con mover la barra VGS a 5V y leer el valor de RDS(on) = 10,4 mΩ para obtener la información necesaria.
Escenario 1d: Investigación de la dependencia de la temperatura
El diseñador desea investigar la dependencia de la temperatura del MOSFET y mueve la barra VGS a 4V antes de leer el valor correspondiente de RDS(on) = 107 mΩ (en línea con lo esperado, ya que la resistencia aumenta al aumentar la temperatura). A continuación, mueven la barra a 140 °C, pero RDS(on) cae hasta 83 mΩ (Figura 4). Aunque esto pueda parecer inicialmente cuestionable, es atribuible al coeficiente de temperatura negativo del voltaje umbral del MOSFET, que los modelos electrotérmicos de precisión capturan con exactitud en el valor que se muestra en la ficha técnica interactiva. Este comportamiento sería casi imposible de deducir utilizando la información de una ficha técnica estándar, lo que demuestra la superioridad de esta nueva herramienta, teniendo en cuenta que en este ejemplo sólo se ha variado el valor de VGS. En un escenario diferente, también puede ser necesario investigar el efecto de variar Id, lo que permiten las fichas técnicas interactivas.
Figura 4. Investigación simultánea del efecto de la tensión de puerta y la temperatura en el comportamiento del MOSFET.
Escenario 2: PTOT
Un diseñador desea saber a qué temperatura base de montaje un dispositivo puede disipar 40 W (suponiendo condiciones ideales, es decir, disipador infinito). Antes de consultar una ficha técnica estándar, debe calcular el factor de reducción de potencia, que es 40/68 ≈ 60 % para este ejemplo. A continuación, hay que encontrar la página de la ficha técnica que muestre un gráfico de la disipación de potencia total normalizada en función de la temperatura de la base de montaje. A continuación, proyectando horizontalmente (manualmente utilizando una regla) desde el 60 % en el eje y (Pder) hasta el punto de intersección con el gráfico, y luego verticalmente hasta el eje x antes de llegar a un valor Tmb de 80 °C (Figura 5).
Figura 5 Cálculo manual de la temperatura a la que un dispositivo disipa 40 W
En cambio, si se utiliza una ficha técnica interactiva, el diseñador sólo tiene que mover la barra hasta el valor deseado para obtener la cifra de pérdida de potencia calculada. Como se muestra en la Figura 6, Tmb = 85 °C en este ejemplo.
Figura 5. Lectura Tmb directamente desde una hoja de datos interactiva
Otros escenarios: Qg(tot), Qgs, Qgd y más
Una ficha técnica estándar indica estos valores para ID, VDS y VGS, especificados, dejando al diseñador sin información adicional sobre cómo varían durante la conmutación. Normalmente, sólo podían obtener esta información realizando una simulación de su aplicación con la herramienta SPICE, lo que requería tiempo y cierta destreza en el uso del software simulador de circuitos. Las fichas técnicas interactivas eliminan este requisito al permitir al diseñador introducir las condiciones de funcionamiento de una aplicación y calcular directamente las pérdidas de potencia. Permitir al diseñador ajustar las condiciones de funcionamiento y cambiar rápidamente los requisitos de la aplicación aumenta rápidamente la velocidad de aproximación hacia un diseño final.
Conclusión
Es imposible que los fabricantes proporcionen una lista exhaustiva de los parámetros del dispositivo para cada escenario que un MOSFET pueda encontrar en una aplicación, lo que significa que están limitados a proporcionar dicha información para condiciones de funcionamiento típicas. Además, muchos parámetros son dinámicos y están interrelacionados, pero estas relaciones pueden ser difíciles de detectar utilizando una ficha técnica bidimensional estándar. Las fichas técnicas interactivas de Nexperia representan una forma totalmente nueva y multidimensional de ayudar a los diseñadores a comprender cómo puede comportarse un MOSFET en condiciones de funcionamiento atípicas. Al tiempo que conservan el «aspecto» familiar de una ficha técnica estándar, ofrecen una interfaz fácil de usar que calcula de forma interactiva y dinámica los valores de los parámetros en respuesta a los cambios introducidos por el usuario.
