Power-Tipp Versorgungsleitungen mit MOSFETs schalten

Von Frederik Dostal *

Das Abschalten einer Versorgungsspannung klingt erst einmal trivial, kann jedoch recht komplex werden. In diesem Power-Tipp erkläre ich die Vorgehensweise bei der Auswahl eines MOSFET-Schalters und gebe einige praktische Hinweise zur Implementierung.

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Bild 1: Schalten einer Versorgungsleitung mit einem N-Kanal MOSFET und einer getrennten Ansteuerschaltung mit dem LTC7003.
Bild 1: Schalten einer Versorgungsleitung mit einem N-Kanal MOSFET und einer getrennten Ansteuerschaltung mit dem LTC7003.
(Bild: ADI)

In manchen elektrischen Systemen muss eine Versorgungsleitung abgeschaltet werden. Das kann beispielsweise das Abtrennen einer Batteriespannung sein, um die Ladung der Batterie zu erhalten oder das Trennen einer Last einer spannungsführenden Leitung.

Idealerweise nutzt man einen mechanischen Schalter. Soll dieser Schalter jedoch durch ein elektrisches Signal geschaltet werden, eignen sich elektronische Schalter meist besser. Ein solcher elektronischer Schalter kann mit einem MOSFET als Schaltelement aufgebaut werden. Neben einer rein diskreten Lösung mit einem MOSFET gibt es sehr viele Halbleiter-ICs, mit welchen Sie recht einfach einen elektronischen Schalter implementieren können.

Zuerst müssen Sie jedoch entscheiden, ob das Schaltelement aus einem N-Kanal- oder P-Kanal-MOSFET bestehen soll. Beides ist möglich. Ein N-Kanal-MOSFET bietet im Gegensatz zu P-Kanal-MOSFET einen geringeren Widerstand und somit geringere Verluste im eingeschalteten Zustand. Der Nachteil ist die Ansteuerung des N-Kanal-MOSFETs.

Hier ist für das Gate eine höhere Spannung als die zur Verfügung stehende Versorgungsleitungsspannung nötig. Somit muss der ansteuernde IC eine Art von Ladungspumpe beinhalten. Ein P-Kanal-MOSFET benötigt eine solche Spannungserhöhung nicht. Darüber hinaus gibt es eine sehr große Auswahl an N-Kanal-MOSFETs.

Im nächsten Schritt legen Sie fest, ob der Leistungsschalter zusammen mit der Ansteuerung in einem Gehäuse platziert werden soll oder ob Sie eine Zwei-Chip Lösung mit einer getrennten Ansteuerschaltung in einem IC und dem passenden MOSFET in einem zweiten Gehäuse einsetzen möchten. Für eine Integration in ein Gehäuse spricht die bereits optimierte Auswahl des Schalters zur Ansteuerschaltung. Auch ist der Schalter auf diese Art gut geschützt, damit er im Betrieb nicht überlastet wird. Zu den Nachteilen dieser integrierten Lösung zählen die geringere Auswahl an Lösungen auf dem Markt sowie die höheren Kosten.

Elektronischer Schalter: Ein oder zwei MOSFETs?

Im dritten Schritt müssen Sie entscheiden, ob ein einfacher MOSFET als Ersatz für einen mechanischen Schalter ausreicht. Ein MOSFET hat immer eine Bodydiode mit an Bord. Somit kann er nur Ströme in eine Richtung schalten.

Bild 2: Ein Schaltungsbeispiel, bei dem ein möglicher Stromfluss in beide Richtungen durch zwei N-Kanal-MOSFETS unterbunden werden kann.
Bild 2: Ein Schaltungsbeispiel, bei dem ein möglicher Stromfluss in beide Richtungen durch zwei N-Kanal-MOSFETS unterbunden werden kann.
(Bild: ADI)

Wenn in einer Anwendung eine Leitung komplett unterbrochen werden soll, damit Ströme weder in die eine noch in die andere Richtung fließen, brauchen Sie eine Lösung mit zwei MOSFETs, die in umgekehrter Richtung hintereinander geschaltet werden. Bild 2 zeigt eine solche Anordnung der Schaltstufe.

Zuletzt müssen Sie die passende integrierte Schaltung, also die Ansteuerung für den MOSFET oder auch das Paket MOSFET und Ansteuerung, auswählen. Dieser Schritt klingt trivial, ist aber durchaus mühsam.

Load Switches in der Praxis

Häufig sucht der Schaltungsentwickler nach ‚Load Switches‘ (Lastschalter). Hierbei findet man jedoch in der Regel kein besonders großes Angebot. Je nach Anwendung und dem Wunsch nach zusätzlichen Überwachungsfunktionen können Hot-Swap-Controller, elektrische Sicherungen, Überspannungsschutz, Ideale Dioden und Power-Path-Controller genutzt werden.

Bild 3: LTSpice-Simulation mit dem „Low Loss PowerPath“-Controller LTC4414 als Lastschalter.
Bild 3: LTSpice-Simulation mit dem „Low Loss PowerPath“-Controller LTC4414 als Lastschalter.
(Bild: ADI)

Die meisten dieser Bausteine verfügen über einen On/Off-Pin und können den Stromfluss bei Bedarf unterbrechen. Ob das genaue Verhalten der Schaltung auf die eigene Spezifikation passt, lässt sich mit dem Simulationswerkzeug LTSpice (Bild 3) überprüfen.

Das Abschalten einer Versorgungsspannung klingt trivial, kann jedoch je nach Anwendung komplexer werden. Spezielle MOS-Ansteuer-ICs mit einem ON/OFF-Steuer-Pin erleichtern diese kleine Applikation.

* Frederik Dostal arbeitet als Field Application Engineer für Power Management bei Analog Devices in München.

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