マイコンとモータ制御用FETの間の直列抵抗は必要ですか

Question

PICやAVRなどのマイコンでマブチモータを駆動しようとしています。
10～100Hz程度のPWMにしたいと思います。
FETは2SK4017を考えています。

　　　　　　　3V(マイコンとは別電源)
　　　　　　　　|
　　　　　　　モータ　逆起電力防止ダイオード付き
　　　　　　　　|
　　　　　　　　D
マイコン--抵抗--G
　　　　　　　　S
　　　　　　　　|
　　　　　　GND(マイコン・モータ共通)

Cissの存在はわかりますがマイコンの出力端子と
FETのゲートの間に100Ω程度の抵抗は必要でしょうか。

少しでも部品点数を減らしたいと思います。

http://oshiete.goo.ne.jp/qa/1715311.html

は拝見しました。どの程度の周波数から必要となってくるのかお尋ねします。

bogen555 · Accepted Answer

電気回路の基礎知識が無いと式を立てたり，立てられた式を理解するのが難しいんで，結果だけ示します．
スイッチング1周期のドライブ損失は，ゲート入力電荷量Qgとゲート電圧Vgから
Qg×Vg[J]
です．1秒間のドライブ損失Pgはスイッチング周波数をfとして
Pg=Qg×Vg×f[W]…(式1)
です．
2SK4017のデータシートp.4の「ダイナミック入出力特性」から
http://akizukidenshi.com/download/ds/toshiba/2SK4017.pdf
VDD=3Vのデータがないんでそれに近いVDD=12VでVGS=5Vのところを見ると，Qg≒7nCです．
f=100Hzとすると，
Pg=7nC×5V×100Hz=3500[nW]=3.5[μW]
で，よく使われる1/8W～1/4W抵抗で充分すぎる余裕があります．
この損失には，ゲート内部抵抗，ゲート直列抵抗，IOポートON抵抗が含まれますが，ゲート直列抵抗が最も大きいんでそれで代表します．

> 一般的にどのあたりから気を付ければよいのでしょう
MOSFETの特性，ドライブ電圧，スイッチング周波数によって変わるから，一般論はありません．
(式1)に従って計算すればわかります．

bogen555 · Answer

データシートの絶対最大定格を見ればわかるように，ゲート突入電流の規定はなく，これが原因のMOSFETの破壊はありません．
電流規定があるマイコン出力ポートの方が厳しいでしょう．

ゲート直列抵抗の有無は，ICメーカーの技術力を表すので，大変なんですよ．
ICメーカーに知り合いがいれば，訊いてみるとこうゆうところには書けない面白い話をしてくれるはずです．
例えば，このICは応用回路にゲート直列抵抗がありません．
http://www.tij.co.jp/jp/lit/ds/symlink/lm3478.pdf
勝手に基板レイアウトし，MOSFETも手持ちのものを付けると，ゲート波形が振動してひどいことになります．
にもかかわらず，ゲート直列抵抗を付けないのは同業他社も付けていないからです．
で，このような評価基板を用意しています．
http://www.tij.co.jp/jp/lit/ug/snva656a/snva656a.pdf
ゲート直列抵抗RDRは0Ωです．
ユーザーがゲート直列抵抗を付けたくなかったら，パターンから部品まですべてパクル必要があります．
勝手に基板レイアウトし，MOSFETも手持ちのものを付ける場合は，ゲート直列抵抗は必須です．
初心者にはゲート直列抵抗の電力損失に無頓着な人もいて，サーモビューワで見ると真っ赤っか（チンチンですね）何てことも良くあります．
ゲート直列抵抗の電力損失は電気回路の基礎知識で簡単に計算できますが，今回の周波数が10～100Hzだから無視してかまわないでしょう．

ngkdddjkk · Answer

ダンピング抵抗ですね。

マイコン出力の電圧変化による突入電流によってFETが壊れるのを防止する役割を持っています。

等価回路の説明はわかりにくいので、FETのゲートに電荷が一斉に集まっていく様子を思い描いてください。
回路上に出てこないL成分によって電流を流し続けようとするため、オーバーシュートやアンダーシュートが出てきます。

LCR回路の計算をやったことがあればわかると思いますが、直列にRを挿入すると過渡的な変化を和らげる効果があります。

shouga8 · Answer

No.2です。

オシロスコープを使うと見えますが、
配線のL成分と相まってアンダーシュート、オーバーシュートが出ます。
直列抵抗を入れ電流制限するとこれが軽減されます。
半導体は逆電圧に弱いです。テスト中に数回それがあってもそうは壊れませんが
何百回と起これば壊れるでしょうね。
そういうリスクを軽減する意味でも直列の電流制限抵抗はあるほうがいいです。

何ですかね。近頃の「過剰なコストカット」のせいなのか「要らないなら削ろう」姿勢をよく目にしますね。
不要であることが明確ならカットしてもいいですけど、曖昧ならリコールに至るリスクも含めて考えるべきでしょうね。
あっちよりこっちが安いから、とか。そんなのをいちいち調べるのにも時間給が発生してるし、数秒後には事態が逆転することもあるし。
まぁ、コストカットほどほどにしないとキリないよ？と思いますね。

bogen555 · Answer

最初に，マイコンの電源は何Vでしょうか？
2SK4017はON抵抗を規定している電圧が4Vだから，5V電源を想定していて，3V程度の電源だったら使えませんよ．

> どの程度の周波数から必要となってくるのかお尋ねします。
ここで周波数とゆうのは，立ち上がり時間の等価周波数なんで使用する10～100Hzには無関係です．
ゲート直列抵抗の必要性は，パターン設計と使用MOSFETの特性に依存します．
何回かパターン設計をやり直し，MOSFETをメーカー変えて数種類試してみるんならともかく，1台だけの試作だったら，入れておいた方が良いです．
また，10～100Hzだったら100Ωとは言わず，1kΩくらいにするとdi/dt破壊耐量も上がって小型MOSFETでも安心です．
誤解があるようですが，Cissはデータシート見ればゲート電圧が0Vの時の値ですから，ONするときはゲート電圧が4V以上になるんで気にしないでかまいません．
気にするのは，ゲート・チャージ(Qg)です．
ONするときのゲート入力容量は，コンデンサの基本式からCi=ΔQg/ΔVgsと計算できます．
言うまでもありませんが，ゲート直列抵抗はゲート直近に付けて下さいね．

shouga8 · Answer

FETの入力端子は構造上容量性を持ちます。
スイッチングでON/OFFするとデジタル波形(≒高周波)なので
突入電流という大きな電流が流れます。
ドライブ回路によっては壊れるし、瞬間的な大電流によるノイズ発生の原因になります。
ノイズというと周囲のみへの悪影響っぽく聞こえますが、
実は自身の機器内にも影響するのでなるべく防ぐ方がいいです。

＞100Ω程度の抵抗は必要でしょうか。
実機で誤作動しないなら取っ払ってもいいでしょう（「結果オーライ」）
少なくとも初号機はそのように既知な誤動作原因は避けとくのが賢明ってものです。
明確な線引きはたぶん無理でしょうね。
計算通りになるものでもないし。

xpopo · Answer

マイコンの出力ポートをパワーMOSFETのゲートに直接つなぐということは出力ポートに直接数千pFのコンデンサを繋ぐのと同じことになります。

抵抗を繋がない場合の問題としてはもし何らかの原因でパワーMOSFETのドレインとゲートがショートしてしまった場合にマイコンの出力ポートに過大な電流（マイコンポートの流せる最大電流）が流れてしまいます。その場合PICで電源が５V動作の場合そのポートだけで150mW程度の消費電力になります。マイコン全体での許容電力損失がこの150mWの分で超えてしまう場合にはマイコンの劣化ないしは故障につながる恐れがあります。保険としてポートとゲート間に100Ω程度入れておいた方が良いでしょう。でもパワーMOSFETのドレインとゲートのショートは絶対自信があるなら抵抗無しでも大丈夫です。

マイコンとモータ制御用FETの間の直列抵抗は必要ですか

電気回路の基礎知識が無いと式を立てたり，立てられた式を理解するのが難しいんで，結果だけ示します．

データシートの絶対最大定格を見ればわかるように，ゲート突入電流の規定はなく，これが原因のMOSFETの破壊はありません．

ダンピング抵抗ですね。

No.2です。

最初に，マイコンの電源は何Vでしょうか？

FETの入力端子は構造上容量性を持ちます。

マイコンの出力ポートをパワーMOSFETのゲートに直接つなぐということは出力ポートに直接数千pFのコンデンサを繋ぐのと同じことになります。

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