MOSFET originalno osnovno znanje i primjena

Što se tiče načina rada za iscrpljivanjeMOSFETsse ne koriste, nije preporučljivo doći do dna.

Za ova dva MOSFET-a u modu poboljšanja, NMOS se češće koristi. Razlog je taj što je otpornost male i laka za proizvodnju. Stoga se NMOS općenito koristi u aplikacijama za prebacivanje napajanja i motornih pogona. U sljedećem uvodu se uglavnom koristi NMOS.

Između tri pina MOSFET-a postoji parazitski kapacitet. Ovo nije ono što nam treba, već je uzrokovano ograničenjima proizvodnog procesa. Postojanje parazitne kapacitivnosti čini ga većim problemom pri dizajniranju ili odabiru pogonskog kola, ali ne postoji način da se to izbjegne. Kasnije ćemo ga detaljno predstaviti.

Između drena i izvora nalazi se parazitna dioda. To se zove dioda tijela. Ova dioda je vrlo važna pri pokretanju induktivnih opterećenja (kao što su motori). Inače, dioda tijela postoji samo u jednom MOSFET-u i obično se ne nalazi unutar čipa integriranog kola.

2. MOSFET provodne karakteristike

Provođenje znači djelovanje kao prekidač, što je ekvivalentno zatvaranju prekidača.

Karakteristika NMOS-a je da će se uključiti kada je Vgs veći od određene vrijednosti. Pogodan je za upotrebu kada je izvor uzemljen (low-end drive), sve dok napon kapije dostigne 4V ili 10V.

Karakteristike PMOS-a su da će se uključiti kada je Vgs manji od određene vrijednosti, što je pogodno za situacije kada je izvor povezan na VCC (high-end disk). Međutim, iakoPMOSmože se lako koristiti kao high-end drajver, NMOS se obično koristi u high-end drajverima zbog velikog otpora, visoke cijene i nekoliko tipova zamjene.

3. Gubitak cijevi MOS prekidača

Bilo da je u pitanju NMOS ili PMOS, postoji otpor na uključenju nakon što se uključi, tako da će struja trošiti energiju na ovom otporu. Ovaj dio potrošene energije naziva se gubitkom provodljivosti. Odabir MOSFET-a s malim otporom na uključenje smanjit će gubitke provodljivosti. Današnji otpor na MOSFET male snage je uglavnom oko desetina milioma, a postoji i nekoliko milioma.

Kada se MOSFET uključi i isključi, ne smije se odmah završiti. Napon na MOS-u ima opadajući proces, a struja koja teče ima proces povećanja. Tokom ovog perioda,MOSFET-ovigubitak je proizvod napona i struje, što se naziva komutacijski gubitak. Obično su komutacijski gubici mnogo veći od provodljivih gubitaka, a što je brža frekvencija prebacivanja, to su gubici veći.

Umnožak napona i struje u trenutku provođenja je vrlo velik, što uzrokuje velike gubitke. Skraćivanje vremena uključivanja može smanjiti gubitak tokom svake provodljivosti; smanjenjem frekvencije prebacivanja može se smanjiti broj prekidača po jedinici vremena. Obje metode mogu smanjiti komutacijske gubitke.

Talasni oblik kada je MOSFET uključen. Vidi se da je umnožak napona i struje u trenutku provodljivosti vrlo velik, a nastali gubitak je također vrlo velik. Smanjenje vremena uključivanja može smanjiti gubitak tokom svake provodljivosti; smanjenjem frekvencije prebacivanja može se smanjiti broj prekidača po jedinici vremena. Obje metode mogu smanjiti komutacijske gubitke.

4. MOSFET drajver

U poređenju s bipolarnim tranzistorima, općenito se vjeruje da nije potrebna struja za uključivanje MOSFET-a, sve dok je GS napon veći od određene vrijednosti. Ovo je lako uraditi, ali nam je potrebna i brzina.

U strukturi MOSFET-a može se vidjeti da između GS i GD postoji parazitski kapacitet, a pogon MOSFET-a je zapravo punjenje i pražnjenje kondenzatora. Za punjenje kondenzatora potrebna je struja, jer se kondenzator može smatrati kratkim spojem u trenutku punjenja, pa će trenutna struja biti relativno velika. Prva stvar na koju treba obratiti pažnju pri odabiru/dizajniranju MOSFET drajvera je količina trenutne struje kratkog spoja koju može pružiti.

Druga stvar koju treba napomenuti je da NMOS, koji se obično koristi za high-end vožnju, treba da napon kapije bude veći od napona izvora kada je uključen. Kada je MOSFET na visokoj strani uključen, izvorni napon je isti kao i napon odvoda (VCC), tako da je napon gejta 4V ili 10V veći od VCC u ovom trenutku. Ako želite da dobijete napon veći od VCC u istom sistemu, potreban vam je poseban krug za pojačavanje. Mnogi vozači motora imaju integrirane pumpe za punjenje. Treba napomenuti da treba odabrati odgovarajući eksterni kondenzator kako bi se dobila dovoljna struja kratkog spoja za pokretanje MOSFET-a.

Gore spomenuti 4V ili 10V je napon uključivanja najčešće korištenih MOSFET-ova, i naravno, određena margina mora biti dopuštena tokom dizajna. I što je napon veći, to je veća brzina provodljivosti i manji je otpor provodljivosti. Sada postoje MOSFET-ovi sa manjim naponima provodljivosti koji se koriste u različitim poljima, ali u automobilskim elektronskim sistemima od 12 V generalno je dovoljna provodljivost od 4 V.

Za MOSFET upravljačko kolo i njegove gubitke, pogledajte Microchipov AN799 Usklađivanje MOSFET drajvera sa MOSFET-ovima. Veoma je detaljan, tako da neću više pisati.

Umnožak napona i struje u trenutku provođenja je vrlo velik, što uzrokuje velike gubitke. Smanjenje vremena uključivanja može smanjiti gubitak tokom svake provodljivosti; smanjenjem frekvencije prebacivanja može se smanjiti broj prekidača po jedinici vremena. Obje metode mogu smanjiti komutacijske gubitke.

MOSFET je vrsta FET-a (drugi je JFET). Može se pretvoriti u mod poboljšanja ili režim iscrpljivanja, P-kanal ili N-kanal, ukupno 4 tipa. Međutim, zapravo se koristi samo N-kanalni MOSFET u modu poboljšanja. i P-kanalni MOSFET tipa poboljšanja, tako da se NMOS ili PMOS obično odnose na ova dva tipa.

5. MOSFET aplikacijski krug?

Najznačajnija karakteristika MOSFET-a su njegove dobre prekidačke karakteristike, tako da se široko koristi u krugovima koji zahtijevaju elektronske prekidače, kao što su prekidačka napajanja i motorni pogoni, kao i prigušivanje rasvjete.

Današnji MOSFET drajveri imaju nekoliko posebnih zahtjeva:

1. Primjena niskog napona

Kada se koristi napajanje od 5V, ako se u ovom trenutku koristi tradicionalna struktura totemskog pola, budući da tranzistor ima pad napona od oko 0,7V, stvarni konačni napon primijenjen na kapiju je samo 4,3V. U ovom trenutku biramo nominalnu snagu kapije

Postoji određeni rizik kada se koristi MOSFET od 4,5 V. Isti problem se javlja i pri korištenju 3V ili drugih niskonaponskih izvora napajanja.

2. Široka primjena napona

Ulazni napon nije fiksna vrijednost, mijenjat će se s vremenom ili drugim faktorima. Ova promjena uzrokuje nestabilan pogonski napon koji PWM krug daje MOSFET-u.

Kako bi MOSFET-ovi bili sigurni pod visokim naponima gejta, mnogi MOSFET-ovi imaju ugrađene regulatore napona za prinudno ograničavanje amplitude napona gejta. U ovom slučaju, kada osigurani pogonski napon premašuje napon cijevi regulatora napona, to će uzrokovati veliku statičku potrošnju energije.

U isto vrijeme, ako jednostavno koristite princip podjele napona otpornika da smanjite napon na vratima, MOSFET će dobro raditi kada je ulazni napon relativno visok, ali kada se ulazni napon smanji, napon vrata će biti nedovoljan, uzrokujući nepotpuna provodljivost, čime se povećava potrošnja energije.

3. Dvonaponska primjena

U nekim upravljačkim krugovima, logički dio koristi tipičan digitalni napon od 5V ili 3,3V, dok dio za napajanje koristi napon od 12V ili čak veći. Dva napona su povezana na zajedničku masu.

Ovo postavlja zahtjev za korištenjem kola tako da niskonaponska strana može efikasno kontrolirati MOSFET na visokonaponskoj strani. U isto vrijeme, MOSFET na visokonaponskoj strani će se također suočiti s problemima spomenutim u 1. i 2.

U ova tri slučaja, struktura totemskog pola ne može zadovoljiti izlazne zahtjeve, a čini se da mnogi gotovi MOSFET upravljački IC-ovi ne uključuju strukture za ograničavanje napona na kapiji.

Tako sam dizajnirao relativno generalno kolo da zadovolji ove tri potrebe.

Kolo drajvera za NMOS

Ovdje ću napraviti samo jednostavnu analizu NMOS upravljačkog kola:

Vl i Vh su low-end i high-end napajanja. Dva napona mogu biti ista, ali Vl ne smije biti veći od Vh.

Q1 i Q2 formiraju obrnuti totemski stub kako bi se postigla izolacija dok se osiguralo da se dvije drajverske cijevi Q3 i Q4 ne uključe u isto vrijeme.

R2 i R3 daju referentni PWM napon. Promjenom ove reference, kolo može raditi u poziciji gdje je talasni oblik PWM signala relativno strm.

Q3 i Q4 se koriste za osiguranje pogonske struje. Kada su uključeni, Q3 i Q4 imaju samo minimalni pad napona od Vce u odnosu na Vh i GND. Ovaj pad napona je obično samo oko 0,3V, što je mnogo niže od Vce od 0,7V.

R5 i R6 su otpornici povratne sprege, koji se koriste za uzorkovanje napona gejta. Uzorkovani napon generiše jaku negativnu povratnu spregu bazama Q1 i Q2 do Q5, čime se ograničava napon gejta na ograničenu vrednost. Ova vrijednost se može podesiti preko R5 i R6.

Konačno, R1 daje osnovnu granicu struje za Q3 i Q4, a R4 obezbjeđuje granicu struje gejta za MOSFET, što je granica Ice-a za Q3 i Q4. Ako je potrebno, kondenzator za ubrzanje može se spojiti paralelno na R4.

Ovaj sklop pruža sljedeće karakteristike:

1. Koristite niski napon i PWM za pokretanje MOSFET-a na visokoj strani.

2. Koristite PWM signal male amplitude za pokretanje MOSFET-a sa zahtjevima za visokim naponom gejta.

3. Maksimalna granica napona na kapiji

4. Ograničenja ulazne i izlazne struje

5. Korištenjem odgovarajućih otpornika može se postići vrlo niska potrošnja energije.

6. PWM signal je invertiran. NMOS-u nije potrebna ova funkcija i može se riješiti postavljanjem invertera ispred.

Prilikom dizajniranja prijenosnih uređaja i bežičnih proizvoda, poboljšanje performansi proizvoda i produženje trajanja baterije su dva problema s kojima se dizajneri moraju suočiti. DC-DC pretvarači imaju prednosti visoke efikasnosti, velike izlazne struje i niske struje mirovanja, što ih čini vrlo pogodnim za napajanje prijenosnih uređaja. Trenutno, glavni trendovi u razvoju tehnologije dizajna DC-DC pretvarača su: (1) Visokofrekventna tehnologija: Kako se frekvencija prebacivanja povećava, veličina sklopnog pretvarača se također smanjuje, gustina snage se također značajno povećava, a dinamički odziv je poboljšan. . Frekvencija prebacivanja DC-DC pretvarača male snage će porasti na nivo megaherca. (2) Tehnologija niskog izlaznog napona: Uz kontinuirani razvoj tehnologije proizvodnje poluvodiča, radni napon mikroprocesora i prijenosnih elektroničkih uređaja postaje sve niži i niži, što zahtijeva da budući DC-DC pretvarači obezbjeđuju nizak izlazni napon kako bi se prilagodili mikroprocesorima. zahtjevi za procesore i prijenosne elektronske uređaje.

Razvoj ovih tehnologija postavio je veće zahtjeve za projektovanje strujnih kola čipova. Prije svega, kako se frekvencija uključivanja i dalje povećava, postavljaju se visoki zahtjevi za performanse sklopnih elemenata. Istovremeno, moraju se osigurati odgovarajuća pogonska kola sklopnih elemenata kako bi se osiguralo da sklopni elementi rade normalno na frekvencijama prebacivanja do MHz. Drugo, za prijenosne elektronske uređaje na baterije, radni napon kola je nizak (uzimajući litijumske baterije kao primjer, radni napon je 2,5~3,6V), stoga je radni napon čipa za napajanje nizak.

MOSFET ima vrlo nizak otpor i troši nisku energiju. MOSFET se često koristi kao prekidač za napajanje u trenutno popularnim visokoefikasnim DC-DC čipovima. Međutim, zbog velike parazitske kapacitivnosti MOSFET-a, kapacitivnost gejta NMOS preklopnih cijevi je općenito visoka do desetina pikofarada. Ovo postavlja veće zahtjeve za dizajn DC-DC pretvarača visoke radne frekvencije.

U niskonaponskim ULSI dizajnima, postoje različiti CMOS i BiCMOS logički krugovi koji koriste bootstrap boost strukture i pogonska kola kao velika kapacitivna opterećenja. Ova kola mogu normalno raditi s naponom napajanja nižim od 1V, a mogu raditi na frekvenciji od desetina megaherca ili čak stotina megaherca sa kapacitetom opterećenja od 1 do 2pF. Ovaj članak koristi bootstrap kolo za pojačavanje za dizajniranje pogonskog kruga s velikim kapacitetom opterećenja koji je pogodan za niskonaponske, DC-DC pojačane pretvarače s visokom frekvencijom. Kolo je dizajnirano na osnovu Samsung AHP615 BiCMOS procesa i verifikovano Hspice simulacijom. Kada je napon napajanja 1,5V i kapacitet opterećenja 60pF, radna frekvencija može doseći više od 5MHz.

MOSFET prekidačke karakteristike

1. Statičke karakteristike

Kao sklopni element, MOSFET također radi u dva stanja: isključen ili uključen. Pošto je MOSFET komponenta koja se kontroliše naponom, njegovo radno stanje je uglavnom određeno naponom gejt-izvor uGS.

Radne karakteristike su sledeće:

※ uGS＜napon uključivanja UT: MOSFET radi u graničnom području, struja drejn-izvora iDS je u osnovi 0, izlazni napon uDS≈UDD, a MOSFET je u "isključenom" stanju.

※ uGS>Napon uključivanja UT: MOSFET radi u području provodljivosti, struja drain-source iDS=UDD/(RD+rDS). Među njima, rDS je otpor drejn-izvor kada je MOSFET uključen. Izlazni napon UDS=UDD?rDS/(RD+rDS), ako je rDS＜＜RD, uDS≈0V, MOSFET je u "uključenom" stanju.

2. Dinamičke karakteristike

MOSFET također ima prijelazni proces pri prelasku između uključenog i isključenog stanja, ali njegove dinamičke karakteristike uglavnom zavise od vremena potrebnog za punjenje i pražnjenje zalutalog kapaciteta povezanog s krugom, te akumulacije i pražnjenja kada je sama cijev uključena i isključena. Vrijeme disipacije je vrlo malo.

Kada se ulazni napon ui promijeni iz visokog u niski i MOSFET promijeni iz uključenog u isključeno stanje, napajanje UDD puni zalutali kapacitet CL kroz RD, a vremensku konstantu punjenja τ1=RDCL. Prema tome, izlazni napon uo treba da prođe kroz određeno kašnjenje pre nego što se promeni sa niskog na visoki nivo; kada se ulazni napon ui promijeni iz niskog u visoki, a MOSFET promijeni iz isključenog stanja u stanje uključeno, punjenje zalutalog kapaciteta CL prolazi kroz rDS Pražnjenje se javlja sa vremenskom konstantom pražnjenja τ2≈rDSCL. Može se vidjeti da izlaznom naponu Uo također treba određeno kašnjenje prije nego što može preći na niski nivo. Ali budući da je rDS mnogo manji od RD, vrijeme konverzije od prekida do provođenja je kraće od vremena konverzije od provodljivosti do prekida.

Budući da je otpor drejn-izvora rDS MOSFET-a kada je uključen mnogo veći od otpora zasićenja rCES tranzistora, a vanjski otpor drena RD je također veći od otpora kolektora RC tranzistora, vrijeme punjenja i pražnjenja MOSFET-a je duži, što čini MOSFET-om. Brzina prebacivanja je niža od one kod tranzistora. Međutim, u CMOS kolima, budući da su krug za punjenje i krug za pražnjenje kola niskog otpora, procesi punjenja i pražnjenja su relativno brzi, što rezultira velikom brzinom prebacivanja za CMOS kolo.