MOSFET originalios pagrindinės žinios ir pritaikymas

Kalbant apie tai, kodėl išeikvojimo režimasMOSFETnenaudojami, nerekomenduojama patekti į jo dugną.

Šiems dviem patobulinimo režimo MOSFET dažniausiai naudojamas NMOS. Priežastis ta, kad atsparumas įjungimui yra mažas ir lengvai gaminamas. Todėl NMOS paprastai naudojamas perjungiant maitinimo šaltinį ir variklio pavarą. Tolesnėje įžangoje dažniausiai naudojama NMOS.

Tarp trijų MOSFET kontaktų yra parazitinė talpa. To mums nereikia, o dėl gamybos proceso apribojimų. Parazitinės talpos buvimas apsunkina projektuojant arba pasirenkant pavaros grandinę, tačiau nėra galimybės to išvengti. Išsamiai su ja supažindinsime vėliau.

Tarp kanalizacijos ir šaltinio yra parazitinis diodas. Tai vadinama kūno diodu. Šis diodas yra labai svarbus valdant indukcines apkrovas (pavyzdžiui, variklius). Beje, korpuso diodas egzistuoja tik viename MOSFET ir paprastai nėra integruotos grandinės lusto viduje.

 

2. MOSFET laidumo charakteristikos

Laidžioji priemonė, veikianti kaip jungiklis, prilygstanti uždarytam jungikliui.

NMOS ypatybė yra ta, kad jis įsijungs, kai Vgs yra didesnis už tam tikrą reikšmę. Tinka naudoti, kai šaltinis yra įžemintas (žemos klasės pavara), kol vartų įtampa pasiekia 4V arba 10V.

PMOS charakteristikos yra tokios, kad jis įsijungs, kai Vgs bus mažesnis už tam tikrą reikšmę, o tai tinka tais atvejais, kai šaltinis yra prijungtas prie VCC (high-end drive). Tačiau, norsPMOSgali būti lengvai naudojamas kaip aukščiausios klasės tvarkyklė, NMOS paprastai naudojamas aukščiausios klasės tvarkyklėse dėl didelio pasipriešinimo, didelės kainos ir kelių pakeitimo tipų.

 

3. MOS jungiklio vamzdžio praradimas

Nesvarbu, ar tai NMOS, ar PMOS, jį įjungus yra įjungimo varža, todėl srovė sunaudos energiją šiai varžai. Ši sunaudojamos energijos dalis vadinama laidumo praradimu. Pasirinkus MOSFET su maža įjungimo varža, sumažės laidumo nuostoliai. Šiandienos mažos galios MOSFET varža paprastai yra apie dešimtis milijonų omų, taip pat yra keletas milijonų omų.

Kai MOSFET įjungiamas ir išjungiamas, jis neturi būti baigtas iš karto. MOS įtampa mažėja, o tekanti srovė didėja. Per šį laikotarpį,MOSFETnuostoliai yra įtampos ir srovės sandauga, vadinama perjungimo nuostoliais. Paprastai perjungimo nuostoliai yra daug didesni nei laidumo nuostoliai, o kuo greitesnis perjungimo dažnis, tuo didesni nuostoliai.

Įtampos ir srovės sandauga laidumo momentu yra labai didelė, sukelianti didelius nuostolius. Perjungimo laiko sutrumpinimas gali sumažinti nuostolius kiekvieno laidumo metu; sumažinus perjungimo dažnį, galima sumažinti jungiklių skaičių per laiko vienetą. Abu metodai gali sumažinti perjungimo nuostolius.

Bangos forma, kai MOSFET įjungtas. Matyti, kad įtampos ir srovės sandauga laidumo momentu yra labai didelė, o sukeliami nuostoliai taip pat labai dideli. Sumažinus perjungimo laiką galima sumažinti nuostolius kiekvieno laidumo metu; sumažinus perjungimo dažnį, galima sumažinti jungiklių skaičių per laiko vienetą. Abu metodai gali sumažinti perjungimo nuostolius.

 

4. MOSFET tvarkyklė

Palyginti su dvipoliais tranzistoriais, paprastai manoma, kad MOSFET įjungti nereikia srovės, jei GS įtampa yra didesnė už tam tikrą vertę. Tai padaryti lengva, bet mums reikia ir greičio.

MOSFET struktūroje matyti, kad tarp GS ir GD yra parazitinė talpa, o MOSFET valdymas iš tikrųjų yra kondensatoriaus įkrovimas ir iškrovimas. Kondensatoriaus įkrovimui reikalinga srovė, nes įkrovimo momentu kondensatorius gali būti vertinamas kaip trumpasis jungimas, todėl momentinė srovė bus gana didelė. Pirmas dalykas, į kurį reikia atkreipti dėmesį renkantis / projektuojant MOSFET tvarkyklę, yra momentinės trumpojo jungimo srovės, kurią ji gali suteikti. ,

Antras dalykas, į kurį reikia atkreipti dėmesį, yra tai, kad NMOS, kuri dažniausiai naudojama aukščiausios klasės vairavimui, turi būti įjungta, kad vartų įtampa būtų didesnė už šaltinio įtampą. Kai įjungiamas aukštosios pusės varomas MOSFET, šaltinio įtampa yra tokia pati kaip išleidimo įtampa (VCC), todėl vartų įtampa šiuo metu yra 4 V arba 10 V didesnė nei VCC. Jei toje pačioje sistemoje norite gauti didesnę nei VCC įtampą, jums reikia specialios stiprinimo grandinės. Daugelis variklių turi integruotus įkrovimo siurblius. Reikėtų pažymėti, kad reikia pasirinkti tinkamą išorinį kondensatorių, kad būtų gauta pakankamai trumpojo jungimo srovės, kad būtų galima valdyti MOSFET.

 

Aukščiau minėta 4 V arba 10 V yra dažniausiai naudojamų MOSFET įtampa, ir, žinoma, projektuojant reikia leisti tam tikrą atsargą. Ir kuo didesnė įtampa, tuo didesnis laidumo greitis ir mažesnė laidumo varža. Dabar įvairiose srityse yra MOSFET su mažesnėmis laidumo įtampomis, tačiau 12 V automobilių elektroninėse sistemose paprastai pakanka 4 V laidumo.

 

Norėdami sužinoti apie MOSFET tvarkyklės grandinę ir jos nuostolius, žr. Microchip AN799 MOSFET tvarkyklių suderinimą su MOSFET. Labai detalu, tad daugiau nerašysiu.

 

Įtampos ir srovės sandauga laidumo momentu yra labai didelė, sukelianti didelius nuostolius. Sumažinus perjungimo laiką galima sumažinti nuostolius kiekvieno laidumo metu; sumažinus perjungimo dažnį, galima sumažinti jungiklių skaičių per laiko vienetą. Abu metodai gali sumažinti perjungimo nuostolius.

MOSFET yra FET tipas (kitas yra JFET). Jis gali būti pakeistas į patobulinimo arba išeikvojimo režimą, P kanalą arba N kanalą, iš viso 4 tipų. Tačiau iš tikrųjų naudojamas tik patobulinimo režimo N kanalo MOSFET. ir patobulinimo tipo P kanalo MOSFET, todėl NMOS arba PMOS paprastai nurodo šiuos du tipus.

 

5. MOSFET taikymo grandinė?

Svarbiausia MOSFET savybė yra geros perjungimo charakteristikos, todėl jis plačiai naudojamas grandinėse, kurioms reikalingi elektroniniai jungikliai, pvz., perjungiamieji maitinimo šaltiniai ir variklio pavaros, taip pat apšvietimo pritemdymas.

 

Šiandienos MOSFET tvarkyklės turi keletą specialių reikalavimų:

1. Žemos įtampos taikymas

Naudojant 5 V maitinimo šaltinį, jei šiuo metu naudojama tradicinė totemo poliaus struktūra, kadangi tranzistoriaus įtampa nukrenta apie 0,7 V, tikroji galutinė įtampa, taikoma vartams, yra tik 4,3 V. Šiuo metu mes pasirenkame vardinę vartų galią

Naudojant 4,5 V MOSFET, yra tam tikra rizika. Ta pati problema iškyla ir naudojant 3V ar kitus žemos įtampos maitinimo šaltinius.

2. Platus įtampos pritaikymas

Įvesties įtampa nėra fiksuota vertė, ji keisis priklausomai nuo laiko ar kitų veiksnių. Dėl šio pakeitimo PWM grandinės MOSFET tiekiama pavaros įtampa yra nestabili.

Kad MOSFET būtų saugūs esant aukštai vartų įtampai, daugelis MOSFET turi įmontuotus įtampos reguliatorius, kurie stipriai apriboja vartų įtampos amplitudę. Tokiu atveju, kai pateikta pavaros įtampa viršija įtampos reguliatoriaus vamzdžio įtampą, tai sukels dideles statinės energijos sąnaudas.

Tuo pačiu metu, jei tiesiog naudosite rezistoriaus įtampos padalijimo principą, kad sumažintumėte vartų įtampą, MOSFET veiks gerai, kai įvesties įtampa yra palyginti aukšta, tačiau sumažinus įėjimo įtampą, vartų įtampa bus nepakankama, todėl nepilnas laidumas, todėl padidėja energijos suvartojimas.

3. Dvigubos įtampos taikymas

Kai kuriose valdymo grandinėse loginė dalis naudoja tipinę 5 V arba 3,3 V skaitmeninę įtampą, o maitinimo dalis – 12 V ar net didesnę įtampą. Abi įtampos yra prijungtos prie bendro įžeminimo.

Dėl to kyla reikalavimas naudoti grandinę, kad žemos įtampos pusė galėtų efektyviai valdyti MOSFET aukštos įtampos pusėje. Tuo pačiu metu aukštos įtampos pusėje esantis MOSFET taip pat susidurs su 1 ir 2 punktuose nurodytomis problemomis.

Šiais trimis atvejais totemo stulpo struktūra negali atitikti išvesties reikalavimų, o daugelis MOSFET tvarkyklės IC neapima vartų įtampą ribojančių struktūrų.

 

Taigi aš sukūriau palyginti bendrą grandinę, kad atitiktų šiuos tris poreikius.

,

Tvarkyklės grandinė NMOS

Čia aš atliksiu tik paprastą NMOS tvarkyklės grandinės analizę:

Vl ir Vh yra atitinkamai žemos ir aukščiausios klasės maitinimo šaltiniai. Abi įtampos gali būti vienodos, tačiau Vl neturi viršyti Vh.

Q1 ir Q2 sudaro apverstą totemo stulpą, kad būtų užtikrinta izoliacija, kartu užtikrinant, kad du vairuotojo vamzdeliai Q3 ir Q4 neįsijungtų tuo pačiu metu.

R2 ir R3 pateikia PWM įtampos atskaitą. Pakeitus šią atskaitą, grandinė gali būti valdoma tokioje padėtyje, kurioje PWM signalo bangos forma yra gana staigi.

Q3 ir Q4 naudojami pavaros srovei tiekti. Kai įjungti, Q3 ir Q4 turi tik minimalų Vce įtampos kritimą, palyginti su Vh ir GND. Šis įtampos kritimas paprastai yra tik apie 0,3 V, o tai yra daug mažesnis nei 0,7 V Vce.

R5 ir R6 yra grįžtamojo ryšio rezistoriai, naudojami vartų įtampai paimti. Atrinkta įtampa sukuria stiprų neigiamą grįžtamąjį ryšį į Q1 ir Q2 iki Q5 pagrindus, taip apribodama užtvaro įtampą iki ribotos vertės. Šią reikšmę galima reguliuoti per R5 ir R6.

Galiausiai R1 pateikia Q3 ir Q4 bazinės srovės ribą, o R4 – MOSFET vartų srovės ribą, kuri yra Q3 ir Q4 ledo riba. Jei reikia, lygiagrečiai su R4 galima prijungti pagreičio kondensatorių.

Ši grandinė turi šias funkcijas:

1. Naudokite žemąją įtampą ir PWM, kad valdytumėte aukštosios pusės MOSFET.

2. Naudokite mažos amplitudės PWM signalą, kad valdytumėte MOSFET su aukštais vartų įtampos reikalavimais.

3. Vartų įtampos didžiausia riba

4. Įėjimo ir išėjimo srovės ribos

5. Naudojant tinkamus rezistorius, galima pasiekti labai mažą energijos suvartojimą.

6. PWM signalas yra apverstas. NMOS ši funkcija nereikalinga ir ją galima išspręsti įdėjus keitiklį priekyje.

Kurdami nešiojamuosius įrenginius ir belaidžius gaminius, gaminio našumo gerinimas ir baterijos veikimo trukmės pailginimas yra dvi problemos, su kuriomis dizaineriai turi susidurti. DC-DC keitikliai turi didelio efektyvumo, didelės išėjimo srovės ir mažos ramybės srovės pranašumus, todėl jie labai tinka nešiojamiesiems įrenginiams maitinti. Šiuo metu pagrindinės DC-DC keitiklių projektavimo technologijos plėtros tendencijos yra šios: (1) Aukšto dažnio technologija: Didėjant perjungimo dažniui, taip pat sumažėja perjungimo keitiklio dydis, taip pat labai padidėja galios tankis, ir dinaminis atsakas pagerėjo. . Mažos galios DC-DC keitiklių perjungimo dažnis pakils iki megahercų lygio. (2) Žemos išėjimo įtampos technologija: Nuolat tobulinant puslaidininkių gamybos technologiją, mikroprocesorių ir nešiojamųjų elektroninių prietaisų darbinė įtampa vis mažėja, todėl būsimiems nuolatinės srovės-DC keitikliams reikia teikti žemą išėjimo įtampą, kad būtų galima prisitaikyti prie mikroprocesorių. reikalavimai procesoriams ir nešiojamiesiems elektroniniams prietaisams.

Šių technologijų plėtra iškėlė aukštesnius reikalavimus galios lustų grandinių projektavimui. Visų pirma, nuolat didėjant perjungimo dažniui, perjungimo elementų veikimui keliami aukšti reikalavimai. Tuo pačiu metu turi būti numatytos atitinkamos perjungimo elementų pavaros grandinės, užtikrinančios, kad perjungimo elementai normaliai veiktų perjungimo dažniais iki MHz. Antra, baterijomis maitinamiems nešiojamiesiems elektroniniams prietaisams grandinės darbinė įtampa yra žema (pavyzdžiui, ličio baterijas, darbinė įtampa yra 2,5–3,6 V), todėl maitinimo lusto darbinė įtampa yra žema.

 

MOSFET turi labai mažą varžą ir sunaudoja mažai energijos. MOSFET dažnai naudojamas kaip maitinimo jungiklis šiuo metu populiariuose didelio efektyvumo DC-DC lustuose. Tačiau dėl didelės MOSFET parazitinės talpos NMOS perjungimo vamzdžių vartų talpa paprastai siekia dešimtis pikofaradų. Tai kelia aukštesnius reikalavimus aukšto dažnio nuolatinės srovės keitiklio perjungimo vamzdžio pavaros grandinės projektavimui.

Žemos įtampos ULSI modeliuose yra įvairių CMOS ir BiCMOS loginių grandinių, naudojančių įkrovos stiprinimo struktūras ir pavaros grandines kaip dideles talpines apkrovas. Šios grandinės gali normaliai veikti esant žemesnei nei 1 V maitinimo įtampai ir gali veikti dešimčių megahercų ar net šimtų megahercų dažniu, kai apkrovos talpa yra nuo 1 iki 2 pF. Šiame straipsnyje naudojama įkrovos stiprinimo grandinė, skirta sukurti pavaros grandinę su didele apkrovos talpos pavaros galia, tinkančia žemos įtampos, didelio perjungimo dažnio padidinimo nuolatinės srovės-DC keitikliams. Grandinė sukurta remiantis Samsung AHP615 BiCMOS procesu ir patikrinta Hspice modeliavimu. Kai maitinimo įtampa yra 1,5 V, o apkrovos talpa yra 60 pF, veikimo dažnis gali siekti daugiau nei 5 MHz.

,

MOSFET perjungimo charakteristikos

,

1. Statinės charakteristikos

Kaip perjungimo elementas, MOSFET taip pat veikia dviem būsenomis: išjungta arba įjungta. Kadangi MOSFET yra įtampa valdomas komponentas, jo darbinę būseną daugiausia lemia vartų šaltinio įtampa uGS.

 

Darbo charakteristikos yra šios:

※ uGS＜įjungimo įtampa UT: MOSFET veikia išjungimo zonoje, išleidimo šaltinio srovė iDS iš esmės yra 0, išėjimo įtampa uDS≈UDD, o MOSFET yra "išjungtoje" būsenoje.

※ uGS>Įjungimo įtampa UT: MOSFET veikia laidumo srityje, nutekėjimo šaltinio srovė iDS=UDD/(RD+rDS). Tarp jų rDS yra nutekėjimo šaltinio atsparumas, kai įjungtas MOSFET. Išėjimo įtampa UDS=UDD?rDS/(RD+rDS), jei rDS＜＜RD, uDS≈0V, MOSFET yra „įjungta“ būsenoje.

2. Dinaminės charakteristikos

MOSFET taip pat turi pereinamąjį procesą perjungiant įjungimo ir išjungimo būsenas, tačiau jo dinaminės charakteristikos daugiausia priklauso nuo laiko, reikalingo įkrauti ir iškrauti su grandine susijusią kintamąją talpą, taip pat nuo įkrovos kaupimosi ir iškrovimo, kai pats vamzdelis yra įjungtas ir išjungtas. Išsklaidymo laikas yra labai mažas.

Kai įvesties įtampa ui keičiasi iš aukštos į žemą ir MOSFET iš įjungtos būsenos į išjungtą būseną, maitinimo šaltinis UDD įkrauna kintamąją talpą CL per RD, o įkrovimo laiko konstanta τ1=RDCL. Todėl išėjimo įtampa uo turi praeiti tam tikrą uždelsimą, prieš pereinant iš žemo lygio į aukštą; kai įvesties įtampa ui pasikeičia iš žemos į aukštą ir MOSFET iš išjungtos būsenos į įjungtą būseną, išsklaidžios talpos CL įkrovimas praeina per rDS. Iškrova įvyksta esant iškrovos laiko konstantai τ2≈rDSCL. Matyti, kad išėjimo įtampai Uo taip pat reikia tam tikro uždelsimo, kad ji galėtų pereiti į žemą lygį. Tačiau kadangi rDS yra daug mažesnis nei RD, konversijos laikas nuo ribinės iki laidumo yra trumpesnis nei konversijos laikas nuo laidumo iki ribinio.

Kadangi įjungto MOSFET nutekėjimo šaltinio varža rDS yra daug didesnė už tranzistoriaus soties varžą rCES, o išorinė nutekėjimo varža RD taip pat yra didesnė nei tranzistoriaus kolektoriaus varža RC, įkrovimo ir iškrovimo laikas. MOSFET yra ilgesnis, todėl MOSFET Perjungimo greitis yra mažesnis nei tranzistoriaus. Tačiau CMOS grandinėse, kadangi įkrovimo grandinė ir iškrovimo grandinė yra mažos varžos grandinės, įkrovimo ir iškrovimo procesai vyksta gana greitai, todėl CMOS grandinės perjungimo greitis yra didelis.