Originalno osnovno znanje in uporaba MOSFET

Glede na to, zakaj način izčrpavanjaMOSFET-jise ne uporabljajo, temu ni priporočljivo priti do dna.

Za ta dva MOSFET-ja v načinu izboljšave se pogosteje uporablja NMOS. Razlog je v tem, da je vklopni upor majhen in enostaven za izdelavo. Zato se NMOS običajno uporablja v aplikacijah za stikalno napajanje in motorne pogone. V naslednjem uvodu se večinoma uporablja NMOS.

Med tremi nožicami MOSFET-a je parazitska kapacitivnost. To ni tisto, kar potrebujemo, ampak je posledica omejitev proizvodnega procesa. Zaradi obstoja parazitske kapacitivnosti je pri načrtovanju ali izbiri pogonskega vezja več težav, vendar se ji ni mogoče izogniti. Podrobneje ga bomo predstavili kasneje.

Med odvodom in virom je parazitska dioda. To se imenuje telesna dioda. Ta dioda je zelo pomembna pri pogonu induktivnih bremen (kot so motorji). Mimogrede, ohišje diode obstaja samo v enem MOSFET-u in je običajno ni v čipu integriranega vezja.

2. Prevodne lastnosti MOSFET

Vodenje pomeni delovati kot stikalo, kar je enakovredno zaprtju stikala.

Značilnost NMOS je, da se vklopi, ko je Vgs večji od določene vrednosti. Primeren je za uporabo, ko je vir ozemljen (low-end pogon), dokler napetost na vratih doseže 4V ali 10V.

Značilnosti PMOS so, da se vklopi, ko je Vgs manjši od določene vrednosti, kar je primerno za situacije, ko je vir priključen na VCC (high-end drive). Vendar, čepravPMOSlahko preprosto uporabite kot gonilnik višjega cenovnega razreda, NMOS se običajno uporablja v gonilnikih višjega cenovnega razreda zaradi velikega upora pri vklopu, visoke cene in malo nadomestnih vrst.

3. Izguba stikalne cevi MOS

Ne glede na to, ali gre za NMOS ali PMOS, po vklopu pride do vklopnega upora, zato bo tok porabil energijo na tem uporu. Ta del porabljene energije se imenuje izguba prevodnosti. Če izberete MOSFET z majhnim vklopnim uporom, boste zmanjšali prevodne izgube. Današnji nizkoenergijski MOSFET je vklopni upor na splošno okoli desetine miliohmov, obstaja pa tudi več miliohmov.

Ko se MOSFET vklopi in izklopi, se ne sme dokončati takoj. Napetost na MOS ima proces padanja, tok, ki teče, pa narašča. V tem obdobju jeMOSFET-iizguba je produkt napetosti in toka, kar imenujemo preklopna izguba. Običajno so preklopne izgube veliko večje od prevodnih izgub in večja kot je preklopna frekvenca, večje so izgube.

Produkt napetosti in toka v trenutku prevajanja je zelo velik, kar povzroča velike izgube. Skrajšanje preklopnega časa lahko zmanjša izgubo med vsakim prevodom; zmanjšanje preklopne frekvence lahko zmanjša število preklopov na časovno enoto. Obe metodi lahko zmanjšata stikalne izgube.

Valovna oblika, ko je MOSFET vklopljen. Vidimo lahko, da je produkt napetosti in toka v trenutku prevodnosti zelo velik, povzročena izguba pa je prav tako zelo velika. Zmanjšanje preklopnega časa lahko zmanjša izgubo med vsakim prevodom; zmanjšanje preklopne frekvence lahko zmanjša število preklopov na časovno enoto. Obe metodi lahko zmanjšata stikalne izgube.

4. Gonilnik MOSFET

V primerjavi z bipolarnimi tranzistorji se na splošno verjame, da za vklop MOSFET ni potreben tok, dokler je napetost GS višja od določene vrednosti. To je enostavno narediti, vendar potrebujemo tudi hitrost.

V strukturi MOSFET-a je razvidno, da obstaja parazitska kapacitivnost med GS in GD, pogon MOSFET-a pa je dejansko polnjenje in praznjenje kondenzatorja. Za polnjenje kondenzatorja je potreben tok, saj lahko kondenzator v trenutku polnjenja obravnavamo kot kratek stik, zato bo trenutni tok razmeroma velik. Prva stvar, na katero morate biti pozorni pri izbiri/načrtovanju gonilnika MOSFET, je količina trenutnega toka kratkega stika, ki ga lahko zagotovi.

Druga stvar, ki jo je treba opozoriti, je, da NMOS, ki se običajno uporablja za vožnjo višjega razreda, potrebuje, da je napetost vrat večja od napetosti vira, ko je vklopljena. Ko je MOSFET, ki ga poganja visoka stran, vklopljen, je izvorna napetost enaka odvodni napetosti (VCC), tako da je napetost vrat trenutno 4 V ali 10 V večja od VCC. Če želite v istem sistemu dobiti napetost, ki je večja od VCC, potrebujete posebno ojačevalno vezje. Veliko gonilnikov motorjev ima vgrajene polnilne črpalke. Upoštevati je treba, da je treba izbrati ustrezen zunanji kondenzator, da se pridobi zadosten kratkostični tok za pogon MOSFET-a.

Zgoraj omenjena 4 V ali 10 V je vklopna napetost pogosto uporabljenih MOSFET-jev in seveda je treba med načrtovanjem dovoliti določeno rezervo. In višja kot je napetost, hitrejša je prevodna hitrost in manjši je prevodni upor. Zdaj obstajajo MOSFET-ji z nižjimi prevodnimi napetostmi, ki se uporabljajo na različnih področjih, toda v 12-voltnih avtomobilskih elektronskih sistemih je običajno dovolj 4-voltno prevodnost.

Za vezje gonilnika MOSFET in njegove izgube glejte Microchipov AN799 Ujemanje gonilnikov MOSFET z MOSFET-ji. Je zelo podroben, zato ne bom pisal več.

Produkt napetosti in toka v trenutku prevajanja je zelo velik, kar povzroča velike izgube. Zmanjšanje preklopnega časa lahko zmanjša izgubo med vsakim prevodom; zmanjšanje preklopne frekvence lahko zmanjša število preklopov na časovno enoto. Obe metodi lahko zmanjšata stikalne izgube.

MOSFET je vrsta FET (drugi je JFET). Lahko se spremeni v način izboljšave ali izčrpanosti, P-kanal ali N-kanal, skupaj 4 vrste. Vendar se dejansko uporablja samo N-kanalni MOSFET v načinu izboljšave. in P-kanalni MOSFET izboljšanega tipa, zato se NMOS ali PMOS običajno nanašata na ti dve vrsti.

5. Aplikacijsko vezje MOSFET?

Najpomembnejša značilnost MOSFET-a so njegove dobre preklopne lastnosti, zato se pogosto uporablja v vezjih, ki zahtevajo elektronska stikala, kot so stikalni napajalniki in motorni pogoni, pa tudi zatemnitev razsvetljave.

Današnji gonilniki MOSFET imajo več posebnih zahtev:

1. Uporaba nizke napetosti

Pri uporabi 5 V napajalnika, če se trenutno uporablja tradicionalna struktura totemskega droga, je dejanska končna napetost na vratih le 4,3 V, ker ima tranzistor padec napetosti približno 0,7 V. V tem času izberemo nazivno moč vrat

Pri uporabi 4,5 V MOSFET obstaja določeno tveganje. Enaka težava se pojavi tudi pri uporabi 3V ali drugih nizkonapetostnih napajalnikov.

2. Široka uporaba napetosti

Vhodna napetost ni fiksna vrednost, spreminjala se bo s časom ali drugimi dejavniki. Ta sprememba povzroči, da je pogonska napetost, ki jo vezje PWM zagotavlja na MOSFET, nestabilna.

Da bi bili MOSFET-ji varni pod visokimi napetostmi vrat, imajo številni MOSFET-ji vgrajene regulatorje napetosti za močno omejitev amplitude napetosti vrat. V tem primeru, ko zagotovljena pogonska napetost preseže napetost cevi regulatorja napetosti, bo to povzročilo veliko statično porabo energije.

Hkrati, če preprosto uporabite načelo delitve napetosti upora za zmanjšanje napetosti vrat, bo MOSFET deloval dobro, ko je vhodna napetost razmeroma visoka, ko pa se vhodna napetost zmanjša, bo napetost vrat nezadostna, kar povzroči nepopolno prevajanje, s čimer se poveča poraba energije.

3. Uporaba dvojne napetosti

V nekaterih krmilnih vezjih uporablja logični del tipično digitalno napetost 5 V ali 3,3 V, medtem ko napajalni del uporablja napetost 12 V ali celo več. Obe napetosti sta povezani s skupno maso.

To postavlja zahtevo po uporabi vezja, tako da lahko nizkonapetostna stran učinkovito krmili MOSFET na visokonapetostni strani. Istočasno se bo MOSFET na visokonapetostni strani soočil tudi s težavami, omenjenimi v 1 in 2.

V teh treh primerih struktura totemskega droga ne more izpolniti izhodnih zahtev in zdi se, da številni IC gonilniki MOSFET, ki so že na voljo, ne vključujejo struktur za omejevanje napetosti vrat.

Zato sem oblikoval razmeroma splošno vezje za izpolnitev teh treh potreb.

Vozniško vezje za NMOS

Tukaj bom naredil le preprosto analizo vezja gonilnika NMOS:

Vl in Vh sta nizkocenovni in visokokakovostni napajalnik. Obe napetosti sta lahko enaki, vendar Vl ne sme preseči Vh.

Q1 in Q2 tvorita obrnjen totemski drog, da dosežeta izolacijo, hkrati pa zagotovita, da se gonilni cevi Q3 in Q4 ne vklopita hkrati.

R2 in R3 zagotavljata referenco napetosti PWM. S spremembo te reference lahko vezje deluje v položaju, kjer je valovna oblika signala PWM relativno strma.

Q3 in Q4 se uporabljata za zagotavljanje pogonskega toka. Ko sta vklopljena, imata Q3 in Q4 le najmanjši padec napetosti Vce glede na Vh in GND. Ta padec napetosti je običajno le približno 0,3 V, kar je veliko nižje od Vce 0,7 V.

R5 in R6 sta povratna upora, ki se uporabljata za vzorčenje napetosti vrat. Vzorčena napetost ustvari močno negativno povratno informacijo na baze Q1 in Q2 do Q5, s čimer omeji napetost vrat na omejeno vrednost. To vrednost je mogoče prilagoditi z R5 in R6.

Končno, R1 zagotavlja omejitev osnovnega toka za Q3 in Q4, R4 pa zagotavlja omejitev toka vrat za MOSFET, ki je meja Ice Q3 in Q4. Po potrebi lahko vzporedno z R4 priključimo pospeševalni kondenzator.

To vezje zagotavlja naslednje funkcije:

1. Za pogon MOSFET-a na visoki strani uporabite nizko napetost in PWM.

2. Uporabite signal PWM majhne amplitude za pogon MOSFET z zahtevami po visoki napetosti vrat.

3. Najvišja meja napetosti vrat

4. Omejitve vhodnega in izhodnega toka

5. Z uporabo ustreznih uporov lahko dosežemo zelo nizko porabo energije.

6. Signal PWM je obrnjen. NMOS ne potrebuje te funkcije in jo je mogoče rešiti s postavitvijo pretvornika spredaj.

Pri načrtovanju prenosnih naprav in brezžičnih izdelkov sta dve vprašanji, s katerimi se morajo soočiti oblikovalci, izboljšanje delovanja izdelka in podaljšanje življenjske dobe baterije. DC-DC pretvorniki imajo prednosti visoke učinkovitosti, velikega izhodnega toka in nizkega mirujočega toka, zaradi česar so zelo primerni za napajanje prenosnih naprav. Trenutno so glavni trendi v razvoju tehnologije načrtovanja pretvornikov DC-DC: (1) Visokofrekvenčna tehnologija: Ko se preklopna frekvenca poveča, se zmanjša tudi velikost preklopnega pretvornika, močno se poveča tudi gostota moči, in dinamični odziv je izboljšan. . Preklopna frekvenca DC-DC pretvornikov majhne moči se bo dvignila na raven megahercev. (2) Tehnologija nizke izhodne napetosti: Z nenehnim razvojem tehnologije izdelave polprevodnikov postaja delovna napetost mikroprocesorjev in prenosnih elektronskih naprav vedno nižja, kar od prihodnjih pretvornikov DC-DC zahteva nizko izhodno napetost za prilagoditev mikroprocesorjem. zahteve za procesorje in prenosne elektronske naprave.

Razvoj teh tehnologij je postavil višje zahteve za načrtovanje vezij močnostnih čipov. Prvič, ker se preklopna frekvenca še naprej povečuje, so visoke zahteve glede zmogljivosti preklopnih elementov. Hkrati je treba zagotoviti ustrezna pogonska vezja stikalnih elementov, ki zagotavljajo normalno delovanje stikalnih elementov pri preklopnih frekvencah do MHz. Drugič, pri prenosnih elektronskih napravah, ki se napajajo z baterijami, je delovna napetost vezja nizka (če vzamemo za primer litijeve baterije, je delovna napetost 2,5 ~ 3,6 V), zato je delovna napetost napajalnega čipa nizka.

MOSFET ima zelo nizek vklopni upor in porabi malo energije. MOSFET se pogosto uporablja kot stikalo za napajanje v trenutno priljubljenih visoko učinkovitih DC-DC čipih. Vendar pa je zaradi velike parazitske kapacitivnosti MOSFET-a kapacitivnost vrat preklopnih cevi NMOS na splošno tako visoka kot desetine pikofaradov. To postavlja višje zahteve za zasnovo pogonskega vezja preklopne cevi DC-DC pretvornika z visoko delovno frekvenco.

V nizkonapetostnih zasnovah ULSI obstajajo različna logična vezja CMOS in BiCMOS, ki uporabljajo zagonske ojačevalne strukture in pogonska vezja kot velike kapacitivne obremenitve. Ta vezja lahko normalno delujejo z napajalno napetostjo, nižjo od 1 V, in lahko delujejo pri frekvenci deset megahercev ali celo sto megahercev z obremenitveno kapacitivnostjo od 1 do 2 pF. Ta članek uporablja zagonsko ojačevalno vezje za načrtovanje pogonskega vezja z zmogljivostjo pogona z veliko obremenitveno kapacitivnostjo, ki je primerno za nizkonapetostne in visokopreklopne frekvenčne ojačevalne pretvornike DC-DC. Vezje je zasnovano na osnovi procesa Samsung AHP615 BiCMOS in preverjeno s simulacijo Hspice. Ko je napajalna napetost 1,5 V in obremenitvena kapacitivnost 60 pF, lahko delovna frekvenca doseže več kot 5 MHz.

MOSFET preklopne karakteristike

1. Statične značilnosti

MOSFET kot preklopni element deluje tudi v dveh stanjih: izklopljeno ali vklopljeno. Ker je MOSFET napetostno krmiljena komponenta, je njegovo delovno stanje v glavnem določeno z napetostjo izvor-vrata uGS.

Delovne lastnosti so naslednje:

※ uGS＜napetost vklopa UT: MOSFET deluje v območju izklopa, odvodni tok iDS je v bistvu 0, izhodna napetost uDS≈UDD, MOSFET pa je v stanju "izklopljen".

※ uGS>Vklopna napetost UT: MOSFET deluje v prevodnem območju, tok odtok-izvor iDS=UDD/(RD+rDS). Med njimi je rDS upor odtok-izvor, ko je MOSFET vklopljen. Izhodna napetost UDS=UDD?rDS/(RD+rDS), če je rDS＜＜RD, uDS≈0V, je MOSFET v stanju "vklopljen".

2. Dinamične lastnosti

MOSFET ima tudi prehodni proces pri preklapljanju med stanjem vklopa in izklopa, vendar so njegove dinamične značilnosti v glavnem odvisne od časa, potrebnega za polnjenje in praznjenje blodeče kapacitivnosti, povezane z vezjem, ter kopičenja in praznjenja naboja, ko je cev sama vklopljena in izklopljena. Čas disipacije je zelo majhen.

Ko se vhodna napetost ui spremeni iz visoke v nizko in se MOSFET spremeni iz vklopljenega stanja v izklopljeno stanje, napajalnik UDD napolni blodečo kapacitivnost CL skozi RD in časovno konstanto polnjenja τ1=RDCL. Zato mora izhodna napetost uo iti skozi določeno zakasnitev, preden se spremeni iz nizke ravni v visoko; ko se vhodna napetost ui spremeni iz nizke v visoko in se MOSFET spremeni iz izklopljenega v vklopljeno stanje, preide naboj na blodeči kapacitivnosti CL skozi rDS. Do praznjenja pride s časovno konstanto praznjenja τ2≈rDSCL. Vidimo lahko, da tudi izhodna napetost Uo potrebuje določeno zakasnitev, preden lahko preide na nizko raven. Ker pa je rDS veliko manjši od RD, je čas pretvorbe iz prekinitve v prevajanje krajši od časa pretvorbe iz pretvorbe v prekinitev.

Ker je odvodni upor rDS MOSFET-a, ko je vklopljen, veliko večji od nasičenega upora rCES tranzistorja in je tudi zunanji odvodni upor RD večji od kolektorskega upora RC tranzistorja, je čas polnjenja in praznjenja MOSFET-a je daljši, zaradi česar je preklopna hitrost MOSFET-a manjša kot pri tranzistorju. Vendar pa sta v vezjih CMOS, ker sta vezje za polnjenje in vezje za praznjenje vezji z nizkim uporom, postopek polnjenja in praznjenja razmeroma hiter, kar ima za posledico visoko hitrost preklopa za vezje CMOS.