MOSFET оригинални основни знания и приложение

Що се отнася до защо режим на изчерпванеMOSFET транзисторине се използват, не се препоръчва да се стигне до дъното.

За тези два MOSFET с режим на подобрение по-често се използва NMOS. Причината е, че съпротивлението при включване е малко и лесно за производство. Следователно NMOS обикновено се използва в импулсно захранване и приложения за моторно задвижване. В следващото въведение най-често се използва NMOS.

Има паразитен капацитет между трите извода на MOSFET. Това не е това, от което се нуждаем, а е причинено от ограничения на производствения процес. Наличието на паразитен капацитет го прави по-обезпокоителен при проектирането или избора на задвижваща верига, но няма начин да го избегнете. Ще го представим подробно по-късно.

Има паразитен диод между дрейна и източника. Това се нарича телесен диод. Този диод е много важен при управление на индуктивни товари (като двигатели). Между другото, основният диод съществува само в един MOSFET и обикновено не се намира в чип с интегрална схема.

2. Характеристики на проводимост на MOSFET

Провеждането означава да действате като превключвател, което е еквивалентно на затворен превключвател.

Характеристиката на NMOS е, че ще се включи, когато Vgs е по-голямо от определена стойност. Подходящ е за използване, когато източникът е заземен (устройство от нисък клас), стига напрежението на гейта да достигне 4V или 10V.

Характеристиките на PMOS са, че ще се включи, когато Vgs е по-малко от определена стойност, което е подходящо за ситуации, в които източникът е свързан към VCC (устройство от висок клас). Въпреки това, въпреки чеPMOSможе лесно да се използва като драйвер от висок клас, NMOS обикновено се използва в драйвери от висок клас поради голямото съпротивление при включване, високата цена и малкото видове замяна.

3. Загуба на MOS превключваща тръба

Независимо дали е NMOS или PMOS, има съпротивление при включване, след като е включено, така че токът ще консумира енергия на това съпротивление. Тази част от консумираната енергия се нарича загуба на проводимост. Изборът на MOSFET с малко съпротивление при включване ще намали загубите на проводимост. Днешното съпротивление при включване на MOSFET с ниска мощност обикновено е около десетки милиома, а има и няколко милиома.

Когато MOSFET се включва и изключва, това не трябва да бъде завършено моментално. Напрежението в MOS има намаляващ процес, а протичащият ток има нарастващ процес. През този период,MOSFETзагубата е произведение на напрежение и ток, което се нарича загуба при превключване. Обикновено загубите при превключване са много по-големи от загубите на проводимост и колкото по-висока е честотата на превключване, толкова по-големи са загубите.

Продуктът на напрежението и тока в момента на провеждане е много голям, причинявайки големи загуби. Съкращаването на времето за превключване може да намали загубата по време на всяко провеждане; намаляването на честотата на превключване може да намали броя на превключванията за единица време. И двата метода могат да намалят загубите при превключване.

Формата на вълната, когато MOSFET е включен. Може да се види, че произведението на напрежението и тока в момента на провеждане е много голямо и причинената загуба също е много голяма. Намаляването на времето за превключване може да намали загубата по време на всяко провеждане; намаляването на честотата на превключване може да намали броя на превключванията за единица време. И двата метода могат да намалят загубите при превключване.

4. MOSFET драйвер

В сравнение с биполярните транзистори, обикновено се смята, че не е необходим ток за включване на MOSFET, стига GS напрежението да е по-високо от определена стойност. Това е лесно да се направи, но имаме нужда и от скорост.

Може да се види в структурата на MOSFET, че има паразитен капацитет между GS и GD и управлението на MOSFET всъщност е зареждането и разреждането на кондензатора. Зареждането на кондензатора изисква ток, тъй като кондензаторът може да се разглежда като късо съединение в момента на зареждане, така че моментният ток ще бъде сравнително голям. Първото нещо, на което трябва да обърнете внимание при избора/проектирането на MOSFET драйвер, е количеството моментен ток на късо съединение, което може да осигури.

Второто нещо, което трябва да се отбележи е, че NMOS, който обикновено се използва за шофиране от висок клас, се нуждае от напрежение на портата да бъде по-голямо от напрежението на източника, когато е включено. Когато MOSFET, управляван от високата страна, е включен, напрежението на източника е същото като напрежението на изтичане (VCC), така че напрежението на гейта е 4V или 10V по-голямо от VCC в този момент. Ако искате да получите напрежение, по-голямо от VCC в същата система, имате нужда от специална верига за усилване. Много моторни драйвери имат интегрирани зарядни помпи. Трябва да се отбележи, че трябва да бъде избран подходящ външен кондензатор, за да се получи достатъчен ток на късо съединение за задвижване на MOSFET.

4V или 10V, споменати по-горе, са напрежението при включване на често използваните MOSFET транзистори и, разбира се, трябва да се позволи известна граница по време на проектирането. И колкото по-високо е напрежението, толкова по-бърза е скоростта на проводимост и по-малко съпротивление на проводимост. Сега има MOSFET с по-ниски напрежения на проводимост, използвани в различни области, но в 12V автомобилни електронни системи обикновено е достатъчна 4V проводимост.

За драйверната верига на MOSFET и нейните загуби, моля, вижте AN799 на Microchip за съпоставяне на драйвери на MOSFET към MOSFET. Много е подробно, така че няма да пиша повече.

Продуктът на напрежението и тока в момента на провеждане е много голям, причинявайки големи загуби. Намаляването на времето за превключване може да намали загубата по време на всяко провеждане; намаляването на честотата на превключване може да намали броя на превключванията за единица време. И двата метода могат да намалят загубите при превключване.

MOSFET е вид FET (другият е JFET). Може да се направи в режим на подобрение или режим на изчерпване, P-канал или N-канал, общо 4 вида. В действителност обаче се използва само N-канален MOSFET в режим на подобрение. и P-канален MOSFET с подобрен тип, така че NMOS или PMOS обикновено се отнасят за тези два типа.

5. Приложна схема на MOSFET?

Най-важната характеристика на MOSFET са неговите добри характеристики на превключване, така че той се използва широко във вериги, които изискват електронни превключватели, като импулсни захранвания и моторни задвижвания, както и димиране на осветлението.

Днешните MOSFET драйвери имат няколко специални изисквания:

1. Приложение за ниско напрежение

При използване на захранване от 5 V, ако в този момент се използва традиционна структура на тотемния стълб, тъй като транзисторът има спад на напрежението от около 0,7 V, действителното крайно напрежение, приложено към портата, е само 4,3 V. По това време ние избираме номиналната мощност на портата

Има известен риск при използване на 4.5V MOSFET. Същият проблем възниква и при използване на 3V или други захранвания с ниско напрежение.

2. Широко приложение на напрежение

Входното напрежение не е фиксирана стойност, то ще се променя с времето или други фактори. Тази промяна кара управляващото напрежение, осигурено от веригата PWM към MOSFET, да бъде нестабилно.

За да направят MOSFET безопасни при високи напрежения на портата, много MOSFET имат вградени регулатори на напрежението, за да ограничат силно амплитудата на напрежението на портата. В този случай, когато предоставеното задвижващо напрежение надвишава напрежението на тръбата на регулатора на напрежението, това ще причини голяма статична консумация на енергия.

В същото време, ако просто използвате принципа на разделяне на резисторното напрежение, за да намалите напрежението на портата, MOSFET ще работи добре, когато входното напрежение е относително високо, но когато входното напрежение е намалено, напрежението на портата ще бъде недостатъчно, причинявайки непълна проводимост, като по този начин се увеличава консумацията на енергия.

3. Приложение с двойно напрежение

В някои схеми за управление логическата част използва типично цифрово напрежение от 5 V или 3,3 V, докато захранващата част използва напрежение от 12 V или дори по-високо. Двете напрежения са свързани към обща маса.

Това поражда изискване за използване на верига, така че страната с ниско напрежение да може ефективно да управлява MOSFET от страната с високо напрежение. В същото време MOSFET от страната на високото напрежение също ще се изправи пред проблемите, споменати в 1 и 2.

В тези три случая структурата на тотемния стълб не може да отговори на изходните изисквания и много готови интегрални схеми на драйвери на MOSFET не изглежда да включват структури за ограничаване на напрежението на портата.

Така че проектирах относително обща верига, за да отговоря на тези три нужди.

Драйверна схема за NMOS

Тук ще направя само прост анализ на веригата на NMOS драйвера:

Vl и Vh са съответно нисък и висок клас захранвания. Двете напрежения могат да бъдат еднакви, но Vl не трябва да надвишава Vh.

Q1 и Q2 образуват обърнат тотем, за да постигнат изолация, като същевременно гарантират, че двете задвижващи тръби Q3 и Q4 не се включват едновременно.

R2 и R3 осигуряват референтното напрежение на ШИМ. Чрез промяна на тази справка веригата може да работи в позиция, в която формата на вълната на PWM сигнала е относително стръмна.

Q3 и Q4 се използват за осигуряване на задвижващ ток. Когато са включени, Q3 и Q4 имат само минимален спад на напрежението от Vce спрямо Vh и GND. Този спад на напрежението обикновено е само около 0,3 V, което е много по-ниско от Vce от 0,7 V.

R5 и R6 са резистори за обратна връзка, използвани за вземане на проби от напрежението на портата. Изваденото напрежение генерира силна отрицателна обратна връзка към базите на Q1 и Q2 до Q5, като по този начин ограничава напрежението на затвора до ограничена стойност. Тази стойност може да се регулира чрез R5 и R6.

И накрая, R1 осигурява ограничението на базовия ток за Q3 и Q4, а R4 осигурява ограничението на тока на портата за MOSFET, което е ограничението на леда на Q3 и Q4. Ако е необходимо, ускоряващ кондензатор може да бъде свързан успоредно на R4.

Тази верига осигурява следните характеристики:

1. Използвайте напрежение от ниската страна и ШИМ, за да управлявате MOSFET от високата страна.

2. Използвайте PWM сигнал с малка амплитуда, за да управлявате MOSFET с високи изисквания за напрежение на портата.

3. Пикова граница на гейт напрежението

4. Ограничения на входния и изходния ток

5. Чрез използване на подходящи резистори може да се постигне много ниска консумация на енергия.

6. ШИМ сигналът е обърнат. NMOS не се нуждае от тази функция и може да бъде решен чрез поставяне на инвертор отпред.

Когато проектират преносими устройства и безжични продукти, подобряването на производителността на продукта и удължаването на живота на батерията са два проблема, с които дизайнерите трябва да се сблъскат. DC-DC преобразувателите имат предимствата на висока ефективност, голям изходен ток и нисък ток на покой, което ги прави много подходящи за захранване на преносими устройства. Понастоящем основните тенденции в развитието на технологията за проектиране на DC-DC преобразуватели са: (1) Високочестотна технология: Тъй като честотата на превключване се увеличава, размерът на превключващия преобразувател също намалява, плътността на мощността също се увеличава значително, и динамичната реакция е подобрена. . Честотата на превключване на DC-DC преобразувателите с ниска мощност ще се повиши до нивото на мегахерца. (2) Технология за ниско изходно напрежение: С непрекъснатото развитие на технологията за производство на полупроводници, работното напрежение на микропроцесорите и преносимите електронни устройства става все по-ниско и по-ниско, което изисква бъдещите DC-DC преобразуватели да осигуряват ниско изходно напрежение, за да се адаптират към микропроцесорите. изисквания към процесорите и преносимите електронни устройства.

Развитието на тези технологии постави по-високи изисквания към дизайна на вериги на захранващи чипове. На първо място, тъй като честотата на превключване продължава да нараства, се поставят високи изисквания към производителността на превключващите елементи. В същото време трябва да се осигурят съответните задвижващи вериги на превключващите елементи, за да се гарантира, че превключващите елементи работят нормално при честоти на превключване до MHz. Второ, за преносимите електронни устройства, захранвани от батерии, работното напрежение на веригата е ниско (като вземем литиевите батерии като пример, работното напрежение е 2,5 ~ 3,6 V), следователно работното напрежение на захранващия чип е ниско.

MOSFET има много ниско съпротивление при включване и консумира малко енергия. MOSFET често се използва като превключвател на захранването в популярните в момента високоефективни DC-DC чипове. Въпреки това, поради големия паразитен капацитет на MOSFET, капацитетът на гейта на NMOS превключващите тръби обикновено достига десетки пикофаради. Това поставя по-високи изисквания за дизайна на задвижваща верига на DC-DC преобразувател с превключваща тръба.

В нисковолтовите ULSI проекти има различни CMOS и BiCMOS логически схеми, използващи bootstrap усилващи структури и задвижващи вериги като големи капацитивни товари. Тези вериги могат да работят нормално със захранващо напрежение по-ниско от 1V и могат да работят при честота от десетки мегахерца или дори стотици мегахерца с капацитет на натоварване от 1 до 2pF. Тази статия използва усилваща верига за първоначално зареждане за проектиране на задвижваща верига с голям капацитет на задвижване, която е подходяща за усилващи DC-DC преобразуватели с ниско напрежение и висока честота на превключване. Веригата е проектирана на базата на процес Samsung AHP615 BiCMOS и е проверена от Hspice симулация. Когато захранващото напрежение е 1.5V и товарният капацитет е 60pF, работната честота може да достигне повече от 5MHz.

Комутационни характеристики на MOSFET

1. Статични характеристики

Като превключващ елемент MOSFET също работи в две състояния: изключен или включен. Тъй като MOSFET е компонент с контролирано напрежение, неговото работно състояние се определя главно от напрежението порта-източник uGS.

Работните характеристики са както следва:

※ uGS＜напрежение на включване UT: MOSFET работи в зоната на прекъсване, токът дрейн-източник iDS е основно 0, изходното напрежение uDS≈UDD и MOSFET е в състояние "изключено".

※ uGS>Напрежение на включване UT: MOSFET работи в областта на проводимостта, ток дрейн-източник iDS=UDD/(RD+rDS). Сред тях rDS е съпротивлението дрейн-източник, когато MOSFET е включен. Изходното напрежение UDS=UDD?rDS/(RD+rDS), ако rDS＜＜RD, uDS≈0V, MOSFET е във включено състояние.

2. Динамични характеристики

MOSFET също има процес на преход при превключване между включени и изключени състояния, но неговите динамични характеристики зависят главно от времето, необходимо за зареждане и разреждане на паразитния капацитет, свързан с веригата, и натрупването и разреждането на заряда, когато самата тръба е включена и изключена Времето за разсейване е много малко.

Когато входното напрежение ui се промени от високо на ниско и MOSFET се промени от включено състояние в изключено състояние, захранващият UDD зарежда паразитния капацитет CL през RD и времевата константа на зареждане τ1=RDCL. Следователно, изходното напрежение uo трябва да премине през известно забавяне, преди да се промени от ниско ниво на високо ниво; когато входното напрежение ui се промени от ниско на високо и MOSFET се промени от изключено във включено състояние, зарядът на паразитния капацитет CL преминава през rDS. Разреждането се случва с времева константа на разреждане τ2≈rDSCL. Може да се види, че изходното напрежение Uo също се нуждае от известно забавяне, преди да може да премине към ниско ниво. Но тъй като rDS е много по-малък от RD, времето за преобразуване от прекъсване към проводимост е по-кратко от времето за преобразуване от провеждане към прекъсване.

Тъй като съпротивлението дрейн-източник rDS на MOSFET, когато е включен, е много по-голямо от съпротивлението на насищане rCES на транзистора, а външното съпротивление на дренаж RD също е по-голямо от съпротивлението на колектора RC на транзистора, времето за зареждане и разреждане на MOSFET е по-дълъг, което прави MOSFET Скоростта на превключване е по-ниска от тази на транзистор. Въпреки това, в CMOS схемите, тъй като веригата за зареждане и веригата за разреждане са вериги с ниско съпротивление, процесите на зареждане и разреждане са относително бързи, което води до висока скорост на превключване за веригата CMOS.