MOSFET бастапқы базалық білімі мен қолданбасы

Неліктен сарқылу режиміне келетін болсақMOSFETsпайдаланылмайды, оның түбіне жету ұсынылмайды.

Осы екі жақсарту режимі MOSFET үшін NMOS жиі пайдаланылады. Себебі, қарсылық шағын және өндіруге оңай. Сондықтан, NMOS әдетте коммутациялық қуат көзі мен қозғалтқыш жетек қосымшаларында қолданылады. Келесі кіріспеде NMOS негізінен пайдаланылады.

MOSFET үш түйреуіштері арасында паразиттік сыйымдылық бар. Бұл бізге қажет емес, бірақ өндіріс процесінің шектеулерінен туындайды. Паразиттік сыйымдылықтың болуы жетек тізбегін жобалау немесе таңдау кезінде оны қиындатады, бірақ оны болдырмаудың жолы жоқ. Оны кейінірек егжей-тегжейлі таныстырамыз.

Дренаж мен көз арасында паразиттік диод бар. Бұл дене диоды деп аталады. Бұл диод индуктивті жүктемелерді (мысалы, қозғалтқыштар) жүргізгенде өте маңызды. Айтпақшы, корпус диоды тек бір MOSFET-де бар және әдетте интегралды микросхема чипінің ішінде табылмайды.

 

2. MOSFET өткізгіштік сипаттамалары

Өткізгіш дегеніміз ажыратқыштың қызметін атқаратын, ол жабылған коммутаторға тең.

NMOS ерекшелігі - ол Vgs белгілі бір мәннен жоғары болған кезде қосылады. Ол көз жерге тұйықталған кезде (төменгі жетек), егер қақпа кернеуі 4 В немесе 10 В жеткенше пайдалануға жарамды.

PMOS сипаттамалары Vgs белгілі бір мәннен аз болған кезде қосылады, бұл көз VCC (жоғары деңгейлі диск) қосылған жағдайларға қолайлы. Дегенмен, дегенменPMOSжоғары деңгейлі драйвер ретінде оңай пайдалануға болады, NMOS әдетте үлкен қарсылыққа, жоғары бағаға және бірнеше ауыстыру түрлеріне байланысты жоғары деңгейлі драйверлерде қолданылады.

 

3. MOS коммутатор түтігінің жоғалуы

Бұл NMOS немесе PMOS болсын, ол қосылғаннан кейін қарсылық болады, сондықтан ток осы қарсылыққа энергия жұмсайды. Тұтынылатын энергияның бұл бөлігі өткізгіштік жоғалту деп аталады. Кішкене кедергісі бар MOSFET таңдау өткізгіштік шығындарын азайтады. Бүгінгі төмен қуатты MOSFET кедергісі әдетте ондаған миллиомды құрайды, сонымен қатар бірнеше миллиом бар.

MOSFET қосылғанда және өшірілгенде, ол бірден аяқталмауы керек. MOS желісіндегі кернеу төмендеу процесіне ие, ал ағып жатқан ток ұлғаю процесіне ие. Осы кезеңде,MOSFETжоғалту - кернеу мен токтың көбейтіндісі, оны коммутациялық жоғалту деп атайды. Әдетте коммутациялық жоғалтулар өткізгіштік жоғалтулардан әлдеқайда үлкен, ал коммутация жиілігі неғұрлым жылдам болса, жоғалтулар соғұрлым көп болады.

Өткізу сәтіндегі кернеу мен токтың көбейтіндісі өте үлкен, үлкен шығындарды тудырады. Ауыстыру уақытын қысқарту әрбір өткізу кезінде жоғалтуды азайтуы мүмкін; коммутация жиілігін азайту уақыт бірлігіндегі қосқыштар санын азайтуы мүмкін. Екі әдіс те коммутациялық шығындарды азайта алады.

MOSFET қосылған кездегі толқын пішіні. Өткiзу сәтiндегi кернеу мен токтың туындысы өте үлкен, ал келтiрiлген шығын да өте үлкен екенiн көруге болады. Ауыстыру уақытын қысқарту әрбір өткізу кезінде жоғалтуды азайтуы мүмкін; коммутация жиілігін азайту уақыт бірлігіндегі қосқыштар санын азайтуы мүмкін. Екі әдіс те коммутациялық шығындарды азайта алады.

 

4. MOSFET драйвері

Биполярлы транзисторлармен салыстырғанда, GS кернеуі белгілі бір мәннен жоғары болғанша, MOSFET-ті қосу үшін ток қажет емес деп саналады. Мұны істеу оңай, бірақ бізге жылдамдық қажет.

MOSFET құрылымында GS және GD арасында паразиттік сыйымдылық бар екенін көруге болады, ал MOSFET қозғаушы шын мәнінде конденсатордың заряды мен разряды болып табылады. Конденсаторды зарядтау токты қажет етеді, өйткені конденсаторды зарядтау сәтінде қысқа тұйықталу ретінде қарастыруға болады, сондықтан лездік ток салыстырмалы түрде үлкен болады. MOSFET драйверін таңдау/жобалау кезінде назар аудару керек бірінші нәрсе - ол қамтамасыз ете алатын лездік қысқа тұйықталу тоғының мөлшері. .

Назар аударатын екінші нәрсе, әдетте жоғары деңгейлі жүргізу үшін қолданылатын NMOS қосылған кезде қақпа кернеуі бастапқы кернеуден жоғары болуы керек. Жоғары жақтан басқарылатын MOSFET қосылған кезде, көз кернеуі ағызу кернеуімен (VCC) бірдей болады, сондықтан қақпа кернеуі қазіргі уақытта VCC-ден 4 В немесе 10 В жоғары. Бір жүйеде VCC-ден үлкен кернеуді алғыңыз келсе, сізге арнайы күшейту тізбегі қажет. Көптеген мотор драйверлерінде біріктірілген заряд сорғылары бар. Айта кету керек, MOSFET жүргізу үшін жеткілікті қысқа тұйықталу тогын алу үшін тиісті сыртқы конденсаторды таңдау керек.

 

Жоғарыда аталған 4В немесе 10В жиі қолданылатын MOSFET-тің қосылу кернеуі болып табылады және, әрине, дизайн кезінде белгілі бір маржа рұқсат етілуі керек. Ал кернеу неғұрлым жоғары болса, өткізу жылдамдығы соғұрлым жоғары болады және өткізгіштік кедергісі аз болады. Қазір әртүрлі өрістерде қолданылатын аз өткізгіштік кернеулері бар MOSFET бар, бірақ 12 В автомобильдік электрондық жүйелерде әдетте 4 В өткізгіштік жеткілікті.

 

MOSFET драйверінің тізбегі және оның жоғалуы үшін Microchip AN799 MOSFET драйверлерін MOSFET-ке сәйкестендіріңіз. Бұл өте егжей-тегжейлі, сондықтан мен көп жазбаймын.

 

Өткізу сәтіндегі кернеу мен токтың көбейтіндісі өте үлкен, үлкен шығындарды тудырады. Ауыстыру уақытын қысқарту әрбір өткізу кезінде жоғалтуды азайтуы мүмкін; коммутация жиілігін азайту уақыт бірлігіндегі қосқыштар санын азайтуы мүмкін. Екі әдіс те коммутациялық шығындарды азайта алады.

MOSFET - FET түрі (екіншісі - JFET). Оны жақсарту режиміне немесе сарқылу режиміне, P-арнаға немесе N-арнаға, барлығы 4 түрге айналдыруға болады. Дегенмен, тек жақсарту режимі N-каналы MOSFET шын мәнінде пайдаланылады. және жақсарту түріндегі P-арна MOSFET, сондықтан NMOS немесе PMOS әдетте осы екі түрге жатады.

 

5. MOSFET қолданбалы схемасы?

MOSFET-тің ең маңызды сипаттамасы оның жақсы коммутациялық сипаттамалары болып табылады, сондықтан ол коммутациялық қуат көздері мен қозғалтқыш жетектері, сондай-ақ жарықтың күңгірттенуі сияқты электрондық қосқыштарды қажет ететін тізбектерде кеңінен қолданылады.

 

Бүгінгі MOSFET драйверлерінің бірнеше арнайы талаптары бар:

1. Төмен кернеуді қолдану

5 В қуат көзін пайдаланған кезде, егер осы уақытта дәстүрлі тотемдік полюс құрылымы пайдаланылса, транзистордың кернеуінің төмендеуі шамамен 0,7 В болғандықтан, қақпаға қолданылатын нақты соңғы кернеу тек 4,3 В болады. Осы уақытта біз қақпаның номиналды қуатын таңдаймыз

4,5 В MOSFET пайдалану кезінде белгілі бір қауіп бар. Дәл осындай мәселе 3V немесе басқа төмен вольтты қуат көздерін пайдаланған кезде де орын алады.

2. Кең кернеуді қолдану

Кіріс кернеуі тұрақты мән емес, ол уақытқа немесе басқа факторларға байланысты өзгереді. Бұл өзгеріс MOSFET-ке PWM тізбегі қамтамасыз ететін жетек кернеуінің тұрақсыз болуына әкеледі.

MOSFET-ті жоғары қақпа кернеулерінде қауіпсіз ету үшін, көптеген MOSFET-терде қақпа кернеуінің амплитудасын күшпен шектеу үшін кірістірілген кернеу реттегіштері бар. Бұл жағдайда, берілген жетек кернеуі кернеу реттегішінің түтігінің кернеуінен асып кетсе, ол үлкен статикалық қуат тұтынуды тудырады.

Сонымен қатар, егер сіз қақпа кернеуін азайту үшін жай ғана резисторлық кернеуді бөлу принципін қолдансаңыз, MOSFET кіріс кернеуі салыстырмалы түрде жоғары болған кезде жақсы жұмыс істейді, бірақ кіріс кернеуі төмендегенде, қақпа кернеуі жеткіліксіз болады, бұл толық емес өткізгіштік, осылайша қуат тұтынуды арттырады.

3. Қос кернеуді қолдану

Кейбір басқару схемаларында логикалық бөлік әдеттегі 5 В немесе 3,3 В цифрлық кернеуді пайдаланады, ал қуат бөлігі 12 В немесе одан да жоғары кернеуді пайдаланады. Екі кернеу жалпы жерге қосылған.

Бұл төмен вольтты жағы жоғары вольтты жағында MOSFET-ті тиімді басқара алатындай тізбекті пайдалану талабын арттырады. Сонымен қатар, жоғары вольтты жағындағы MOSFET де 1 және 2-де айтылған мәселелерге тап болады.

Осы үш жағдайда тотемдік полюстер құрылымы шығыс талаптарына жауап бере алмайды және көптеген дайын MOSFET драйверінің IC-лері кернеуді шектейтін құрылымдарды қамтымаған сияқты.

 

Сондықтан мен осы үш қажеттілікті қанағаттандыру үшін салыстырмалы түрде жалпы схема жасадым.

.

NMOS үшін драйвер тізбегі

Мұнда мен NMOS драйвер тізбегіне қарапайым талдау жасаймын:

Vl және Vh сәйкесінше төмен және жоғары деңгейлі қуат көздері болып табылады. Екі кернеу бірдей болуы мүмкін, бірақ Vl Vh аспауы керек.

Q1 және Q2 екі драйвер түтігі Q3 және Q4 бір уақытта қосылмауын қамтамасыз ете отырып, оқшаулауға қол жеткізу үшін төңкерілген тотемдік полюсті құрайды.

R2 және R3 PWM кернеу анықтамасын береді. Бұл сілтемені өзгерту арқылы тізбекті PWM сигналының толқын пішіні салыстырмалы түрде тік болатын күйде жұмыс істеуге болады.

Q3 және Q4 жетек тогын қамтамасыз ету үшін қолданылады. Қосылған кезде, Q3 және Q4 Vh және GND-ге қатысты тек Vce кернеуінің ең аз төмендеуіне ие болады. Бұл кернеудің төмендеуі әдетте шамамен 0,3 В құрайды, бұл 0,7 В Vce мәнінен әлдеқайда төмен.

R5 және R6 - кері байланыс резисторлары, қақпа кернеуін таңдау үшін қолданылады. Таңдалған кернеу Q1 және Q2 және Q5 негіздеріне күшті теріс кері байланысты тудырады, осылайша қақпа кернеуін шектеулі мәнге дейін шектейді. Бұл мәнді R5 және R6 арқылы реттеуге болады.

Соңында, R1 Q3 және Q4 үшін негізгі ток шегін қамтамасыз етеді, ал R4 Q3 және Q4 мұзының шегі болып табылатын MOSFET үшін қақпа тоғының шегін қамтамасыз етеді. Қажет болса, жеделдету конденсаторын R4-ке параллель қосуға болады.

Бұл схема келесі мүмкіндіктерді қамтамасыз етеді:

1. Жоғары жағындағы MOSFET-ті басқару үшін төмен кернеу мен PWM пайдаланыңыз.

2. Жоғары қақпа кернеуі талаптары бар MOSFET жүргізу үшін шағын амплитудалық PWM сигналын пайдаланыңыз.

3. Шықпа кернеуінің шекті шегі

4. Кіріс және шығыс ток шектері

5. Сәйкес резисторларды пайдалану арқылы өте төмен қуат тұтынуға қол жеткізуге болады.

6. PWM сигналы инверттелген. NMOS бұл мүмкіндікті қажет етпейді және инверторды алдына қою арқылы шешуге болады.

Портативті құрылғылар мен сымсыз өнімдерді жобалау кезінде өнімнің өнімділігін арттыру және батареяның қызмет ету мерзімін ұзарту - дизайнерлер тап болуы керек екі мәселе. Тұрақты ток түрлендіргіштерінің жоғары тиімділік, үлкен шығыс тогы және төмен тыныштық тоғының артықшылықтары бар, бұл оларды портативті құрылғыларды қуаттандыруға өте қолайлы етеді. Қазіргі уақытта DC-DC түрлендіргіштерін жобалау технологиясының дамуының негізгі тенденциялары: (1) Жоғары жиілікті технология: коммутация жиілігі ұлғайған сайын коммутациялық түрлендіргіштің өлшемі де азаяды, қуат тығыздығы да айтарлықтай артады, және динамикалық жауап жақсарады. . Төмен қуатты тұрақты ток түрлендіргіштерінің ауысу жиілігі мегагерц деңгейіне дейін көтеріледі. (2) Төмен шығыс кернеуінің технологиясы: Жартылай өткізгіштерді өндіру технологиясының үздіксіз дамуымен микропроцессорлар мен портативті электрондық құрылғылардың жұмыс кернеуі төмендеп барады, бұл болашақ DC-DC түрлендіргіштерінен микропроцессорларға бейімделу үшін төмен шығыс кернеуін қамтамасыз етуді талап етеді. процессорлар мен портативті электрондық құрылғыларға қойылатын талаптар.

Бұл технологиялардың дамуы қуат чиптерінің схемаларын жобалауға жоғары талаптар қойды. Біріншіден, коммутациялық жиіліктің өсуі жалғасуда, коммутациялық элементтердің жұмысына жоғары талаптар қойылады. Бұл ретте коммутациялық элементтердің МГц-ке дейінгі коммутациялық жиіліктерде қалыпты жұмыс істеуін қамтамасыз ету үшін сәйкес коммутациялық элементтер жетектерінің схемалары қамтамасыз етілуі керек. Екіншіден, батареямен жұмыс істейтін портативті электрондық құрылғылар үшін тізбектің жұмыс кернеуі төмен (мысалы, литий батареяларын алатын болсақ, жұмыс кернеуі 2,5 ~ 3,6 В), сондықтан қуат чипінің жұмыс кернеуі төмен.

 

MOSFET өте төмен қарсылыққа ие және аз энергияны тұтынады. MOSFET жиі қазіргі уақытта танымал жоғары тиімді DC-DC чиптерінде қуат қосқышы ретінде пайдаланылады. Дегенмен, MOSFET-тің үлкен паразиттік сыйымдылығына байланысты NMOS коммутациялық түтіктерінің қақпасының сыйымдылығы әдетте ондаған пикофарадқа дейін жоғары. Бұл жоғары жұмыс жиілігі DC-DC түрлендіргішінің коммутациялық түтік жетек тізбегінің конструкциясына жоғары талаптар қояды.

Төмен вольтты ULSI конструкцияларында үлкен сыйымдылық жүктемелері ретінде жүктеуді күшейту құрылымдарын және жетек тізбектерін пайдаланатын әртүрлі CMOS және BiCMOS логикалық схемалары бар. Бұл тізбектер 1 В төмен қуат көзінің кернеуімен қалыпты жұмыс істей алады және жүктеме сыйымдылығы 1-ден 2пФ-қа дейін ондаған мегагерц немесе тіпті жүздеген мегагерц жиілікте жұмыс істей алады. Бұл мақалада төмен кернеу, жоғары коммутациялық жиілікті күшейтетін DC-DC түрлендіргіштері үшін қолайлы үлкен жүктеме сыйымдылығы жетек мүмкіндігі бар жетек тізбегін жобалау үшін жүктеу жолағын күшейту тізбегі пайдаланылады. Схема Samsung AHP615 BiCMOS процесіне негізделген және Hspice симуляциясымен тексерілген. Қоректендіру кернеуі 1,5 В және жүктеме сыйымдылығы 60 пФ болғанда, жұмыс жиілігі 5 МГц-тен жоғары болуы мүмкін.

.

MOSFET коммутация сипаттамалары

.

1. Статикалық сипаттамалар

Коммутация элементі ретінде MOSFET екі күйде де жұмыс істейді: өшірулі немесе қосулы. MOSFET кернеумен басқарылатын құрамдас болғандықтан, оның жұмыс күйі негізінен uGS қақпасының көзінің кернеуімен анықталады.

 

Жұмыс сипаттамалары келесідей:

※ uGS＜қосу кернеуі UT: MOSFET ажырату аймағында жұмыс істейді, ағызу көзінің тогы iDS негізінен 0, шығыс кернеуі uDS≈UDD және MOSFET «сөндіру» күйінде.

※ uGS>Қосу кернеуі UT: MOSFET өткізгіштік аймағында жұмыс істейді, ағызу көзі ток iDS=UDD/(RD+rDS). Олардың ішінде rDS - MOSFET қосылған кезде ағызу көзінің кедергісі. Шығыс кернеуі UDS=UDD?rDS/(RD+rDS), егер rDS＜＜RD, uDS≈0V болса, MOSFET «қосулы» күйде.

2. Динамикалық сипаттамалар

MOSFET-де қосу және өшіру күйлері арасында ауысу процесі де бар, бірақ оның динамикалық сипаттамалары негізінен тізбекке қатысты адасқан сыйымдылықты зарядтау және разрядтау үшін қажетті уақытқа және түтіктің өзі қосулы және өшірілген кезде зарядтың жиналуы мен разрядына байланысты. Шығару уақыты өте аз.

Кіріс кернеуі ui жоғарыдан төменге өзгергенде және MOSFET қосулы күйден өшірулі күйге өзгергенде, қуат көзі UDD адасып тұрған сыйымдылықты CL RD арқылы зарядтайды және зарядтау уақытының тұрақтысы τ1=RDCL. Сондықтан шығыс кернеуі uo төмен деңгейден жоғары деңгейге ауыспас бұрын белгілі бір кідірістен өтуі керек; ui кіріс кернеуі төменнен жоғарыға өзгергенде және MOSFET өшірулі күйден қосулы күйге өзгергенде, CL адасып тұрған сыйымдылықтағы заряд rDS арқылы өтеді Разряд τ2≈rDSCL разряд уақытының тұрақтысымен жүреді. Шығу кернеуі Uo да төмен деңгейге ауысу үшін белгілі бір кідіріс қажет екенін көруге болады. Бірақ rDS RD-ден әлдеқайда аз болғандықтан, кесуден өткізгіштікке дейінгі түрлендіру уақыты өткізгіштен кесуге дейінгі түрлендіру уақытынан қысқа.

MOSFET қосулы кездегі rDS ағызу көзінің кедергісі транзистордың қанығу кедергісі rCES, ал сыртқы төгу кедергісі RD транзистордың коллекторлық кедергісі RC де үлкен болғандықтан, зарядтау және разрядтау уақыты MOSFET ұзағырақ, бұл MOSFET-ті құрайды Коммутация жылдамдығы транзисторға қарағанда төмен. Дегенмен, CMOS тізбектерінде зарядтау тізбегі де, разрядтау тізбегі де төмен кедергісі бар тізбектер болғандықтан, зарядтау және разрядтау процестері салыстырмалы түрде жылдам, нәтижесінде CMOS тізбегі үшін жоғары ауысу жылдамдығы болады.