MOSFET оригінальні базові знання та застосування

Щодо того, чому режим виснаженняMOSFETне використовуються, не рекомендується вникати в суть.

Для цих двох МОП-транзисторів із покращеним режимом частіше використовується NMOS. Причина в тому, що опір увімкнення малий і простий у виготовленні. Таким чином, NMOS зазвичай використовується в імпульсних джерелах живлення та двигунах. У наступному вступі в основному використовується NMOS.

Між трьома контактами MOSFET є паразитна ємність. Це не те, що нам потрібно, але це викликано обмеженнями виробничого процесу. Наявність паразитної ємності ускладнює проектування або вибір схеми приводу, але уникнути цього неможливо. Детальніше ми ознайомимося з ним пізніше.

Між стоком і витоком є ​​паразитний діод. Це називається корпусним діодом. Цей діод дуже важливий при керуванні індуктивними навантаженнями (наприклад, двигунами). До речі, корпусний діод існує лише в одному МОП-транзисторі і зазвичай його немає в мікросхемі інтегральної схеми.

 

2. Характеристики провідності MOSFET

Проведення означає діяти як перемикач, що еквівалентно закритому перемикачу.

Особливістю NMOS є те, що він вмикається, коли Vgs перевищує певне значення. Він придатний для використання, коли джерело заземлено (привод нижнього рівня), якщо напруга затвора досягає 4 В або 10 В.

Характеристики PMOS полягають у тому, що він увімкнеться, коли Vgs менше певного значення, що підходить для ситуацій, коли джерело підключено до VCC (привід високого класу). Однак, хочаPMOSможе бути легко використаний як драйвер високого класу, NMOS зазвичай використовується у драйверах високого класу через великий опір увімкнення, високу ціну та декілька типів заміни.

 

3. Втрати трубки перемикача MOS

Незалежно від того, чи це NMOS або PMOS, після його ввімкнення виникає опір увімкнення, тому струм споживатиме енергію на цьому опорі. Ця частина спожитої енергії називається втратою провідності. Вибір MOSFET з малим опором увімкнення зменшить втрати провідності. Сучасні малопотужні МОП-транзистори зазвичай становлять близько десятків міліом, а також є кілька міліом.

Коли MOSFET вмикається і вимикається, це не повинно бути завершено миттєво. Напруга на MOS має процес зменшення, а поточний струм має процес зростання. У цей період вMOSFETвтрати - це добуток напруги та струму, який називається втратою перемикання. Зазвичай втрати на комутацію набагато більші, ніж втрати на провідність, і чим вище частота комутації, тим більші втрати.

Твір напруги і струму в момент провідності дуже великий, що викликає великі втрати. Скорочення часу перемикання може зменшити втрати під час кожного проведення; зменшення частоти перемикань може зменшити кількість перемикань за одиницю часу. Обидва методи можуть зменшити втрати при перемиканні.

Форма сигналу, коли MOSFET увімкнено. Можна побачити, що добуток напруги і струму в момент провідності дуже великий, і спричинені втрати також дуже великі. Зменшення часу перемикання може зменшити втрати під час кожного проведення; зменшення частоти перемикань може зменшити кількість перемикань за одиницю часу. Обидва методи можуть зменшити втрати при перемиканні.

 

4. MOSFET драйвер

У порівнянні з біполярними транзисторами, зазвичай вважається, що струм не потрібен для ввімкнення MOSFET, доки напруга GS перевищує певне значення. Це легко зробити, але нам також потрібна швидкість.

У структурі MOSFET можна побачити, що між GS і GD існує паразитна ємність, і керування MOSFET насправді є зарядом і розрядом конденсатора. Для зарядки конденсатора потрібен струм, тому що конденсатор можна розглядати як коротке замикання в момент зарядки, тому миттєвий струм буде відносно великим. Перше, на що слід звернути увагу при виборі/проектуванні драйвера MOSFET, це величина миттєвого струму короткого замикання, яку він може забезпечити. ​

Друге, що слід зазначити, це те, що NMOS, який зазвичай використовується для водіння високого класу, вимагає, щоб напруга затвора була більшою, ніж напруга джерела, коли ввімкнено. Коли увімкнено МОП-транзистор із високою стороною, напруга джерела така ж, як і напруга стоку (VCC), тому напруга на затворі на 4 або 10 В у цей час перевищує VCC. Якщо ви хочете отримати напругу більше, ніж VCC в тій же системі, вам потрібна спеціальна схема підвищення. Багато драйверів двигунів мають вбудовані зарядні насоси. Слід зазначити, що слід вибрати відповідний зовнішній конденсатор, щоб отримати достатній струм короткого замикання для керування MOSFET.

 

4 В або 10 В, згадані вище, є напругою включення зазвичай використовуваних МОП-транзисторів, і, звичайно, певний запас повинен бути дозволений під час проектування. І чим вище напруга, тим швидше швидкість провідності та менший опір провідності. Зараз існують МОП-транзистори з меншою напругою провідності, які використовуються в різних областях, але в автомобільних електронних системах 12 В зазвичай достатньо провідності 4 В.

 

Щоб дізнатися про схему драйвера MOSFET і його втрати, зверніться до документу Microchip AN799 Matching MOSFET Drivers to MOSFET. Дуже детально, тому більше писати не буду.

 

Твір напруги і струму в момент провідності дуже великий, що викликає великі втрати. Зменшення часу перемикання може зменшити втрати під час кожного проведення; зменшення частоти перемикань може зменшити кількість перемикань за одиницю часу. Обидва методи можуть зменшити втрати при перемиканні.

MOSFET - це тип польового транзистора (інший - JFET). Його можна перевести в режим покращення або виснаження, P-канал або N-канал, загалом 4 типи. Однак насправді використовується лише N-канальний MOSFET у режимі покращення. і P-канальний МОП-транзистор покращеного типу, тому NMOS або PMOS зазвичай відносяться до цих двох типів.

 

5. Прикладна схема MOSFET?

Найважливішою характеристикою MOSFET є його хороші характеристики перемикання, тому він широко використовується в схемах, які вимагають електронних перемикачів, таких як імпульсні джерела живлення та приводи двигунів, а також для диммування освітлення.

 

Сучасні драйвери MOSFET мають кілька особливих вимог:

1. Застосування низької напруги

При використанні джерела живлення 5 В, якщо в цей час використовується традиційна структура тотемного стовпа, оскільки транзистор be має падіння напруги приблизно 0,7 В, фактична кінцева напруга, прикладена до затвора, становить лише 4,3 В. У цей час ми вибираємо номінальну потужність затвора

Існує певний ризик при використанні MOSFET 4,5 В. Ця ж проблема також виникає при використанні 3V або інших джерел живлення низької напруги.

2. Широке застосування напруги

Вхідна напруга не є фіксованим значенням, воно змінюється з часом або іншими факторами. Ця зміна спричиняє нестабільність керуючої напруги, що подається схемою ШІМ на MOSFET.

Щоб зробити МОП-транзистори безпечними при високих напругах на затворі, багато МОП-транзисторів мають вбудовані стабілізатори напруги для примусового обмеження амплітуди напруги на затворі. У цьому випадку, коли надана керуюча напруга перевищує напругу трубки регулятора напруги, це спричинить велике статичне споживання електроенергії.

У той же час, якщо ви просто використовуєте принцип резисторного поділу напруги для зменшення напруги на затворі, MOSFET працюватиме добре, коли вхідна напруга відносно висока, але коли вхідна напруга зменшується, напруга на затворі буде недостатньою, спричиняючи неповна провідність, тим самим збільшуючи споживання електроенергії.

3. Застосування подвійної напруги

У деяких схемах керування логічна частина використовує типову цифрову напругу 5 В або 3,3 В, тоді як частина живлення використовує напругу 12 В або навіть вище. Дві напруги з’єднані із загальною землею.

Це викликає вимогу використовувати схему, щоб сторона низької напруги могла ефективно керувати MOSFET на стороні високої напруги. У той же час MOSFET на стороні високої напруги також зіткнеться з проблемами, згаданими в 1 і 2.

У цих трьох випадках структура тотемного стовпа не може задовольнити вихідні вимоги, і багато стандартних мікросхем драйверів MOSFET, здається, не містять структур обмеження напруги на затворі.

 

Тож я розробив відносно загальну схему для задоволення цих трьох потреб.

​

Схема драйвера для NMOS

Тут я зроблю лише простий аналіз схеми драйвера NMOS:

Vl і Vh — джерела живлення низького та високого класів відповідно. Дві напруги можуть бути однаковими, але Vl не повинно перевищувати Vh.

Q1 і Q2 утворюють перевернутий тотемний полюс для досягнення ізоляції, гарантуючи, що дві трубки драйвера Q3 і Q4 не вмикаються одночасно.

R2 і R3 забезпечують опорну напругу ШІМ. Змінюючи це посилання, схема може працювати в положенні, де форма сигналу ШІМ є відносно крутою.

Q3 і Q4 використовуються для забезпечення струму приводу. Коли ввімкнено, Q3 і Q4 мають лише мінімальне падіння напруги Vce відносно Vh і GND. Це падіння напруги зазвичай становить лише близько 0,3 В, що набагато менше, ніж Vce 0,7 В.

R5 і R6 - це резистори зворотного зв'язку, які використовуються для вибірки напруги затвора. Вибіркова напруга створює сильний негативний зворотний зв'язок з базами Q1 і Q2 через Q5, таким чином обмежуючи напругу затвора до обмеженого значення. Це значення можна регулювати за допомогою R5 і R6.

Нарешті, R1 забезпечує обмеження базового струму для Q3 і Q4, а R4 забезпечує обмеження струму затвора для MOSFET, яке є обмеженням Ice Q3 і Q4. При необхідності паралельно R4 можна підключити прискорювальний конденсатор.

Ця схема забезпечує такі функції:

1. Використовуйте низьку напругу та ШІМ для керування MOSFET високого боку.

2. Використовуйте ШІМ-сигнал невеликої амплітуди для управління MOSFET з високими вимогами до напруги затвора.

3. Пікова межа напруги затвора

4. Обмеження вхідного та вихідного струму

5. Використовуючи відповідні резистори, можна досягти дуже низького споживання електроенергії.

6. Сигнал ШІМ інвертується. NMOS не потребує цієї функції, і її можна вирішити, розмістивши попереду інвертор.

При розробці портативних пристроїв і бездротових продуктів розробникам необхідно зіткнутися з двома проблемами, з якими потрібно зіткнутися покращення продуктивності продукту та продовження терміну служби батареї. DC-DC перетворювачі мають такі переваги, як висока ефективність, великий вихідний струм і низький струм спокою, що робить їх дуже придатними для живлення портативних пристроїв. На даний момент основні тенденції в розвитку технології проектування перетворювача DC-DC: (1) Високочастотна технологія: зі збільшенням частоти перемикання розмір перемикаючого перетворювача також зменшується, щільність потужності також значно збільшується, і динамічний відгук покращується. . Частота комутації малопотужних DC-DC перетворювачів підвищиться до рівня мегагерц. (2) Технологія низької вихідної напруги: із безперервним розвитком технології виробництва напівпровідників робоча напруга мікропроцесорів і портативних електронних пристроїв стає все нижчою, що вимагає, щоб майбутні перетворювачі постійного струму забезпечували низьку вихідну напругу для адаптації до мікропроцесорів. вимоги до процесорів і портативних електронних пристроїв.

Розвиток цих технологій висуває підвищені вимоги до проектування схем силових мікросхем. Перш за все, оскільки частота перемикань продовжує зростати, високі вимоги висуваються до продуктивності елементів перемикання. У той же час повинні бути передбачені відповідні схеми приводу комутаційних елементів, щоб забезпечити нормальну роботу комутаційних елементів на частотах комутації до МГц. По-друге, для портативних електронних пристроїв, що живляться від батареї, робоча напруга схеми низька (взявши як приклад літієві батареї, робоча напруга становить 2,5~3,6 В), отже, робоча напруга мікросхеми живлення низька.

 

MOSFET має дуже низький опір увімкнення та споживає мало енергії. MOSFET часто використовується як перемикач живлення в популярних на даний момент високоефективних мікросхемах DC-DC. Однак через велику паразитну ємність МОП-транзисторів ємність затвора комутаційних ламп NMOS зазвичай досягає десятків пікофарад. Це висуває більш високі вимоги до конструкції високочастотної схеми перемикання трубки перемикання DC-DC перетворювача.

У низьковольтних конструкціях ULSI існує безліч логічних схем CMOS і BiCMOS, які використовують початкові підсилювальні структури та схеми приводу як великі ємнісні навантаження. Ці схеми можуть нормально працювати з напругою живлення нижче 1 В і можуть працювати на частоті в десятки мегагерц або навіть сотні мегагерц з ємністю навантаження від 1 до 2 пФ. У цій статті використовується початкова схема підсилення для розробки схеми приводу з великою ємністю навантаження, яка підходить для підвищувальних перетворювачів постійного струму з низькою напругою та високою частотою перемикання. Схема розроблена на основі процесу Samsung AHP615 BiCMOS і перевірена моделюванням Hspice. Коли напруга живлення становить 1,5 В, а ємність навантаження становить 60 пФ, робоча частота може досягати більше 5 МГц.

​

Комутаційні характеристики MOSFET

​

1. Статичні характеристики

Як перемикаючий елемент MOSFET також працює в двох станах: вимкнено або увімкнено. Оскільки MOSFET є компонентом, керованим напругою, його робочий стан в основному визначається напругою затвор-витік uGS.

 

Робочі характеристики наступні:

※ uGS＜напруга ввімкнення UT: МОП-транзистор працює в зоні відсічення, струм стоку-витоку iDS в основному дорівнює 0, вихідна напруга uDS≈UDD, а МОП-транзистор знаходиться у «вимкненому» стані.

※ uGS>Напруга вмикання UT: MOSFET працює в області провідності, струм витік-витік iDS=UDD/(RD+rDS). Серед них rDS — це опір сток-витік, коли MOSFET увімкнено. Вихідна напруга UDS=UDD?rDS/(RD+rDS), якщо rDS＜＜RD, uDS≈0В, МОП-транзистор знаходиться у стані «увімкнено».

2. Динамічні характеристики

MOSFET також має перехідний процес під час перемикання між увімкненим та вимкненим станами, але його динамічні характеристики в основному залежать від часу, необхідного для заряджання та розряджання паразитної ємності, пов’язаної з ланцюгом, а також від накопичення та розряджання заряду, коли сама трубка вмикається та вимикається. Час розсіювання дуже малий.

Коли вхідна напруга ui змінюється з високої на низьку, а МОП-транзистор змінюється з увімкненого стану на вимкнений, джерело живлення UDD заряджає паразитну ємність CL через RD, а постійна часу зарядки τ1=RDCL. Таким чином, вихідна напруга uo має пройти через певну затримку перед зміною від низького рівня до високого рівня; коли вхідна напруга ui змінюється з низького на високе, а MOSFET змінюється з вимкненого стану на увімкнений, заряд на паразитній ємності CL проходить через rDS. Розряд відбувається з постійною часу розряду τ2≈rDSCL. Можна побачити, що вихідна напруга Uo також потребує певної затримки, перш ніж вона зможе перейти на низький рівень. Але оскільки rDS набагато менше, ніж RD, час перетворення від відсікання до провідності коротший, ніж час перетворення від провідності до відсікання.

Оскільки опір стоку-витоку rDS МОП-транзистора, коли він увімкнено, набагато більший, ніж опір насичення rCES транзистора, а зовнішній опір стоку RD також більший, ніж опір колектора RC транзистора, час зарядки та розрядки MOSFET довший, тому швидкість перемикання MOSFET нижча, ніж у транзистора. Однак у схемах КМОП, оскільки схема заряджання та схема розрядки є схемами з низьким опором, процеси заряджання та розряджання є відносно швидкими, що призводить до високої швидкості перемикання схеми КМОП.