Što se tiče zašto depletion modeMOSFET-ovise ne koriste, ne preporuča se doći do dna.
Za ova dva MOSFET-a s poboljšanim načinom rada, NMOS se češće koristi. Razlog je taj što je otpor pri uključivanju mali i jednostavan za proizvodnju. Stoga se NMOS općenito koristi u aplikacijama sklopnog napajanja i motornog pogona. U sljedećem uvodu uglavnom se koristi NMOS.
Postoji parazitski kapacitet između tri pina MOSFET-a. To nije ono što nam treba, ali je uzrokovano ograničenjima proizvodnog procesa. Postojanje parazitskog kapaciteta čini problematičnim prilikom projektiranja ili odabira pogonskog kruga, ali ne postoji način da se izbjegne. Kasnije ćemo ga detaljnije predstaviti.
Između odvoda i izvora nalazi se parazitska dioda. To se naziva tjelesna dioda. Ova je dioda vrlo važna pri pokretanju induktivnih opterećenja (kao što su motori). Usput, tjelesna dioda postoji samo u jednom MOSFET-u i obično se ne nalazi unutar čipa integriranog kruga.
2. Karakteristike provođenja MOSFET-a
Provođenje znači djelovati kao prekidač, što je jednako zatvorenom prekidaču.
Karakteristika NMOS-a je da će se uključiti kada je Vgs veći od određene vrijednosti. Pogodan je za upotrebu kada je izvor uzemljen (niskobudžetni pogon), sve dok napon na vratima dosegne 4V ili 10V.
Karakteristike PMOS-a su da će se uključiti kada je Vgs manji od određene vrijednosti, što je pogodno za situacije kada je izvor spojen na VCC (high-end pogon). Međutim, iakoPMOSmože se lako koristiti kao high-end driver, NMOS se obično koristi u high-end driverima zbog velikog otpora pri uključivanju, visoke cijene i malog broja vrsta zamjene.
3. Gubitak MOS sklopne cijevi
Bilo da se radi o NMOS-u ili PMOS-u, postoji otpor pri uključivanju nakon što se uključi, tako da će struja trošiti energiju na ovom otporu. Ovaj dio potrošene energije naziva se gubitak vodljivosti. Odabirom MOSFET-a s malim on-otporom smanjit ćete gubitke vodljivosti. Današnji otpor pri uključivanju MOSFET-a male snage općenito je oko desetak miliohma, a postoji i nekoliko miliohma.
Kada se MOSFET uključuje i isključuje, ne smije se odmah završiti. Napon preko MOS-a ima opadajući proces, a struja koja teče ima rastući proces. Tijekom tog razdoblja,MOSFET-ovigubitak je umnožak napona i struje, što se naziva gubitkom sklopke. Obično su gubici preklapanja puno veći od gubitaka kondukcije, a što je frekvencija preklapanja veća, gubici su veći.
Umnožak napona i struje u trenutku provođenja je vrlo velik, što uzrokuje velike gubitke. Skraćivanje vremena prebacivanja može smanjiti gubitak tijekom svakog provođenja; smanjenjem sklopne frekvencije može se smanjiti broj sklopki po jedinici vremena. Obje metode mogu smanjiti gubitke pri prebacivanju.
Valni oblik kada je MOSFET uključen. Vidi se da je umnožak napona i struje u trenutku provođenja vrlo velik, a i nastali gubitak je također vrlo velik. Smanjenje vremena prebacivanja može smanjiti gubitak tijekom svakog provođenja; smanjenjem sklopne frekvencije može se smanjiti broj sklopki po jedinici vremena. Obje metode mogu smanjiti gubitke pri prebacivanju.
4. MOSFET drajver
U usporedbi s bipolarnim tranzistorima, općenito se vjeruje da nije potrebna struja za uključivanje MOSFET-a, sve dok je GS napon viši od određene vrijednosti. To je lako učiniti, ali potrebna nam je i brzina.
U strukturi MOSFET-a može se vidjeti da postoji parazitski kapacitet između GS i GD, a pogon MOSFET-a zapravo je punjenje i pražnjenje kondenzatora. Za punjenje kondenzatora potrebna je struja, jer se kondenzator u trenutku punjenja može smatrati kratkim spojem, pa će trenutna struja biti relativno velika. Prva stvar na koju treba obratiti pozornost pri odabiru/dizajniranju MOSFET drajvera je količina trenutne struje kratkog spoja koju može proizvesti.
Druga stvar koju treba napomenuti je da NMOS, koji se obično koristi za high-end vožnju, treba da napon vrata bude veći od napona izvora kada je uključen. Kada je MOSFET vođen visokom stranom uključen, napon izvora je isti kao napon odvoda (VCC), tako da je napon vrata 4 V ili 10 V veći od VCC u ovom trenutku. Ako želite dobiti napon veći od VCC u istom sustavu, potreban vam je poseban krug za pojačanje. Mnogi pokretači motora imaju integrirane pumpe za punjenje. Treba napomenuti da treba odabrati odgovarajući vanjski kondenzator kako bi se dobila dovoljna struja kratkog spoja za pogon MOSFET-a.
Gore spomenutih 4V ili 10V je napon za uključivanje često korištenih MOSFET-a, i naravno, određena margina mora biti dopuštena tijekom projektiranja. A što je veći napon, to je veća brzina provođenja i manji otpor provođenja. Sada postoje MOSFET-ovi s manjim naponima vodljivosti koji se koriste u različitim poljima, ali u 12V automobilskim elektroničkim sustavima općenito je dovoljno vodljivost od 4V.
Za pogonski krug MOSFET-a i njegove gubitke pogledajte Microchipov AN799 usklađivanje pokretačkih programa MOSFET-a s MOSFET-ovima. Vrlo je detaljno, pa neću više pisati.
Umnožak napona i struje u trenutku provođenja je vrlo velik, što uzrokuje velike gubitke. Smanjenje vremena prebacivanja može smanjiti gubitak tijekom svakog provođenja; smanjenjem sklopne frekvencije može se smanjiti broj sklopki po jedinici vremena. Obje metode mogu smanjiti gubitke pri prebacivanju.
MOSFET je vrsta FET-a (drugi je JFET). Može se postaviti u način poboljšanja ili u način iscrpljivanja, P-kanal ili N-kanal, ukupno 4 vrste. Međutim, zapravo se koristi samo N-kanalni MOSFET u modu poboljšanja. i P-kanalni MOSFET tipa poboljšanja, pa se NMOS ili PMOS obično odnose na ove dvije vrste.
5. MOSFET aplikacijski sklop?
Najvažnija karakteristika MOSFET-a je njegova dobra sklopna karakteristika, pa se široko koristi u sklopovima koji zahtijevaju elektroničke sklopke, kao što su sklopna napajanja i motorni pogoni, kao i za prigušivanje rasvjete.
Današnji MOSFET drajveri imaju nekoliko posebnih zahtjeva:
1. Primjena niskog napona
Kada se koristi napajanje od 5 V, ako se u ovom trenutku koristi tradicionalna struktura totemskog stupa, budući da tranzistor ima pad napona od oko 0,7 V, stvarni konačni napon primijenjen na vrata je samo 4,3 V. U ovom trenutku biramo nominalnu snagu vrata
Postoji određeni rizik pri korištenju 4,5 V MOSFET-a. Isti se problem javlja i kod korištenja 3V ili drugih niskonaponskih izvora napajanja.
2. Široka primjena napona
Ulazni napon nije fiksna vrijednost, mijenjat će se s vremenom ili drugim čimbenicima. Ova promjena uzrokuje nestabilan pogonski napon koji osigurava PWM krug za MOSFET.
Kako bi MOSFET-ovi bili sigurni pod visokim naponom vrata, mnogi MOSFET-ovi imaju ugrađene regulatore napona za snažno ograničavanje amplitude napona vrata. U tom slučaju, kada osigurani pogonski napon premaši napon cijevi regulatora napona, to će uzrokovati veliku statičku potrošnju energije.
U isto vrijeme, ako jednostavno koristite princip podjele napona otpornika za smanjenje napona vrata, MOSFET će dobro raditi kada je ulazni napon relativno visok, ali kada se ulazni napon smanji, napon vrata će biti nedovoljan, uzrokujući nepotpuno provođenje, čime se povećava potrošnja energije.
3. Primjena dvostrukog napona
U nekim upravljačkim krugovima, logički dio koristi tipični digitalni napon od 5 V ili 3,3 V, dok dio za napajanje koristi napon od 12 V ili čak i viši. Dva su napona spojena na zajedničko uzemljenje.
Ovo postavlja zahtjev za korištenjem kruga tako da niskonaponska strana može učinkovito kontrolirati MOSFET na visokonaponskoj strani. U isto vrijeme, MOSFET na strani visokog napona također će se suočiti s problemima navedenim u 1 i 2.
U ova tri slučaja, struktura totemskog stupa ne može zadovoljiti izlazne zahtjeve, a čini se da mnogi gotovi MOSFET pogonski sklopovi ne uključuju strukture ograničenja napona vrata.
Tako sam dizajnirao relativno općeniti sklop da zadovolji ove tri potrebe.
Pogonski sklop za NMOS
Ovdje ću napraviti samo jednostavnu analizu NMOS pogonskog kruga:
Vl i Vh su niskobudžetni i vrhunski izvori napajanja. Dva napona mogu biti ista, ali Vl ne smije premašiti Vh.
Q1 i Q2 tvore obrnuti totemski stup kako bi se postigla izolacija dok se osigurava da se dvije pogonske cijevi Q3 i Q4 ne uključe u isto vrijeme.
R2 i R3 daju referentni PWM napon. Promjenom ove reference, krug može raditi u položaju gdje je valni oblik PWM signala relativno strm.
Q3 i Q4 koriste se za osiguranje pogonske struje. Kada su uključeni, Q3 i Q4 imaju samo minimalni pad napona od Vce u odnosu na Vh i GND. Ovaj pad napona je obično samo oko 0,3 V, što je puno niže od Vce od 0,7 V.
R5 i R6 su povratni otpornici, koji se koriste za uzorkovanje napona vrata. Uzorkovani napon generira snažnu negativnu povratnu spregu na baze Q1 i Q2 do Q5, čime se ograničava napon vrata na ograničenu vrijednost. Ova se vrijednost može podesiti pomoću R5 i R6.
Konačno, R1 daje ograničenje struje baze za Q3 i Q4, a R4 daje ograničenje struje vrata za MOSFET, što je ograničenje Icea Q3 i Q4. Ako je potrebno, kondenzator za ubrzanje može se spojiti paralelno s R4.
Ovaj sklop ima sljedeće značajke:
1. Koristite niski napon i PWM za pogon MOSFET-a visoke strane.
2. Upotrijebite PWM signal male amplitude za pokretanje MOSFET-a s visokim zahtjevima napona vrata.
3. Vršna granica napona vrata
4. Granice ulazne i izlazne struje
5. Korištenjem odgovarajućih otpornika može se postići vrlo niska potrošnja energije.
6. PWM signal je invertiran. NMOS ne treba ovu značajku i može se riješiti postavljanjem pretvarača ispred.
Prilikom dizajniranja prijenosnih uređaja i bežičnih proizvoda, poboljšanje performansi proizvoda i produljenje vijeka trajanja baterije dva su problema s kojima se dizajneri trebaju suočiti. DC-DC pretvarači imaju prednosti visoke učinkovitosti, velike izlazne struje i niske struje mirovanja, što ih čini vrlo prikladnima za napajanje prijenosnih uređaja. Trenutačno su glavni trendovi u razvoju tehnologije dizajna DC-DC pretvarača: (1) Visokofrekventna tehnologija: Kako se frekvencija prekapčanja povećava, veličina sklopnog pretvarača se također smanjuje, gustoća snage također se znatno povećava, a dinamički odziv je poboljšan. . Preklopna frekvencija DC-DC pretvarača male snage porast će do razine megaherca. (2) Tehnologija niskog izlaznog napona: Uz kontinuirani razvoj tehnologije proizvodnje poluvodiča, radni napon mikroprocesora i prijenosnih elektroničkih uređaja postaje sve niži i niži, što zahtijeva da budući DC-DC pretvarači daju niski izlazni napon za prilagodbu mikroprocesorima. zahtjevi za procesore i prijenosne elektroničke uređaje.
Razvoj ovih tehnologija postavio je veće zahtjeve za dizajn krugova energetskih čipova. Prije svega, kako se frekvencija preklapanja nastavlja povećavati, postavljaju se visoki zahtjevi na performanse sklopnih elemenata. U isto vrijeme moraju se osigurati odgovarajući pogonski krugovi sklopnih elemenata kako bi se osiguralo normalan rad sklopnih elemenata na frekvencijama sklopki do MHz. Drugo, za prijenosne elektroničke uređaje koji se napajaju baterijama, radni napon strujnog kruga je nizak (uzimajući litijske baterije kao primjer, radni napon je 2,5~3,6V), stoga je radni napon napojnog čipa nizak.
MOSFET ima vrlo nizak otpor pri uključivanju i troši malo energije. MOSFET se često koristi kao prekidač napajanja u trenutno popularnim visokoučinkovitim DC-DC čipovima. Međutim, zbog velikog parazitskog kapaciteta MOSFET-a, kapacitivnost vrata NMOS sklopnih cijevi općenito je visoka do desetaka pikofarada. Ovo postavlja veće zahtjeve za dizajn pogonskog kruga sklopne cijevi DC-DC pretvarača visoke radne frekvencije.
U niskonaponskim ULSI dizajnima postoji niz CMOS i BiCMOS logičkih sklopova koji koriste bootstrap boost strukture i pogonske krugove kao velika kapacitivna opterećenja. Ovi sklopovi mogu raditi normalno s naponom napajanja nižim od 1V, i mogu raditi na frekvenciji od desetaka megaherca ili čak stotina megaherca s kapacitetom opterećenja od 1 do 2pF. Ovaj članak koristi bootstrap boost krug za projektiranje pogonskog kruga s velikom sposobnošću pogona kapaciteta opterećenja koji je prikladan za niskonaponske, visoke sklopne frekvencije boost DC-DC pretvarače. Sklop je dizajniran na temelju Samsung AHP615 BiCMOS procesa i potvrđen Hspice simulacijom. Kada je napon napajanja 1,5 V i kapacitet opterećenja 60 pF, radna frekvencija može doseći više od 5 MHz.
Preklopne karakteristike MOSFET-a
1. Statičke karakteristike
Kao sklopni element, MOSFET također radi u dva stanja: isključen ili uključen. Budući da je MOSFET komponenta kontrolirana naponom, njegovo radno stanje uglavnom je određeno naponom gate-source uGS.
Radne karakteristike su sljedeće:
※ uGS＜napon uključivanja UT: MOSFET radi u području prekida, struja odvod-izvor iDS je u osnovi 0, izlazni napon uDS≈UDD, a MOSFET je u stanju "isključeno".
※ uGS>Napon uključivanja UT: MOSFET radi u području vodljivosti, struja odvod-izvor iDS=UDD/(RD+rDS). Među njima, rDS je otpor odvod-izvor kada je MOSFET uključen. Izlazni napon UDS=UDD?rDS/(RD+rDS), ako je rDS＜＜RD, uDS≈0V, MOSFET je u "uključenom" stanju.
2. Dinamičke karakteristike
MOSFET također ima proces prijelaza pri prebacivanju između uključenog i isključenog stanja, ali njegove dinamičke karakteristike uglavnom ovise o vremenu potrebnom za punjenje i pražnjenje zalutalog kapaciteta povezanog sa strujnim krugom, te nakupljanju i pražnjenju naboja kada je sama cijev uključena i isključena Vrijeme disipacije je vrlo malo.
Kada se ulazni napon ui promijeni iz visokog u niski i MOSFET se promijeni iz uključenog stanja u isključeno stanje, izvor napajanja UDD puni lutajući kapacitet CL kroz RD, a vremenska konstanta punjenja τ1=RDCL. Stoga, izlazni napon uo treba proći kroz određenu odgodu prije promjene s niske razine na visoku razinu; kada se ulazni napon ui promijeni iz niskog u visoki i MOSFET promijeni iz isključenog stanja u uključeno stanje, naboj na lutajućem kapacitetu CL prolazi kroz rDS Do pražnjenja dolazi s vremenskom konstantom pražnjenja τ2≈rDSCL. Može se vidjeti da izlazni napon Uo također treba određeno kašnjenje prije nego što može prijeći na nisku razinu. Ali budući da je rDS mnogo manji od RD, vrijeme pretvorbe od prekida do provođenja je kraće od vremena pretvorbe od provođenja do prekida.
Budući da je otpor odvod-izvor rDS MOSFET-a kada je uključen mnogo veći od otpora zasićenja rCES tranzistora, a vanjski otpor odvoda RD također je veći od otpora kolektora RC tranzistora, vrijeme punjenja i pražnjenja MOSFET-a je duži, zbog čega je MOSFET Brzina prebacivanja niža od brzine tranzistora. Međutim, u CMOS krugovima, budući da su i krug za punjenje i krug za pražnjenje krugovi niskog otpora, procesi punjenja i pražnjenja su relativno brzi, što rezultira velikom brzinom prebacivanja za CMOS krug.
Vrijeme objave: 15. travnja 2024
