MOSFET pengetahuan asas asal dan aplikasi

Adapun mengapa mod penyusutanMOSFETtidak digunakan, tidak digalakkan untuk sampai ke bahagian bawahnya.

Untuk kedua-dua MOSFET mod peningkatan ini, NMOS lebih biasa digunakan. Sebabnya ialah on-resistance adalah kecil dan mudah untuk dihasilkan. Oleh itu, NMOS biasanya digunakan dalam menukar bekalan kuasa dan aplikasi pemacu motor. Dalam pengenalan berikut, NMOS kebanyakannya digunakan.

Terdapat kapasiti parasit di antara tiga pin MOSFET. Ini bukan apa yang kita perlukan, tetapi disebabkan oleh batasan proses pembuatan. Kewujudan kapasitansi parasit menjadikannya lebih menyusahkan apabila mereka bentuk atau memilih litar pemacu, tetapi tidak ada cara untuk mengelakkannya. Kami akan memperkenalkannya secara terperinci kemudian.

Terdapat diod parasit di antara longkang dan punca. Ini dipanggil diod badan. Diod ini sangat penting semasa memandu beban induktif (seperti motor). By the way, diod badan hanya wujud dalam MOSFET tunggal dan biasanya tidak ditemui di dalam cip litar bersepadu.

 

2. Ciri pengaliran MOSFET

Mengalirkan bermaksud bertindak sebagai suis, yang bersamaan dengan suis ditutup.

Ciri NMOS ialah ia akan dihidupkan apabila Vgs lebih besar daripada nilai tertentu. Ia sesuai digunakan apabila punca dibumikan (pemacu akhir rendah), selagi voltan get mencapai 4V atau 10V.

Ciri-ciri PMOS ialah ia akan dihidupkan apabila Vgs kurang daripada nilai tertentu, yang sesuai untuk situasi di mana sumber disambungkan kepada VCC (pemacu high-end). Walau bagaimanapun, walaupunPMOSboleh digunakan dengan mudah sebagai pemandu mewah, NMOS biasanya digunakan dalam pemandu mewah kerana rintangan pada yang besar, harga yang tinggi dan jenis penggantian yang sedikit.

 

3. Kehilangan tiub suis MOS

Sama ada NMOS atau PMOS, terdapat rintangan-on selepas ia dihidupkan, jadi arus akan menggunakan tenaga pada rintangan ini. Bahagian tenaga yang digunakan ini dipanggil kehilangan pengaliran. Memilih MOSFET dengan rintangan pada yang kecil akan mengurangkan kehilangan pengaliran. MOSFET berkuasa rendah pada rintangan hari ini biasanya sekitar puluhan miliohm, dan terdapat juga beberapa miliohm.

Apabila MOSFET dihidupkan dan dimatikan, ia tidak boleh dilengkapkan serta-merta. Voltan merentasi MOS mempunyai proses menurun, dan arus yang mengalir mempunyai proses yang semakin meningkat. Dalam tempoh ini, pihakMOSFETkehilangan adalah hasil voltan dan arus, yang dipanggil kehilangan pensuisan. Biasanya kerugian pensuisan adalah lebih besar daripada kehilangan pengaliran, dan lebih cepat frekuensi pensuisan, lebih besar kerugian.

Hasil darab voltan dan arus pada saat pengaliran adalah sangat besar, menyebabkan kerugian besar. Memendekkan masa pensuisan boleh mengurangkan kehilangan semasa setiap pengaliran; mengurangkan frekuensi pensuisan boleh mengurangkan bilangan suis setiap unit masa. Kedua-dua kaedah boleh mengurangkan kerugian penukaran.

Bentuk gelombang apabila MOSFET dihidupkan. Ia boleh dilihat bahawa produk voltan dan arus pada saat pengaliran adalah sangat besar, dan kerugian yang disebabkan juga sangat besar. Mengurangkan masa pensuisan boleh mengurangkan kehilangan semasa setiap pengaliran; mengurangkan frekuensi pensuisan boleh mengurangkan bilangan suis setiap unit masa. Kedua-dua kaedah boleh mengurangkan kerugian penukaran.

 

4. Pemandu MOSFET

Berbanding dengan transistor bipolar, secara amnya dipercayai bahawa tiada arus diperlukan untuk menghidupkan MOSFET, selagi voltan GS lebih tinggi daripada nilai tertentu. Ini mudah dilakukan, tetapi kita juga memerlukan kelajuan.

Ia boleh dilihat dalam struktur MOSFET bahawa terdapat kapasitansi parasit antara GS dan GD, dan pemacu MOSFET sebenarnya adalah cas dan nyahcas kapasitor. Mengecas kapasitor memerlukan arus, kerana kapasitor boleh dianggap sebagai litar pintas pada masa pengecasan, jadi arus segera akan menjadi agak besar. Perkara pertama yang perlu diberi perhatian semasa memilih/mereka bentuk pemacu MOSFET ialah jumlah arus litar pintas serta-merta yang boleh diberikannya. ,

Perkara kedua yang perlu diberi perhatian ialah NMOS, yang biasanya digunakan untuk pemanduan mewah, memerlukan voltan pintu lebih besar daripada voltan sumber apabila dihidupkan. Apabila MOSFET dipacu sisi tinggi dihidupkan, voltan sumber adalah sama dengan voltan longkang (VCC), jadi voltan get adalah 4V atau 10V lebih besar daripada VCC pada masa ini. Jika anda ingin mendapatkan voltan yang lebih besar daripada VCC dalam sistem yang sama, anda memerlukan litar rangsangan khas. Banyak pemandu motor mempunyai pam cas bersepadu. Perlu diingatkan bahawa kapasitor luaran yang sesuai harus dipilih untuk mendapatkan arus litar pintas yang mencukupi untuk memacu MOSFET.

 

4V atau 10V yang disebutkan di atas ialah voltan hidupkan MOSFET yang biasa digunakan, dan sudah tentu margin tertentu perlu dibenarkan semasa reka bentuk. Dan semakin tinggi voltan, semakin cepat kelajuan pengaliran dan semakin kecil rintangan pengaliran. Kini terdapat MOSFET dengan voltan pengaliran yang lebih kecil digunakan dalam bidang yang berbeza, tetapi dalam sistem elektronik automotif 12V, secara amnya pengaliran 4V sudah mencukupi.

 

Untuk litar pemacu MOSFET dan kehilangannya, sila rujuk kepada Pemacu MOSFET AN799 Microchip yang Memadankan MOSFET. Ia sangat terperinci, jadi saya tidak akan menulis lebih lanjut.

 

Hasil darab voltan dan arus pada saat pengaliran adalah sangat besar, menyebabkan kerugian besar. Mengurangkan masa pensuisan boleh mengurangkan kehilangan semasa setiap pengaliran; mengurangkan frekuensi pensuisan boleh mengurangkan bilangan suis setiap unit masa. Kedua-dua kaedah boleh mengurangkan kerugian penukaran.

MOSFET ialah sejenis FET (yang lain ialah JFET). Ia boleh dijadikan mod peningkatan atau mod penyusutan, P-channel atau N-channel, sejumlah 4 jenis. Walau bagaimanapun, hanya MOSFET saluran N mod peningkatan yang sebenarnya digunakan. dan MOSFET saluran P jenis peningkatan, jadi NMOS atau PMOS biasanya merujuk kepada kedua-dua jenis ini.

 

5. litar aplikasi MOSFET?

Ciri MOSFET yang paling ketara ialah ciri pensuisannya yang baik, jadi ia digunakan secara meluas dalam litar yang memerlukan suis elektronik, seperti pensuisan bekalan kuasa dan pemacu motor, serta peredupan lampu.

 

Pemacu MOSFET hari ini mempunyai beberapa keperluan khas:

1. Aplikasi voltan rendah

Apabila menggunakan bekalan kuasa 5V, jika struktur tiang totem tradisional digunakan pada masa ini, memandangkan transistor mempunyai penurunan voltan kira-kira 0.7V, voltan akhir sebenar yang digunakan pada pintu adalah hanya 4.3V. Pada masa ini, kami memilih kuasa gerbang nominal

Terdapat risiko tertentu apabila menggunakan MOSFET 4.5V. Masalah yang sama juga berlaku apabila menggunakan 3V atau bekalan kuasa voltan rendah yang lain.

2. Aplikasi voltan yang luas

Voltan input bukan nilai tetap, ia akan berubah mengikut masa atau faktor lain. Perubahan ini menyebabkan voltan pemanduan yang disediakan oleh litar PWM kepada MOSFET menjadi tidak stabil.

Untuk menjadikan MOSFET selamat di bawah voltan get tinggi, banyak MOSFET mempunyai pengawal selia voltan terbina dalam untuk mengehadkan amplitud voltan pintu secara paksa. Dalam kes ini, apabila voltan pemanduan yang disediakan melebihi voltan tiub pengatur voltan, ia akan menyebabkan penggunaan kuasa statik yang besar.

Pada masa yang sama, jika anda hanya menggunakan prinsip pembahagian voltan perintang untuk mengurangkan voltan pintu, MOSFET akan berfungsi dengan baik apabila voltan masukan agak tinggi, tetapi apabila voltan masukan dikurangkan, voltan pintu akan tidak mencukupi, menyebabkan pengaliran yang tidak lengkap, dengan itu meningkatkan penggunaan kuasa.

3. Aplikasi dwi voltan

Dalam sesetengah litar kawalan, bahagian logik menggunakan voltan digital 5V atau 3.3V biasa, manakala bahagian kuasa menggunakan voltan 12V atau lebih tinggi. Kedua-dua voltan disambungkan ke tanah bersama.

Ini menimbulkan keperluan untuk menggunakan litar supaya bahagian voltan rendah boleh mengawal MOSFET dengan berkesan pada bahagian voltan tinggi. Pada masa yang sama, MOSFET pada bahagian voltan tinggi juga akan menghadapi masalah yang dinyatakan dalam 1 dan 2.

Dalam ketiga-tiga kes ini, struktur tiang totem tidak dapat memenuhi keperluan output, dan banyak IC pemacu MOSFET di luar rak nampaknya tidak termasuk struktur pengehad voltan pintu.

 

Jadi saya mereka litar yang agak umum untuk memenuhi ketiga-tiga keperluan ini.

,

Litar pemacu untuk NMOS

Di sini saya hanya akan melakukan analisis ringkas litar pemacu NMOS:

Vl dan Vh masing-masing ialah bekalan kuasa rendah dan mewah. Kedua-dua voltan boleh sama, tetapi Vl tidak boleh melebihi Vh.

Q1 dan Q2 membentuk tiang totem terbalik untuk mencapai pengasingan sambil memastikan kedua-dua tiub pemacu Q3 dan Q4 tidak dihidupkan pada masa yang sama.

R2 dan R3 menyediakan rujukan voltan PWM. Dengan menukar rujukan ini, litar boleh dikendalikan dalam kedudukan di mana bentuk gelombang isyarat PWM agak curam.

Q3 dan Q4 digunakan untuk menyediakan arus pemacu. Apabila dihidupkan, Q3 dan Q4 hanya mempunyai penurunan voltan minimum Vce berbanding Vh dan GND. Penurunan voltan ini biasanya hanya kira-kira 0.3V, yang jauh lebih rendah daripada Vce 0.7V.

R5 dan R6 ialah perintang maklum balas, digunakan untuk mencontohi voltan get. Voltan sampel menjana maklum balas negatif yang kuat kepada asas Q1 dan Q2 melalui Q5, dengan itu mengehadkan voltan get kepada nilai terhad. Nilai ini boleh dilaraskan melalui R5 dan R6.

Akhir sekali, R1 menyediakan had arus asas untuk Q3 dan Q4, dan R4 menyediakan had arus get untuk MOSFET, iaitu had Ais Q3 dan Q4. Jika perlu, kapasitor pecutan boleh disambungkan selari dengan R4.

Litar ini menyediakan ciri-ciri berikut:

1. Gunakan voltan sisi rendah dan PWM untuk memacu MOSFET sisi tinggi.

2. Gunakan isyarat PWM amplitud kecil untuk memacu MOSFET dengan keperluan voltan get tinggi.

3. Had puncak voltan get

4. Had arus input dan output

5. Dengan menggunakan perintang yang sesuai, penggunaan kuasa yang sangat rendah boleh dicapai.

6. Isyarat PWM adalah terbalik. NMOS tidak memerlukan ciri ini dan boleh diselesaikan dengan meletakkan penyongsang di hadapan.

Apabila mereka bentuk peranti mudah alih dan produk wayarles, meningkatkan prestasi produk dan memanjangkan hayat bateri ialah dua isu yang perlu dihadapi oleh pereka bentuk. Penukar DC-DC mempunyai kelebihan kecekapan tinggi, arus keluaran yang besar, dan arus senyap yang rendah, menjadikannya sangat sesuai untuk menjanakan peranti mudah alih. Pada masa ini, trend utama dalam pembangunan teknologi reka bentuk penukar DC-DC ialah: (1) Teknologi frekuensi tinggi: Apabila frekuensi pensuisan meningkat, saiz penukar pensuisan juga dikurangkan, ketumpatan kuasa juga meningkat dengan ketara, dan tindak balas dinamik dipertingkatkan. . Kekerapan pensuisan penukar DC-DC berkuasa rendah akan meningkat ke tahap megahertz. (2) Teknologi voltan keluaran rendah: Dengan perkembangan berterusan teknologi pembuatan semikonduktor, voltan operasi mikropemproses dan peranti elektronik mudah alih semakin rendah, yang memerlukan penukar DC-DC masa depan untuk menyediakan voltan keluaran rendah untuk menyesuaikan diri dengan mikropemproses. keperluan untuk pemproses dan peranti elektronik mudah alih.

Perkembangan teknologi ini telah mengemukakan keperluan yang lebih tinggi untuk reka bentuk litar cip kuasa. Pertama sekali, apabila frekuensi pensuisan terus meningkat, keperluan tinggi diletakkan pada prestasi elemen pensuisan. Pada masa yang sama, litar pemacu elemen pensuisan yang sepadan mesti disediakan untuk memastikan elemen pensuisan berfungsi secara normal pada frekuensi pensuisan sehingga MHz. Kedua, untuk peranti elektronik mudah alih berkuasa bateri, voltan kerja litar adalah rendah (mengambil bateri litium sebagai contoh, voltan kerja ialah 2.5~3.6V), oleh itu, voltan kerja cip kuasa adalah rendah.

 

MOSFET mempunyai rintangan pada yang sangat rendah dan menggunakan tenaga yang rendah. MOSFET sering digunakan sebagai suis kuasa dalam cip DC-DC kecekapan tinggi yang popular pada masa ini. Walau bagaimanapun, disebabkan kapasitansi parasit MOSFET yang besar, kapasitansi pintu bagi tiub pensuisan NMOS secara amnya setinggi berpuluh-puluh picofarad. Ini mengemukakan keperluan yang lebih tinggi untuk reka bentuk litar pemacu tiub pensuisan penukar DC-DC frekuensi operasi tinggi.

Dalam reka bentuk ULSI voltan rendah, terdapat pelbagai litar logik CMOS dan BiCMOS menggunakan struktur rangsangan bootstrap dan litar pemacu sebagai beban kapasitif yang besar. Litar ini boleh beroperasi secara normal dengan voltan bekalan kuasa lebih rendah daripada 1V, dan boleh beroperasi pada frekuensi puluhan megahertz atau bahkan ratusan megahertz dengan kapasiti beban 1 hingga 2pF. Artikel ini menggunakan litar rangsangan bootstrap untuk mereka bentuk litar pemacu dengan keupayaan pemacu kapasitans beban besar yang sesuai untuk penukar DC-DC voltan rendah dan frekuensi pensuisan tinggi. Litar ini direka bentuk berdasarkan proses Samsung AHP615 BiCMOS dan disahkan oleh simulasi Hspice. Apabila voltan bekalan ialah 1.5V dan kapasiti beban ialah 60pF, kekerapan operasi boleh mencapai lebih daripada 5MHz.

,

Ciri pensuisan MOSFET

,

1. Ciri-ciri statik

Sebagai elemen pensuisan, MOSFET juga berfungsi dalam dua keadaan: mati atau hidup. Memandangkan MOSFET ialah komponen terkawal voltan, keadaan kerjanya ditentukan terutamanya oleh voltan sumber get uGS.

 

Ciri-ciri kerja adalah seperti berikut:

※ uGS＜voltan hidupkan UT: MOSFET berfungsi di kawasan pemotongan, iDS arus punca parit pada asasnya ialah 0, voltan keluaran uDS≈UDD, dan MOSFET berada dalam keadaan "mati".

※ uGS>Voltan hidupkan UT: MOSFET berfungsi di kawasan pengaliran, arus punca saliran iDS=UDD/(RD+rDS). Antaranya, rDS ialah rintangan sumber saliran apabila MOSFET dihidupkan. Voltan keluaran UDS=UDD?rDS/(RD+rDS), jika rDS＜＜RD, uDS≈0V, MOSFET berada dalam keadaan "hidup".

2. Ciri-ciri dinamik

MOSFET juga mempunyai proses peralihan apabila bertukar antara keadaan hidup dan mati, tetapi ciri dinamiknya bergantung terutamanya pada masa yang diperlukan untuk mengecas dan menyahcas kapasitans sesat yang berkaitan dengan litar, dan pengumpulan dan pelepasan cas apabila tiub itu sendiri dihidupkan dan dimatikan. Masa pelesapan adalah sangat kecil.

Apabila ui voltan input berubah dari tinggi ke rendah dan MOSFET berubah dari keadaan hidup ke keadaan mati, bekalan kuasa UDD mengecas kapasiti sesat CL melalui RD, dan pemalar masa pengecasan τ1=RDCL. Oleh itu, voltan keluaran uo perlu melalui kelewatan tertentu sebelum menukar dari aras rendah ke aras tinggi; apabila ui voltan input berubah dari rendah ke tinggi dan MOSFET berubah dari keadaan mati kepada keadaan hidup, cas pada kapasitans sesat CL melalui rDS Nyahcas berlaku dengan pemalar masa nyahcas τ2≈rDSCL. Dapat dilihat bahawa voltan keluaran Uo juga memerlukan kelewatan tertentu sebelum ia boleh beralih ke tahap rendah. Tetapi kerana rDS adalah jauh lebih kecil daripada RD, masa penukaran dari cut-off kepada conduction adalah lebih pendek daripada masa penukaran dari conduction ke cut-off.

Memandangkan rDS rintangan sumber parit MOSFET apabila ia dihidupkan adalah lebih besar daripada rCES rintangan tepu transistor, dan rintangan saliran luaran RD juga lebih besar daripada rintangan pengumpul RC transistor, masa pengecasan dan nyahcas MOSFET lebih panjang, menjadikan MOSFET Kelajuan pensuisan lebih rendah daripada transistor. Walau bagaimanapun, dalam litar CMOS, memandangkan litar pengecasan dan litar nyahcas adalah kedua-dua litar rintangan rendah, proses pengecasan dan nyahcas adalah agak pantas, menghasilkan kelajuan pensuisan yang tinggi untuk litar CMOS.