Qarku i shoferit me paketë të madhe MOSFET

Para së gjithash, lloji dhe struktura e MOSFET,MOSFETështë një FET (tjetri është JFET), mund të prodhohet në tip të zgjeruar ose të varfëruar, me kanal P ose N-kanal gjithsej katër llojesh, por aplikimi aktual i vetëm MOSFET-ve me kanal N të përmirësuar dhe MOSFET-ve të zgjeruara me kanal P, kështu që zakonisht i referuar si NMOS ose PMOS u referohet këtyre dy llojeve. Për këto dy lloje të MOSFET-ve të përmirësuara, më i përdoruri është NMOS, arsyeja është se rezistenca e ndezur është e vogël dhe e lehtë për t'u prodhuar. Prandaj, NMOS përdoret përgjithësisht në ndërrimin e furnizimit me energji elektrike dhe aplikimet e lëvizjes së motorit.

Në hyrjen e mëposhtme, shumica e rasteve dominohen nga NMOS. Kapaciteti parazitar ekziston midis tre kunjave të MOSFET, një veçori që nuk është e nevojshme, por lind për shkak të kufizimeve të procesit të prodhimit. Prania e kapacitetit parazitar e bën pak të ndërlikuar projektimin ose zgjedhjen e një qarku drejtues. Ekziston një diodë parazitare midis kullimit dhe burimit. Kjo quhet diodë e trupit dhe është e rëndësishme në drejtimin e ngarkesave induktive siç janë motorët. Nga rruga, dioda e trupit është e pranishme vetëm në MOSFET individuale dhe zakonisht nuk është e pranishme brenda një çipi IC.

MOSFETHumbja e tubit komutues, qoftë NMOS ose PMOS, pasi të ekzistojë përçueshmëria e rezistencës, kështu që rryma do të konsumojë energji në këtë rezistencë, kjo pjesë e energjisë së konsumuar quhet humbje përçueshmërie. Përzgjedhja e MOSFET-ve me rezistencë të ulët në ndezje do të reduktojë humbjen e rezistencës. Në ditët e sotme, rezistenca e ndezur e MOSFET-ve me fuqi të ulët është përgjithësisht rreth dhjetëra miliohm, dhe disa miliohm janë gjithashtu të disponueshëm. dy skajet e MOSFET-it, dhe ka një proces të rritjes së rrymës që rrjedh nëpër të. Gjatë kësaj periudhe kohore, humbja i MOSFET-ve është prodhimi i tensionit dhe rrymës, i cili quhet humbje komutuese. Zakonisht humbja e komutimit është shumë më e madhe se humbja e përcjelljes, dhe sa më e shpejtë të jetë frekuenca e ndërrimit, aq më e madhe është humbja. Produkti i tensionit dhe rrymës në momentin e përcjelljes është shumë i madh, duke rezultuar në humbje të mëdha. Shkurtimi i kohës së ndërrimit zvogëlon humbjen në çdo përcjellje; zvogëlimi i frekuencës së ndërrimit zvogëlon numrin e ndërprerësve për njësi të kohës. Të dyja këto qasje reduktojnë humbjet e ndërrimit.

Krahasuar me transistorët bipolarë, përgjithësisht besohet se nuk kërkohet rrymë për të krijuar njëMOSFETsjellje, për sa kohë që tensioni GS është mbi një vlerë të caktuar. Kjo është e lehtë për t'u bërë, megjithatë, ne gjithashtu kemi nevojë për shpejtësi. Siç mund ta shihni në strukturën e MOSFET, ekziston një kapacitet parazitar midis GS, GD, dhe drejtimi i MOSFET është, në fakt, ngarkimi dhe shkarkimi i kapacitetit. Ngarkimi i kondensatorit kërkon një rrymë, sepse ngarkimi i kondensatorit në çast mund të shihet si një qark i shkurtër, kështu që rryma e menjëhershme do të jetë më e lartë. Gjëja e parë që duhet të vini re kur zgjidhni/dizajnoni një drejtues MOSFET është madhësia e rrymës së menjëhershme të qarkut të shkurtër që mund të sigurohet.

Gjëja e dytë që duhet të theksohet është se, e përdorur përgjithësisht në NMOS me makinë të nivelit të lartë, voltazhi i portës në kohë duhet të jetë më i madh se voltazhi i burimit. High-end drive MOSFET në tensionin e burimit dhe tensionit të kullimit (VCC) është e njëjtë, kështu që atëherë tensioni i portës se VCC 4V ose 10V. nëse në të njëjtin sistem, për të marrë një tension më të madh se VCC, ne duhet të specializojmë në qarkun e rritjes. Shumë drejtues motorësh kanë pompa ngarkimi të integruara, është e rëndësishme të theksohet se duhet të zgjidhni kapacitetin e duhur të jashtëm për të marrë rrymë të mjaftueshme të qarkut të shkurtër për të drejtuar MOSFET. 4V ose 10V është MOSFET-i i përdorur zakonisht në tension, dizajni sigurisht që duhet të keni një diferencë të caktuar. Sa më i lartë të jetë voltazhi, aq më e shpejtë është shpejtësia në gjendje dhe aq më e ulët është rezistenca në gjendje. Tani ka edhe MOSFET më të vogla të tensionit në gjendje të përdorur në fusha të ndryshme, por në sistemin elektronik të automobilave 12V, përgjithësisht mjafton 4V në gjendje. Karakteristika më e dukshme e MOSFET-ve janë karakteristikat e kalimit të të mirave, kështu që përdoret gjerësisht në nevoja për qarqe komutuese elektronike, të tilla si furnizimi me energji elektrike dhe ngasja e motorit, por edhe zbehja e ndriçimit. Përçimi do të thotë të veprojë si një ndërprerës, i cili është ekuivalent me një mbyllje çelësi. Karakteristikat NMOS, Vgs më të mëdha se një vlerë e caktuar do të kryejë, i përshtatshëm për përdorim në rastin kur burimi është i tokëzuar (makinë e nivelit të ulët), për aq kohë sa porta tension prej 4V ose 10V.Karakteristikat PMOS, Vgs më pak se një vlerë e caktuar do të përçojë, i përshtatshëm për përdorim në rastin kur burimi është i lidhur me VCC (disk i nivelit të lartë). Sidoqoftë, megjithëse PMOS mund të përdoret lehtësisht si një drejtues i nivelit të lartë, NMOS zakonisht përdoret në drejtuesit e nivelit të lartë për shkak të rezistencës së madhe, çmimit të lartë dhe disa llojeve të zëvendësimit.

Tani MOSFET përzënë aplikimet e tensionit të ulët, kur përdorimi i furnizimit me energji elektrike 5V, këtë herë nëse përdorni strukturën tradicionale të poleve totem, për shkak të rënies së tensionit të tranzitorit është rreth 0.7V, duke rezultuar në fundin aktual të shtuar në portën në tensioni është vetëm 4,3 V. Në këtë kohë, ne zgjedhim tensionin nominal të portës prej 4,5 V të MOSFET për ekzistencën e disa rreziqet. I njëjti problem shfaqet në përdorimin e 3V ose rasteve të tjera të furnizimit me energji me tension të ulët. Tensioni i dyfishtë përdoret në disa qarqe kontrolli ku seksioni logjik përdor një tension tipik dixhital 5V ose 3.3V dhe seksioni i energjisë përdor 12V ose edhe më të lartë. Të dy tensionet lidhen duke përdorur një tokë të përbashkët. Kjo vendos një kërkesë për të përdorur një qark që lejon anën e tensionit të ulët të kontrollojë në mënyrë efektive MOSFET në anën e tensionit të lartë, ndërsa MOSFET në anën e tensionit të lartë do të përballet me të njëjtat probleme të përmendura në 1 dhe 2. Në të tre rastet, Struktura e poleve totem nuk mund të plotësojë kërkesat e daljes dhe shumë IC-të e drejtuesit të MOSFET-it jashtë raftit duket se nuk përfshijnë një strukturë kufizuese të tensionit të portës. Tensioni i hyrjes nuk është një vlerë fikse, ai ndryshon me kohën ose faktorë të tjerë. Ky ndryshim bën që tensioni i ngasjes i dhënë MOSFET-it nga qarku PWM të jetë i paqëndrueshëm. Për ta bërë MOSFET-in të sigurt nga tensionet e larta të portës, shumë MOSFET kanë rregullatorë të tensionit të integruar për të kufizuar me forcë amplituda e tensionit të portës.

Në këtë rast, kur voltazhi i dhënë i makinës tejkalon tensionin e rregullatorit, do të shkaktojë një konsum të madh të energjisë statike. Në të njëjtën kohë, nëse thjesht përdorni parimin e ndarësit të tensionit të rezistencës për të ulur tensionin e portës, do të ketë një tension i lartë në hyrje, MOSFET funksionon mirë, ndërsa tensioni i hyrjes zvogëlohet kur tensioni i portës është i pamjaftueshëm për të shkaktuar përcjellshmëri e pamjaftueshme e plotë, duke rritur kështu konsumin e energjisë.

Qarku relativisht i zakonshëm këtu vetëm për qark drejtuesit NMOS për të bërë një analizë të thjeshtë: Vl dhe Vh janë furnizimi me energji i nivelit të ulët dhe të lartë, respektivisht, dy tensionet mund të jenë të njëjta, por Vl nuk duhet të kalojë Vh. Q1 dhe Q2 formojnë një shtyllë totemi të përmbysur, që përdoret për të arritur izolimin dhe në të njëjtën kohë për të siguruar që dy tubat drejtues Q3 dhe Q4 të mos jenë të ndezur në të njëjtën kohë. R2 dhe R3 sigurojnë referencën e tensionit PWM dhe duke ndryshuar këtë referencë, mund ta bëni qarkun të funksionojë mirë dhe tensioni i portës nuk është i mjaftueshëm për të shkaktuar një përcjellje të plotë, duke rritur kështu konsumin e energjisë. R2 dhe R3 sigurojnë referencën e tensionit PWM, duke ndryshuar këtë referencë, mund të lejoni që qarku të funksionojë në formën e valës së sinjalit PWM është relativisht i pjerrët dhe i drejtë. Q3 dhe Q4 përdoren për të siguruar rrymën e makinës, për shkak të kohës së ndezur, Q3 dhe Q4 në lidhje me Vh dhe GND janë vetëm një minimum i një rënie të tensionit Vce, kjo rënie e tensionit është zakonisht vetëm 0.3V ose më shumë, shumë më e ulët se 0.7V Vce R5 dhe R6 janë rezistorë reagimi për marrjen e mostrave të tensionit të portës, pas kampionimit të tensionit, tensionit të portës përdoret si një rezistencë reagimi ndaj tensionit të portës, dhe tensioni i mostrës përdoret në tensionin e portës. R5 dhe R6 janë rezistorë reagimi që përdoren për të mostruar tensionin e portës, i cili më pas kalohet përmes Q5 për të krijuar një reagim të fortë negativ në bazat e Q1 dhe Q2, duke kufizuar kështu tensionin e portës në një vlerë të fundme. Kjo vlerë mund të rregullohet nga R5 dhe R6. Së fundi, R1 siguron kufizimin e rrymës bazë në Q3 dhe Q4, dhe R4 siguron kufizimin e rrymës së portës në MOSFET, që është kufizimi i akullit të Q3Q4. Një kondensator nxitimi mund të lidhet paralelisht mbi R4 nëse është e nevojshme.

Gjatë projektimit të pajisjeve portative dhe produkteve me valë, përmirësimi i performancës së produktit dhe zgjatja e kohës së funksionimit të baterisë janë dy çështje që dizajnerët duhet të përballen. Konvertuesit DC-DC kanë avantazhet e efikasitetit të lartë, rrymës së prodhimit të lartë dhe rrymës qetësuese të ulët, të cilat janë shumë të përshtatshme për të furnizuar me energji portative pajisje.

Konvertuesit DC-DC kanë përparësitë e efikasitetit të lartë, rrymës së prodhimit të lartë dhe rrymës së ulët qetësie, të cilat janë shumë të përshtatshme për fuqizimin e pajisjeve portative. Aktualisht, tendencat kryesore në zhvillimin e teknologjisë së projektimit të konvertuesit DC-DC përfshijnë: teknologjinë me frekuencë të lartë: me rritjen e frekuencës së kalimit, madhësia e konvertuesit komutues gjithashtu zvogëlohet, densiteti i fuqisë është rritur ndjeshëm dhe dinamika reagimi është përmirësuar. I vogël

Frekuenca e ndërrimit të konvertuesit të energjisë DC-DC do të rritet në nivelin megaherz. Teknologjia e tensionit të ulët të daljes: Me zhvillimin e vazhdueshëm të teknologjisë së prodhimit të gjysmëpërçuesve, tensioni i funksionimit të mikroprocesorëve dhe pajisjeve elektronike portative po bëhet gjithnjë e më i ulët, gjë që kërkon që konverteri i ardhshëm DC-DC mund të sigurojë tension të ulët në dalje për t'u përshtatur me mikroprocesorin dhe pajisjet elektronike portative, të cilat kërkon konvertuesin e ardhshëm DC-DC mund të sigurojë tension të ulët në dalje për t'u përshtatur me mikroprocesorin.

Mjaftueshëm për të siguruar tension të ulët në dalje për t'u përshtatur me mikroprocesorët dhe pajisjet elektronike portative. Këto zhvillime teknologjike parashtrojnë kërkesa më të larta për projektimin e qarqeve të çipeve të furnizimit me energji elektrike. Para së gjithash, me rritjen e frekuencës së ndërrimit, paraqitet performanca e komponentëve komutues

Kërkesa të larta për performancën e elementit komutues, dhe duhet të ketë qarkun e lëvizjes së elementit komutues përkatës për të siguruar që elementi komutues në frekuencën e kalimit deri në nivelin megahertz të funksionimit normal. Së dyti, për pajisjet elektronike portative me bateri, voltazhi i funksionimit të qarkut është i ulët (për shembull, në rastin e baterive të litiumit).

Bateritë litium, për shembull, tension operativ prej 2,5 ~ 3,6V), kështu që chip furnizimit me energji elektrike për tension të ulët.

MOSFET ka një rezistencë shumë të ulët, konsum të ulët energjie, në çipin aktual DC-DC me efikasitet të lartë, më shumë MOSFET si ndërprerës energjie. Megjithatë, për shkak të kapacitetit të madh parazitar të MOSFET-ve. Kjo vendos kërkesa më të larta në projektimin e qarqeve drejtuese të tubit komutues për projektimin e konvertuesve DC-DC me frekuencë të lartë funksionimi. Ekzistojnë qarqe të ndryshme logjike CMOS, BiCMOS që përdorin strukturën e bootstrap-it dhe qarqet drejtuese si ngarkesa të mëdha kapacitore në dizajnin ULSI të tensionit të ulët. Këto qarqe janë në gjendje të punojnë siç duhet në kushtet e furnizimit me tension më të vogël se 1V, dhe mund të punojnë në kushte të kapacitetit të ngarkesës 1 ~ 2pF frekuenca mund të arrijë dhjetëra megabit ose edhe qindra megahertz. Në këtë punim, qarku i nxitjes së bootstrap përdoret për të dizajnuar një kapacitet të madh të ngasjes së kapacitetit të ngarkesës, i përshtatshëm për qarkun e drejtimit të konvertuesit DC-DC me tension të ulët dhe me frekuencë të lartë komutuese. Tension i nivelit të ulët dhe PWM për të drejtuar MOSFET të nivelit të lartë. Sinjali PWM me amplitudë të vogël për të drejtuar kërkesat e tensionit të lartë të portës së MOSFET-ve.