Njohuri dhe aplikimi bazë origjinal MOSFET

Sa për arsyen pse modaliteti i varfërimitMOSFETnuk janë përdorur, nuk rekomandohet të arrini në fund të tij.

Për këto dy MOSFET të modalitetit të përmirësimit, NMOS përdoret më shpesh. Arsyeja është se rezistenca 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, NMOS përdoret më së shumti.

Ekziston një kapacitet parazitar midis tre kunjave të MOSFET. Kjo nuk është ajo që na nevojitet, por shkaktohet nga kufizimet e procesit të prodhimit. Ekzistenca e kapacitetit parazitar e bën atë më të mundimshëm gjatë projektimit ose zgjedhjes së një qarku të makinës, por nuk ka asnjë mënyrë për ta shmangur atë. Do ta prezantojmë në detaje më vonë.

Ekziston një diodë parazitare midis kullimit dhe burimit. Kjo quhet diodë e trupit. Kjo diodë është shumë e rëndësishme kur drejtoni ngarkesa induktive (të tilla si motorët). Nga rruga, dioda e trupit ekziston vetëm në një MOSFET të vetëm dhe zakonisht nuk gjendet brenda një çipi të qarkut të integruar.

2. Karakteristikat e përcjelljes së MOSFET

Përçimi do të thotë të veprosh si ndërprerës, i cili është i barabartë me mbylljen e çelësit.

Karakteristika e NMOS është se do të ndizet kur Vgs është më e madhe se një vlerë e caktuar. Është i përshtatshëm për t'u përdorur kur burimi është i tokëzuar (makinë e nivelit të ulët), për sa kohë që voltazhi i portës arrin 4V ose 10V.

Karakteristikat e PMOS janë se do të ndizet kur Vgs është më pak se një vlerë e caktuar, e cila është e përshtatshme për situatat kur burimi është i lidhur me VCC (disku i nivelit të lartë). Megjithatë, edhe psePMOSmund 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.

3. Humbja e tubit të ndërprerës MOS

Pavarësisht nëse është NMOS ose PMOS, ka një rezistencë të ndezur pasi është ndezur, kështu që rryma do të konsumojë energji në këtë rezistencë. Kjo pjesë e energjisë së konsumuar quhet humbje përçueshmërie. Zgjedhja e një MOSFET me një rezistencë të vogël në lëvizje do të reduktojë humbjet e përcjellshmërisë. Rezistenca aktuale e MOSFET-it me fuqi të ulët është përgjithësisht rreth dhjetëra miliohm, dhe ka edhe disa miliohm.

Kur MOSFET ndizet dhe fiket, ai nuk duhet të përfundojë menjëherë. Tensioni në MOS ka një proces në rënie, dhe rryma rrjedhëse ka një proces në rritje. Gjatë kësaj periudhe,MOSFET-ithumbja është produkt i tensionit dhe rrymës, i cili quhet humbje komutuese. Zakonisht humbjet e komutimit janë shumë më të mëdha se humbjet e përcjelljes, dhe sa më e shpejtë të jetë frekuenca e ndërrimit, aq më të mëdha janë humbjet.

Produkti i tensionit dhe rrymës në momentin e përcjelljes është shumë i madh, duke shkaktuar humbje të mëdha. Shkurtimi i kohës së ndërrimit mund të zvogëlojë humbjen gjatë çdo përcjelljeje; ulja e frekuencës së ndërrimit mund të zvogëlojë numrin e ndërprerësve për njësi të kohës. Të dyja metodat mund të zvogëlojnë humbjet e ndërrimit.

Forma e valës kur MOSFET është i ndezur. Mund të shihet se produkti i tensionit dhe rrymës në momentin e përcjelljes është shumë i madh, dhe humbja e shkaktuar është gjithashtu shumë e madhe. Reduktimi i kohës së ndërrimit mund të zvogëlojë humbjen gjatë çdo përcjelljeje; ulja e frekuencës së ndërrimit mund të zvogëlojë numrin e ndërprerësve për njësi të kohës. Të dyja metodat mund të zvogëlojnë humbjet e ndërrimit.

4. Drejtues MOSFET

Krahasuar me transistorët bipolarë, përgjithësisht besohet se nuk kërkohet rrymë për të ndezur një MOSFET, për sa kohë që voltazhi GS është më i lartë se një vlerë e caktuar. Kjo është e lehtë për t'u bërë, por ne gjithashtu kemi nevojë për shpejtësi.

Mund të shihet në strukturën e MOSFET se ekziston një kapacitet parazitar midis GS dhe GD, dhe drejtimi i MOSFET është në fakt ngarkesa dhe shkarkimi i kondensatorit. Ngarkimi i kondensatorit kërkon një rrymë, sepse kondensatori mund të konsiderohet si një qark i shkurtër në momentin e karikimit, kështu që rryma e menjëhershme do të jetë relativisht e madhe. Gjëja e parë që duhet t'i kushtoni vëmendje kur zgjidhni/dizajnoni një drejtues MOSFET është sasia e rrymës së menjëhershme të qarkut të shkurtër që mund të sigurojë. ,

Gjëja e dytë që duhet të theksohet është se NMOS, i cili përdoret zakonisht për drejtimin e niveleve të larta, ka nevojë që tensioni i portës të jetë më i madh se tensioni i burimit kur ndizet. Kur MOSFET i drejtuar nga ana e lartë është i ndezur, voltazhi i burimit është i njëjtë me tensionin e shkarkimit (VCC), kështu që tensioni i portës është 4V ose 10V më i madh se VCC në këtë moment. Nëse dëshironi të merrni një tension më të madh se VCC në të njëjtin sistem, ju nevojitet një qark i veçantë përforcues. Shumë drejtues motorësh kanë pompa të integruara ngarkimi. Duhet të theksohet se një kondensator i jashtëm i përshtatshëm duhet të zgjidhet për të marrë rrymë të mjaftueshme të qarkut të shkurtër për të drejtuar MOSFET.

4V ose 10V e përmendur më sipër është voltazhi i ndezjes së MOSFET-ve të përdorura zakonisht, dhe natyrisht duhet të lejohet një diferencë e caktuar gjatë projektimit. Dhe sa më i lartë të jetë voltazhi, aq më e shpejtë është shpejtësia e përcjelljes dhe aq më e vogël është rezistenca e përcjelljes. Tani ka MOSFET me tensione më të vogla përcjellëse që përdoren në fusha të ndryshme, por në sistemet elektronike të automobilave 12V, përgjithësisht përçimi 4V mjafton.

Për qarkun e drejtuesit MOSFET dhe humbjet e tij, ju lutemi referojuni AN799 të Microchip-it që përputhen drejtuesit e MOSFET me MOSFET. Është shumë i detajuar, kështu që nuk do të shkruaj më shumë.

Produkti i tensionit dhe rrymës në momentin e përcjelljes është shumë i madh, duke shkaktuar humbje të mëdha. Reduktimi i kohës së ndërrimit mund të zvogëlojë humbjen gjatë çdo përcjelljeje; ulja e frekuencës së ndërrimit mund të zvogëlojë numrin e ndërprerësve për njësi të kohës. Të dyja metodat mund të zvogëlojnë humbjet e ndërrimit.

MOSFET është një lloj FET (tjetri është JFET). Mund të futet në modalitetin e përmirësimit ose në modalitetin e zbrazjes, në kanal P ose në kanal N, gjithsej 4 lloje. Megjithatë, në të vërtetë përdoret vetëm MOSFET me kanal N-mënyrë përmirësimi. dhe MOSFET me kanal P të tipit të përmirësimit, kështu që NMOS ose PMOS zakonisht u referohen këtyre dy llojeve.

5. Qarku i aplikimit MOSFET?

Karakteristika më domethënëse e MOSFET-it janë karakteristikat e tij të mira të komutimit, kështu që përdoret gjerësisht në qarqet që kërkojnë ndërprerës elektronikë, siç janë furnizimet me energji elektrike dhe disqet e motorëve, si dhe zbehja e ndriçimit.

Drejtuesit e sotëm MOSFET kanë disa kërkesa të veçanta:

1. Aplikimi i tensionit të ulët

Kur përdorni një furnizim me energji 5V, nëse në këtë kohë përdoret një strukturë tradicionale e poleve totem, meqenëse tranzistori ka një rënie tensioni prej rreth 0,7 V, tensioni përfundimtar aktual i aplikuar në portë është vetëm 4,3 V. Në këtë kohë, ne zgjedhim fuqinë nominale të portës

Ekziston një rrezik i caktuar kur përdorni një MOSFET 4.5 V. I njëjti problem ndodh edhe kur përdorni 3V ose furnizime të tjera me tension të ulët.

2. Aplikim i gjerë i tensionit

Tensioni i hyrjes nuk është një vlerë fikse, ai do të ndryshojë me kohën ose me faktorë të tjerë. Ky ndryshim bën që tensioni lëvizës i siguruar nga qarku PWM në MOSFET të jetë i paqëndrueshëm.

Për t'i bërë MOSFET-ët të sigurt nën 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 drejtimit tejkalon tensionin e tubit të rregullatorit të tensionit, do të shkaktojë konsum të madh të energjisë statike.

Në të njëjtën kohë, nëse thjesht përdorni parimin e ndarjes së tensionit të rezistencës për të ulur tensionin e portës, MOSFET do të funksionojë mirë kur tensioni i hyrjes është relativisht i lartë, por kur tensioni i hyrjes zvogëlohet, voltazhi i portës do të jetë i pamjaftueshëm, duke shkaktuar përçueshmëri jo e plotë, duke rritur kështu konsumin e energjisë.

3. Aplikimi i dyfishtë i tensionit

Në disa qarqe kontrolli, pjesa logjike përdor një tension tipik dixhital 5 V ose 3.3 V, ndërsa pjesa e energjisë përdor një tension prej 12 V ose edhe më të lartë. Të dy tensionet janë të lidhura në një tokë të përbashkët.

Kjo ngre një kërkesë për të përdorur një qark në mënyrë që ana e tensionit të ulët të mund të kontrollojë në mënyrë efektive MOSFET në anën e tensionit të lartë. Në të njëjtën kohë, MOSFET në anën e tensionit të lartë do të përballet gjithashtu me problemet e përmendura në 1 dhe 2.

Në këto tre raste, struktura e poleve totem nuk mund të plotësojë kërkesat e daljes dhe shumë IC-të drejtuese të MOSFET-it jashtë raftit duket se nuk përfshijnë struktura kufizuese të tensionit të portës.

Kështu që unë projektova një qark relativisht të përgjithshëm për të përmbushur këto tre nevoja.

Qarku i drejtuesit për NMOS

Këtu do të bëj vetëm një analizë të thjeshtë të qarkut të drejtuesit NMOS:

Vl dhe Vh janë përkatësisht furnizimet me energji të nivelit të ulët dhe të lartë. Të dy tensionet mund të jenë të njëjta, por Vl nuk duhet të kalojë Vh.

Q1 dhe Q2 formojnë një shtyllë totemi të përmbysur për të arritur izolimin duke siguruar që dy tubat drejtues Q3 dhe Q4 të mos ndizen në të njëjtën kohë.

R2 dhe R3 sigurojnë referencën e tensionit PWM. Duke ndryshuar këtë referencë, qarku mund të operohet në një pozicion ku forma e valës së sinjalit PWM është relativisht e pjerrët.

Q3 dhe Q4 përdoren për të siguruar rrymën e makinës. Kur janë të ndezura, Q3 dhe Q4 kanë vetëm një rënie minimale të tensionit prej Vce në raport me Vh dhe GND. Kjo rënie e tensionit është zakonisht vetëm rreth 0.3V, që është shumë më e ulët se Vce prej 0.7V.

R5 dhe R6 janë rezistenca kthyese, të përdorura për të kampionuar tensionin e portës. Tensioni i mostrës gjeneron një reagim të fortë negativ në bazat e Q1 dhe Q2 deri në Q5, duke kufizuar kështu tensionin e portës në një vlerë të kufizuar. Kjo vlerë mund të rregullohet përmes R5 dhe R6.

Së fundi, R1 siguron kufirin e rrymës bazë për Q3 dhe Q4, dhe R4 siguron kufirin e rrymës së portës për MOSFET, që është kufiri i akullit të Q3 dhe Q4. Nëse është e nevojshme, një kondensator nxitimi mund të lidhet paralelisht me R4.

Ky qark ofron karakteristikat e mëposhtme:

1. Përdorni tension të anës së ulët dhe PWM për të drejtuar MOSFET-in e anës së lartë.

2. Përdorni një sinjal PWM me amplitudë të vogël për të drejtuar një MOSFET me kërkesa të tensionit të lartë të portës.

3. Kufiri i pikut të tensionit të portës

4. Kufijtë e rrymës hyrëse dhe dalëse

5. Duke përdorur rezistorë të përshtatshëm, mund të arrihet konsumi shumë i ulët i energjisë.

6. Sinjali PWM është i përmbysur. NMOS nuk ka nevojë për këtë veçori dhe mund të zgjidhet duke vendosur një inverter përpara.

Kur dizajnoni pajisje portative dhe produkte me valë, përmirësimi i performancës së produktit dhe zgjatja e jetëgjatësisë së baterisë janë dy çështje që duhet të përballen projektuesit. Konvertuesit DC-DC kanë avantazhet e efikasitetit të lartë, rrymës së madhe dalëse dhe rrymës së ulët qetësie, duke i bërë ata shumë të përshtatshëm për fuqizimin e pajisjeve portative. Aktualisht, tendencat kryesore në zhvillimin e teknologjisë së projektimit të konvertuesit DC-DC janë: (1) Teknologjia me frekuencë të lartë: Me rritjen e frekuencës së komutimit, madhësia e konvertuesit komutues gjithashtu zvogëlohet, densiteti i fuqisë gjithashtu rritet shumë, dhe përgjigja dinamike është përmirësuar. . Frekuenca e ndërrimit të konvertuesve DC-DC me fuqi të ulët do të rritet në nivelin megahertz. (2) Teknologjia e tensionit të ulët të daljes: Me zhvillimin e vazhdueshëm të teknologjisë së prodhimit të gjysmëpërçuesve, voltazhi i funksionimit të mikroprocesorëve dhe pajisjeve elektronike portative po bëhet gjithnjë e më i ulët, gjë që kërkon që konvertuesit e ardhshëm DC-DC të ofrojnë tension të ulët në dalje për t'u përshtatur me mikroprocesorët. kërkesat për procesorë dhe pajisje elektronike portative.

Zhvillimi i këtyre teknologjive ka paraqitur kërkesa më të larta për hartimin e qarqeve të çipave të energjisë. Para së gjithash, ndërsa frekuenca e komutimit vazhdon të rritet, kërkesa të larta vendosen për performancën e elementeve komutues. Në të njëjtën kohë, duhet të sigurohen qarqet përkatëse të drejtimit të elementit komutues për të siguruar që elementët komutues të punojnë normalisht në frekuencat komutuese deri në MHz. Së dyti, për pajisjet elektronike portative me bateri, tensioni i punës i qarkut është i ulët (duke marrë si shembull bateritë e litiumit, voltazhi i punës është 2.5~3.6V), prandaj, tensioni i punës i çipit të energjisë është i ulët.

MOSFET ka rezistencë shumë të ulët dhe konsumon pak energji. MOSFET përdoret shpesh si një çelës energjie në çipat DC-DC të njohura aktualisht me efikasitet të lartë. Megjithatë, për shkak të kapacitetit të madh parazitar të MOSFET, kapaciteti i portës së tubave komutues NMOS është përgjithësisht i lartë sa dhjetëra pikofarad. Kjo parashtron kërkesa më të larta për projektimin e qarkut të drejtimit të tubit komutues të konvertuesit DC-DC me frekuencë të lartë funksionimi.

Në dizajnet ULSI me tension të ulët, ka një shumëllojshmëri qarqesh logjike CMOS dhe BiCMOS që përdorin strukturat e nxitjes së bootstrap dhe qarqet e drejtimit si ngarkesa të mëdha kapacitore. Këto qarqe mund të funksionojnë normalisht me një tension të furnizimit me energji më të ulët se 1V dhe mund të funksionojnë në një frekuencë prej dhjetëra megahertz apo edhe qindra megaherz me një kapacitet ngarkese prej 1 deri në 2pF. Ky artikull përdor një qark përforcues bootstrap për të dizajnuar një qark me makinë me kapacitet të madh ngarkese, i cili është i përshtatshëm për konvertuesit DC-DC me tension të ulët dhe me frekuencë të lartë komutuese. Qarku është projektuar bazuar në procesin Samsung AHP615 BiCMOS dhe verifikuar nga simulimi Hspice. Kur voltazhi i furnizimit është 1.5 V dhe kapaciteti i ngarkesës është 60 pF, frekuenca e funksionimit mund të arrijë më shumë se 5 MHz.

Karakteristikat e ndërrimit të MOSFET

1. Karakteristikat statike

Si element komutues, MOSFET gjithashtu funksionon në dy gjendje: i fikur ose i ndezur. Meqenëse MOSFET është një komponent i kontrolluar nga tensioni, gjendja e tij e punës përcaktohet kryesisht nga tensioni i burimit të portës uGS.

Karakteristikat e punës janë si më poshtë:

※ uGS＜tensioni i ndezjes UT: MOSFET funksionon në zonën e ndërprerjes, rryma e burimit të shkarkimit IDS është në thelb 0, tensioni i daljes uDS≈UDD dhe MOSFET është në gjendje "off".

※ uGS>Tensioni i ndezjes UT: MOSFET punon në rajonin e përcjelljes, rryma e burimit të shkarkimit iDS=UDD/(RD+rDS). Midis tyre, rDS është rezistenca e burimit të shkarkimit kur MOSFET është i ndezur. Tensioni i daljes UDS=UDD?rDS/(RD+rDS), nëse rDS＜＜RD, uDS≈0V, MOSFET është në gjendjen "on".

2. Karakteristikat dinamike

MOSFET gjithashtu ka një proces tranzicioni kur kalon midis gjendjeve të ndezjes dhe fikjes, por karakteristikat e tij dinamike varen kryesisht nga koha e nevojshme për të ngarkuar dhe shkarkuar kapacitetin e humbur në lidhje me qarkun, dhe nga akumulimi dhe shkarkimi i ngarkesës kur vetë tubi është ndezur dhe fikur. Koha e shpërndarjes është shumë e vogël.

Kur UI i tensionit të hyrjes ndryshon nga i lartë në i ulët dhe MOSFET ndryshon nga gjendja e ndezur në gjendjen e fikur, furnizimi me energji UDD ngarkon kapacitetin e humbur CL përmes RD, dhe konstantën e kohës së karikimit τ1=RDCL. Prandaj, tensioni i daljes uo duhet të kalojë një vonesë të caktuar përpara se të ndryshojë nga niveli i ulët në nivel të lartë; kur tensioni i hyrjes UI ndryshon nga i ulët në i lartë dhe MOSFET ndryshon nga gjendja e fikur në gjendjen e ndezur, ngarkesa në kapacitetin e humbur CL kalon përmes rDS Shkarkimi ndodh me një konstante kohe shkarkimi τ2≈rDSCL. Mund të shihet se tensioni i daljes Uo gjithashtu ka nevojë për një vonesë të caktuar përpara se të kalojë në një nivel të ulët. Por për shkak se rDS është shumë më i vogël se RD, koha e konvertimit nga ndërprerja në përçueshmëri është më e shkurtër se koha e konvertimit nga përçimi në ndërprerje.

Meqenëse rezistenca rDS e burimit të shkarkimit të MOSFET kur është ndezur është shumë më e madhe se rezistenca e ngopjes rCES e tranzistorit, dhe rezistenca e jashtme e kullimit RD është gjithashtu më e madhe se rezistenca e kolektorit RC e tranzitorit, koha e karikimit dhe shkarkimit i MOSFET-it është më i gjatë, duke e bërë MOSFET-in Shpejtësia e ndërrimit është më e ulët se ajo e një transistori. Megjithatë, në qarqet CMOS, meqenëse qarku i karikimit dhe qarku i shkarkimit janë të dy qarqe me rezistencë të ulët, proceset e karikimit dhe shkarkimit janë relativisht të shpejta, duke rezultuar në një shpejtësi të lartë të kalimit për qarkun CMOS.