Cunoștințe și aplicații de bază originale MOSFET

Cât despre de ce modul de epuizareMOSFET-urinu sunt folosite, nu este recomandat să ajungeți la fundul acestuia.

Pentru aceste două MOSFET-uri în mod de îmbunătățire, NMOS este folosit mai frecvent. Motivul este că rezistența la pornire este mică și ușor de fabricat. Prin urmare, NMOS este utilizat în general în aplicațiile de alimentare cu comutare și de acționare a motorului. În următoarea introducere, NMOS este utilizat în cea mai mare parte.

Există o capacitate parazită între cei trei pini ai MOSFET-ului. Acest lucru nu este ceea ce avem nevoie, ci este cauzat de limitările procesului de fabricație. Existența capacității parazitare îl face mai deranjant atunci când proiectați sau selectați un circuit de comandă, dar nu există nicio modalitate de a o evita. O vom prezenta în detaliu mai târziu.

Există o diodă parazită între dren și sursă. Aceasta se numește diodă corporală. Această diodă este foarte importantă atunci când conduceți sarcini inductive (cum ar fi motoarele). Apropo, dioda corpului există doar într-un singur MOSFET și de obicei nu se găsește în interiorul unui cip de circuit integrat.

 

2. Caracteristicile de conducere MOSFET

Conducerea înseamnă a acționa ca un întrerupător, ceea ce este echivalent cu închiderea comutatorului.

Caracteristica NMOS este că se va porni atunci când Vgs este mai mare decât o anumită valoare. Este potrivit pentru utilizare atunci când sursa este împământată (unitate de nivel scăzut), atâta timp cât tensiunea la poartă ajunge la 4V sau 10V.

Caracteristicile PMOS sunt că se va porni atunci când Vgs este mai mică decât o anumită valoare, ceea ce este potrivit pentru situațiile în care sursa este conectată la VCC (unitate high-end). Cu toate acestea, deșiPMOSpoate fi utilizat cu ușurință ca driver de ultimă generație, NMOS este de obicei folosit în driverele de ultimă generație datorită rezistenței mari la pornire, prețului ridicat și puținelor tipuri de înlocuire.

 

3. Pierderea tubului comutatorului MOS

Indiferent dacă este NMOS sau PMOS, există o rezistență de pornire după ce este pornită, astfel încât curentul va consuma energie pe această rezistență. Această parte a energiei consumate se numește pierdere de conducție. Alegerea unui MOSFET cu o rezistență mică la pornire va reduce pierderile de conducție. Rezistența la pornire MOSFET de mică putere de astăzi este în general de aproximativ zeci de miliohmi și există, de asemenea, câțiva miliohmi.

Când MOSFET-ul este pornit și oprit, acesta nu trebuie finalizat instantaneu. Tensiunea pe MOS are un proces în scădere, iar curentul care curge are un proces în creștere. În această perioadă,MOSFET-urilepierderea este produsul dintre tensiune și curent, care se numește pierdere de comutare. De obicei, pierderile de comutare sunt mult mai mari decât pierderile de conducție și cu cât frecvența de comutare este mai rapidă, cu atât pierderile sunt mai mari.

Produsul tensiunii și curentului în momentul conducției este foarte mare, provocând pierderi mari. Scurtarea timpului de comutare poate reduce pierderea în timpul fiecărei conducții; reducerea frecvenței de comutare poate reduce numărul de comutatoare pe unitatea de timp. Ambele metode pot reduce pierderile de comutare.

Forma de undă când MOSFET-ul este pornit. Se poate observa că produsul dintre tensiune și curent în momentul conducției este foarte mare, iar pierderea cauzată este, de asemenea, foarte mare. Reducerea timpului de comutare poate reduce pierderea în timpul fiecărei conducții; reducerea frecvenței de comutare poate reduce numărul de comutatoare pe unitatea de timp. Ambele metode pot reduce pierderile de comutare.

 

4. Driver MOSFET

În comparație cu tranzistoarele bipolare, se crede în general că nu este nevoie de curent pentru a porni un MOSFET, atâta timp cât tensiunea GS este mai mare decât o anumită valoare. Acest lucru este ușor de făcut, dar avem nevoie și de viteză.

Se poate vedea în structura MOSFET că există o capacitate parazită între GS și GD, iar conducerea MOSFET este de fapt încărcarea și descărcarea condensatorului. Încărcarea condensatorului necesită un curent, deoarece condensatorul poate fi privit ca un scurtcircuit în momentul încărcării, deci curentul instantaneu va fi relativ mare. Primul lucru la care trebuie să acordați atenție atunci când selectați/proiectați un driver MOSFET este cantitatea de curent de scurtcircuit instantaneu pe care o poate furniza. ​

Al doilea lucru de remarcat este faptul că NMOS, care este folosit în mod obișnuit pentru conducerea high-end, are nevoie ca tensiunea porții să fie mai mare decât tensiunea sursei atunci când este pornită. Când MOSFET-ul condus pe partea înaltă este pornit, tensiunea sursei este aceeași cu tensiunea de scurgere (VCC), astfel încât tensiunea de poartă este cu 4V sau 10V mai mare decât VCC în acest moment. Dacă doriți să obțineți o tensiune mai mare decât VCC în același sistem, aveți nevoie de un circuit special de amplificare. Multe motoare au pompe de încărcare integrate. Trebuie remarcat faptul că trebuie selectat un condensator extern adecvat pentru a obține un curent de scurtcircuit suficient pentru a conduce MOSFET-ul.

 

4V sau 10V menționat mai sus este tensiunea de pornire a MOSFET-urilor utilizate în mod obișnuit și, desigur, trebuie permisă o anumită marjă în timpul proiectării. Și cu cât tensiunea este mai mare, cu atât viteza de conducere este mai mare și rezistența de conducție este mai mică. Acum există MOSFET-uri cu tensiuni de conducție mai mici utilizate în diferite domenii, dar în sistemele electronice auto de 12V, în general conducția de 4V este suficientă.

 

Pentru circuitul driver MOSFET și pierderile acestuia, vă rugăm să consultați AN799 de potrivire a driverelor MOSFET de la Microchip la MOSFET-uri. Este foarte detaliat, așa că nu voi scrie mai mult.

 

Produsul tensiunii și curentului în momentul conducției este foarte mare, provocând pierderi mari. Reducerea timpului de comutare poate reduce pierderea în timpul fiecărei conducții; reducerea frecvenței de comutare poate reduce numărul de comutatoare pe unitatea de timp. Ambele metode pot reduce pierderile de comutare.

MOSFET este un tip de FET (celălalt este JFET). Poate fi transformat în modul de îmbunătățire sau modul de epuizare, canal P sau canal N, un total de 4 tipuri. Cu toate acestea, este utilizat de fapt doar MOSFET cu canal N în modul de îmbunătățire. și MOSFET cu canal P de tip îmbunătățire, astfel încât NMOS sau PMOS se referă de obicei la aceste două tipuri.

 

5. Circuitul de aplicare MOSFET?

Cea mai semnificativă caracteristică a MOSFET este caracteristicile sale bune de comutare, deci este utilizat pe scară largă în circuitele care necesită comutatoare electronice, cum ar fi sursele de alimentare cu comutare și unități de motor, precum și reglarea luminii.

 

Driverele MOSFET de astăzi au mai multe cerințe speciale:

1. Aplicare de joasă tensiune

Când utilizați o sursă de alimentare de 5 V, dacă în acest moment este utilizată o structură tradițională de pol totem, deoarece tranzistorul are o cădere de tensiune de aproximativ 0,7 V, tensiunea finală reală aplicată porții este de numai 4,3 V. În acest moment, alegem puterea nominală a porții

Există un anumit risc atunci când utilizați un MOSFET de 4,5 V. Aceeași problemă apare și atunci când se utilizează 3V sau alte surse de alimentare de joasă tensiune.

2. Aplicație largă de tensiune

Tensiunea de intrare nu este o valoare fixă, se va modifica cu timpul sau alți factori. Această modificare face ca tensiunea de antrenare furnizată de circuitul PWM către MOSFET să fie instabilă.

Pentru a face MOSFET-urile sigure sub tensiuni de poartă ridicate, multe MOSFET-uri au regulatoare de tensiune încorporate pentru a limita cu forță amplitudinea tensiunii de poartă. În acest caz, atunci când tensiunea de antrenare furnizată depășește tensiunea tubului regulator de tensiune, va cauza un consum mare de energie statică.

În același timp, dacă utilizați pur și simplu principiul diviziunii tensiunii rezistoare pentru a reduce tensiunea porții, MOSFET-ul va funcționa bine atunci când tensiunea de intrare este relativ mare, dar când tensiunea de intrare este redusă, tensiunea de poartă va fi insuficientă, provocând conducție incompletă, crescând astfel consumul de energie.

3. Aplicare cu dublă tensiune

În unele circuite de control, partea logică folosește o tensiune digitală tipică de 5V sau 3,3V, în timp ce partea de putere folosește o tensiune de 12V sau chiar mai mare. Cele două tensiuni sunt conectate la o masă comună.

Acest lucru ridică o cerință de a utiliza un circuit, astfel încât partea de joasă tensiune să poată controla eficient MOSFET-ul pe partea de înaltă tensiune. În același timp, MOSFET-ul de pe partea de înaltă tensiune se va confrunta și cu problemele menționate la 1 și 2.

În aceste trei cazuri, structura polului totem nu poate îndeplini cerințele de ieșire și multe circuite integrate de driver MOSFET disponibile nu par să includă structuri de limitare a tensiunii de poartă.

 

Așa că am proiectat un circuit relativ general pentru a satisface aceste trei nevoi.

​

Circuit de driver pentru NMOS

Aici voi face doar o analiză simplă a circuitului driverului NMOS:

Vl și Vh sunt sursele de alimentare low-end, respectiv high-end. Cele două tensiuni pot fi aceleași, dar Vl nu trebuie să depășească Vh.

Q1 și Q2 formează un totem inversat pentru a obține izolarea, asigurându-se în același timp că cele două tuburi de șofer Q3 și Q4 nu pornesc în același timp.

R2 și R3 furnizează referința de tensiune PWM. Prin schimbarea acestei referințe, circuitul poate fi operat într-o poziție în care forma de undă a semnalului PWM este relativ abruptă.

Q3 și Q4 sunt utilizate pentru a furniza curent de antrenare. Când sunt pornite, Q3 și Q4 au doar o cădere minimă de tensiune de Vce în raport cu Vh și GND. Această cădere de tensiune este de obicei doar de aproximativ 0,3 V, ceea ce este mult mai mic decât Vce de 0,7 V.

R5 și R6 sunt rezistențe de feedback, utilizate pentru a eșantiona tensiunea porții. Tensiunea eșantionată generează un feedback negativ puternic la bazele Q1 și Q2 prin Q5, limitând astfel tensiunea de poartă la o valoare limitată. Această valoare poate fi ajustată prin R5 și R6.

În cele din urmă, R1 oferă limita curentului de bază pentru Q3 și Q4, iar R4 oferă limita curentului de poartă pentru MOSFET, care este limita gheții Q3 și Q4. Dacă este necesar, un condensator de accelerație poate fi conectat în paralel cu R4.

Acest circuit oferă următoarele caracteristici:

1. Folosiți tensiunea de jos și PWM pentru a conduce MOSFET-ul de înaltă.

2. Utilizați un semnal PWM de amplitudine mică pentru a conduce un MOSFET cu cerințe mari de tensiune de poartă.

3. Limita de vârf a tensiunii de poartă

4. Limitele curentului de intrare și ieșire

5. Prin utilizarea rezistențelor adecvate, se poate obține un consum de energie foarte scăzut.

6. Semnalul PWM este inversat. NMOS nu are nevoie de această caracteristică și poate fi rezolvată prin plasarea unui invertor în față.

Atunci când proiectați dispozitive portabile și produse fără fir, îmbunătățirea performanței produsului și extinderea duratei de viață a bateriei sunt două probleme cu care trebuie să se confrunte designerii. Convertoarele DC-DC au avantajele unei eficiențe ridicate, un curent mare de ieșire și un curent de repaus scăzut, făcându-le foarte potrivite pentru alimentarea dispozitivelor portabile. În prezent, principalele tendințe în dezvoltarea tehnologiei de proiectare a convertoarelor DC-DC sunt: ​​(1) Tehnologia de înaltă frecvență: pe măsură ce frecvența de comutare crește, dimensiunea convertorului de comutare este, de asemenea, redusă, densitatea de putere este, de asemenea, mult crescută, iar răspunsul dinamic este îmbunătățit. . Frecvența de comutare a convertoarelor DC-DC de putere redusă se va ridica la nivelul de megaherți. (2) Tehnologie de tensiune joasă de ieșire: Odată cu dezvoltarea continuă a tehnologiei de fabricare a semiconductoarelor, tensiunea de funcționare a microprocesoarelor și dispozitivelor electronice portabile este din ce în ce mai scăzută, ceea ce necesită ca viitoarele convertoare DC-DC să furnizeze o tensiune de ieșire scăzută pentru a se adapta la microprocesoare. cerințe pentru procesoare și dispozitive electronice portabile.

Dezvoltarea acestor tehnologii a impus cerințe mai mari pentru proiectarea circuitelor de cipuri de putere. În primul rând, pe măsură ce frecvența de comutare continuă să crească, se impun cerințe ridicate asupra performanței elementelor de comutare. În același timp, trebuie prevăzute circuite de comandă a elementelor de comutare corespunzătoare pentru a se asigura că elementele de comutare funcționează normal la frecvențe de comutare de până la MHz. În al doilea rând, pentru dispozitivele electronice portabile alimentate cu baterii, tensiunea de lucru a circuitului este scăzută (luând ca exemplu bateriile cu litiu, tensiunea de lucru este de 2,5 ~ 3,6 V), prin urmare, tensiunea de lucru a cipul de putere este scăzută.

 

MOSFET are o rezistență foarte scăzută la pornire și consumă energie redusă. MOSFET este adesea folosit ca comutator de alimentare în cipurile DC-DC de înaltă eficiență populare în prezent. Cu toate acestea, datorită capacității parazitare mari a MOSFET, capacitatea de poartă a tuburilor de comutare NMOS este în general la fel de mare ca zeci de picofarads. Acest lucru impune cerințe mai mari pentru proiectarea circuitului de comandă a tubului de comutare al convertorului DC-DC de înaltă frecvență de operare.

În proiectele ULSI de joasă tensiune, există o varietate de circuite logice CMOS și BiCMOS care utilizează structuri de boost bootstrap și circuite de acționare ca sarcini capacitive mari. Aceste circuite pot funcționa normal cu o tensiune de alimentare mai mică de 1V și pot funcționa la o frecvență de zeci de megaherți sau chiar sute de megaherți cu o capacitate de sarcină de 1 până la 2pF. Acest articol folosește un circuit de amplificare bootstrap pentru a proiecta un circuit de antrenare cu capacitate de antrenare a capacității de sarcină mare, care este potrivit pentru convertoare DC-DC de joasă tensiune și de înaltă frecvență de comutare. Circuitul este proiectat pe baza procesului Samsung AHP615 BiCMOS și verificat prin simularea Hspice. Când tensiunea de alimentare este de 1,5V și capacitatea de sarcină este de 60pF, frecvența de funcționare poate ajunge la mai mult de 5MHz.

​

Caracteristicile de comutare MOSFET

​

1. Caracteristici statice

Ca element de comutare, MOSFET funcționează și în două stări: oprit sau pornit. Deoarece MOSFET este o componentă controlată de tensiune, starea sa de lucru este determinată în principal de tensiunea poarta-sursă uGS.

 

Caracteristicile de lucru sunt următoarele:

※ uGS＜tensiune de pornire UT: MOSFET-ul funcționează în zona de întrerupere, curentul sursei de scurgere iDS este practic 0, tensiunea de ieșire uDS≈UDD și MOSFET-ul este în starea „oprit”.

※ uGS>Tensiune de pornire UT: MOSFET funcționează în regiunea de conducție, curent de scurgere-sursă iDS=UDD/(RD+rDS). Printre acestea, rDS este rezistența sursei de scurgere atunci când MOSFET-ul este pornit. Tensiunea de ieșire UDS=UDD?rDS/(RD+rDS), dacă rDS＜＜RD, uDS≈0V, MOSFET-ul este în starea „pornit”.

2. Caracteristici dinamice

MOSFET are, de asemenea, un proces de tranziție la comutarea între stările de pornire și oprire, dar caracteristicile sale dinamice depind în principal de timpul necesar pentru încărcarea și descărcarea capacității parazite legate de circuit și de acumularea și descărcarea de încărcare atunci când tubul în sine este pornit și oprit. Timpul de disipare este foarte mic.

Când tensiunea de intrare ui se schimbă de la mare la scăzută și MOSFET-ul trece de la starea de pornire la starea oprită, sursa de alimentare UDD încarcă capacitatea parazită CL prin RD și constanta de timp de încărcare τ1=RDCL. Prin urmare, tensiunea de ieșire uo trebuie să treacă printr-o anumită întârziere înainte de a trece de la nivel scăzut la nivel înalt; când tensiunea de intrare ui se schimbă de la joasă la mare și MOSFET-ul trece de la starea oprită la starea pornit, sarcina capacității parazite CL trece prin rDS Descărcarea are loc cu o constantă de timp de descărcare τ2≈rDSCL. Se poate observa că tensiunea de ieșire Uo are nevoie și de o anumită întârziere înainte de a putea trece la un nivel scăzut. Dar, deoarece rDS este mult mai mic decât RD, timpul de conversie de la cut-off la conducție este mai scurt decât timpul de conversie de la conducție la cut-off.

Deoarece rezistența de drenaj-sursă rDS a MOSFET-ului atunci când este pornit este mult mai mare decât rezistența de saturație rCES a tranzistorului, iar rezistența de drenaj extern RD este, de asemenea, mai mare decât rezistența colectorului RC a tranzistorului, timpul de încărcare și descărcare MOSFET-ului este mai lung, ceea ce face ca MOSFET-ul Viteza de comutare este mai mică decât cea a unui tranzistor. Cu toate acestea, în circuitele CMOS, deoarece circuitul de încărcare și circuitul de descărcare sunt ambele circuite cu rezistență scăzută, procesele de încărcare și descărcare sunt relativ rapide, rezultând o viteză mare de comutare pentru circuitul CMOS.