MOSFET pôvodné základné znalosti a aplikácie

Čo sa týka režimu vyčerpaniaMOSFETysa nepoužívajú, neodporúča sa dostať sa dnu.

Pre tieto dva MOSFETy v režime vylepšenia sa častejšie používa NMOS. Dôvodom je, že odpor je malý a ľahko sa vyrába. Preto sa NMOS vo všeobecnosti používa v aplikáciách spínaného napájania a pohonu motora. V nasledujúcom úvode sa väčšinou používa NMOS.

Medzi tromi kolíkmi MOSFETu je parazitná kapacita. To nie je to, čo potrebujeme, ale je to spôsobené obmedzeniami výrobného procesu. Existencia parazitnej kapacity robí problém pri navrhovaní alebo výbere budiaceho obvodu, ale neexistuje spôsob, ako sa tomu vyhnúť. Podrobne si ho predstavíme neskôr.

Medzi kolektorom a zdrojom je parazitná dióda. Toto sa nazýva telová dióda. Táto dióda je veľmi dôležitá pri poháňaní indukčných záťaží (ako sú motory). Mimochodom, dióda tela existuje iba v jednom MOSFET a zvyčajne sa nenachádza vo vnútri čipu integrovaného obvodu.

 

2. Vodivostné charakteristiky MOSFET

Vodivý prostriedok pôsobiaci ako spínač, ktorý je ekvivalentný tomu, že spínač je zatvorený.

Charakteristikou NMOS je, že sa zapne, keď je Vgs väčšia ako určitá hodnota. Je vhodný na použitie, keď je zdroj uzemnený (low-end pohon), pokiaľ napätie brány dosiahne 4V alebo 10V.

Charakteristikou PMOS je, že sa zapne, keď je Vgs menšia ako určitá hodnota, čo je vhodné pre situácie, keď je zdroj pripojený k VCC (high-end disk). Avšak, hociPMOSmožno ľahko použiť ako špičkový ovládač, NMOS sa zvyčajne používa v špičkových ovládačoch kvôli veľkému odporu, vysokej cene a malému počtu typov náhrad.

 

3. Strata trubice spínača MOS

Či už je to NMOS alebo PMOS, po zapnutí je zapnutý odpor, takže prúd spotrebuje energiu na tento odpor. Táto časť spotrebovanej energie sa nazýva strata vedenia. Výber MOSFET s malým odporom zníži straty vo vedení. Dnešný odpor MOSFET s nízkou spotrebou energie sa vo všeobecnosti pohybuje okolo desiatok miliohmov a existuje aj niekoľko miliohmov.

Keď je MOSFET zapnutý a vypnutý, nesmie sa dokončiť okamžite. Napätie na MOS má klesajúci proces a pretekajúci prúd má rastúci proces. Počas tohto obdobia saMOSFETystrata je súčin napätia a prúdu, ktorý sa nazýva spínacia strata. Straty pri spínaní sú zvyčajne oveľa väčšie ako straty vo vedení a čím rýchlejšia je frekvencia spínania, tým väčšie sú straty.

Súčin napätia a prúdu v momente vedenia je veľmi veľký, čo spôsobuje veľké straty. Skrátenie spínacieho času môže znížiť stratu pri každom vedení; zníženie frekvencie spínania môže znížiť počet prepnutí za jednotku času. Obe metódy môžu znížiť spínacie straty.

Tvar vlny, keď je MOSFET zapnutý. Je vidieť, že súčin napätia a prúdu v momente vedenia je veľmi veľký a spôsobená strata je tiež veľmi veľká. Zníženie spínacieho času môže znížiť stratu pri každom vedení; zníženie frekvencie spínania môže znížiť počet prepnutí za jednotku času. Obe metódy môžu znížiť straty pri prepínaní.

 

4. MOSFET ovládač

V porovnaní s bipolárnymi tranzistormi sa všeobecne verí, že na zapnutie MOSFET nie je potrebný žiadny prúd, pokiaľ je napätie GS vyššie ako určitá hodnota. Je to jednoduché, ale potrebujeme aj rýchlosť.

Na štruktúre MOSFETu je vidieť, že medzi GS a GD je parazitná kapacita a pohon MOSFETu je vlastne nabíjanie a vybíjanie kondenzátora. Nabíjanie kondenzátora vyžaduje prúd, pretože kondenzátor môže byť v momente nabíjania považovaný za skrat, takže okamžitý prúd bude relatívne veľký. Prvá vec, ktorú je potrebné venovať pozornosť pri výbere / navrhovaní ovládača MOSFET, je množstvo okamžitého skratového prúdu, ktorý môže poskytnúť. ​

Druhá vec, ktorú treba poznamenať, je, že NMOS, ktorý sa bežne používa na špičkové riadenie, potrebuje, aby napätie brány bolo pri zapnutí väčšie ako napätie zdroja. Keď je zapnutý MOSFET poháňaný hornou stranou, zdrojové napätie je rovnaké ako vypúšťacie napätie (VCC), takže hradlové napätie je v tomto čase o 4V alebo 10V vyššie ako VCC. Ak chcete v rovnakom systéme získať napätie väčšie ako VCC, potrebujete špeciálny zosilňovací obvod. Mnoho motorových ovládačov má integrované nabíjacie čerpadlá. Treba poznamenať, že by sa mal zvoliť vhodný externý kondenzátor, aby sa získal dostatočný skratový prúd na pohon MOSFET.

 

Vyššie uvedené 4V alebo 10V je zapínacie napätie bežne používaných MOSFETov a samozrejme je potrebné pri návrhu povoliť určitú rezervu. A čím vyššie je napätie, tým vyššia je rýchlosť vedenia a tým menší je odpor vedenia. Teraz sa v rôznych oblastiach používajú MOSFETy s menším vodivým napätím, ale v 12V automobilových elektronických systémoch vo všeobecnosti stačí 4V vodivosť.

 

Pre obvod ovládača MOSFET a jeho straty nájdete v dokumente Microchip AN799 Matching MOSFET Drivers to MOSFET. Je to veľmi podrobné, takže viac písať nebudem.

 

Súčin napätia a prúdu v momente vedenia je veľmi veľký, čo spôsobuje veľké straty. Zníženie spínacieho času môže znížiť stratu pri každom vedení; zníženie frekvencie spínania môže znížiť počet prepnutí za jednotku času. Obe metódy môžu znížiť spínacie straty.

MOSFET je typ FET (druhý je JFET). Môže byť prevedený do režimu vylepšenia alebo režimu vyčerpania, P-kanál alebo N-kanál, celkom 4 typy. V skutočnosti sa však používa iba N-kanálový MOSFET v režime vylepšenia. a P-kanálový MOSFET vylepšenia, takže NMOS alebo PMOS zvyčajne označujú tieto dva typy.

 

5. MOSFET aplikačný obvod?

Najvýznamnejšou charakteristikou MOSFETu sú jeho dobré spínacie vlastnosti, preto je široko používaný v obvodoch, ktoré vyžadujú elektronické spínače, ako sú spínané zdroje a motorové pohony, ako aj stmievanie osvetlenia.

 

Dnešné ovládače MOSFET majú niekoľko špeciálnych požiadaviek:

1. Nízkonapäťová aplikácia

Pri použití 5V napájacieho zdroja, ak sa v tomto čase používa tradičná štruktúra totemu, pretože tranzistor má pokles napätia asi 0,7 V, skutočné konečné napätie aplikované na bránu je iba 4,3 V. V tomto čase volíme nominálny výkon brány

Pri použití 4,5V MOSFET existuje určité riziko. Rovnaký problém sa vyskytuje aj pri použití 3V alebo iných nízkonapäťových zdrojov.

2. Široká aplikácia napätia

Vstupné napätie nie je pevná hodnota, bude sa meniť s časom alebo inými faktormi. Táto zmena spôsobuje, že budiace napätie poskytované obvodom PWM pre MOSFET je nestabilné.

Aby boli MOSFETy bezpečné pri vysokom hradlovom napätí, mnohé MOSFETy majú vstavané regulátory napätia na násilné obmedzenie amplitúdy hradlového napätia. V tomto prípade, keď poskytnuté budiace napätie prekročí napätie trubice regulátora napätia, spôsobí to veľkú statickú spotrebu energie.

Súčasne, ak jednoducho použijete princíp delenia napätia rezistora na zníženie napätia brány, MOSFET bude fungovať dobre, keď je vstupné napätie relatívne vysoké, ale keď sa vstupné napätie zníži, napätie brány bude nedostatočné, čo spôsobí neúplné vedenie, čím sa zvyšuje spotreba energie.

3. Aplikácia s dvojitým napätím

V niektorých riadiacich obvodoch používa logická časť typické digitálne napätie 5V alebo 3,3V, zatiaľ čo výkonová časť používa napätie 12V alebo ešte vyššie. Tieto dve napätia sú pripojené k spoločnej zemi.

To vyvoláva požiadavku na použitie obvodu, aby nízkonapäťová strana mohla efektívne riadiť MOSFET na vysokonapäťovej strane. Zároveň bude MOSFET na strane vysokého napätia čeliť aj problémom uvedeným v 1 a 2.

V týchto troch prípadoch štruktúra totemu nemôže spĺňať požiadavky na výstup a zdá sa, že mnohé bežné integrované obvody MOSFET ovládača neobsahujú štruktúry obmedzujúce napätie hradla.

 

Preto som navrhol relatívne všeobecný obvod, ktorý spĺňal tieto tri potreby.

​

Budiaci obvod pre NMOS

Tu urobím iba jednoduchú analýzu obvodu ovládača NMOS:

Vl a Vh sú low-end a high-end napájacie zdroje. Tieto dve napätia môžu byť rovnaké, ale Vl by nemalo presiahnuť Vh.

Q1 a Q2 tvoria obrátený totem, aby sa dosiahla izolácia a zároveň sa zabezpečilo, že sa dve rúrky ovládača Q3 a Q4 nezapnú súčasne.

R2 a R3 poskytujú referenciu napätia PWM. Zmenou tejto referencie môže byť obvod prevádzkovaný v polohe, kde je priebeh signálu PWM relatívne strmý.

Q3 a Q4 sa používajú na zabezpečenie prúdu pohonu. Keď sú zapnuté, Q3 a Q4 majú iba minimálny pokles napätia Vce vzhľadom na Vh a GND. Tento pokles napätia je zvyčajne len asi 0,3 V, čo je oveľa menej ako Vce 0,7 V.

R5 a R6 sú spätnoväzbové odpory, ktoré sa používajú na vzorkovanie napätia hradla. Vzorkované napätie generuje silnú negatívnu spätnú väzbu na bázy Q1 a Q2 až Q5, čím obmedzuje hradlové napätie na obmedzenú hodnotu. Túto hodnotu je možné upraviť pomocou R5 a R6.

Nakoniec R1 poskytuje limit základného prúdu pre Q3 a Q4 a R4 poskytuje limit prúdu brány pre MOSFET, čo je limit ľadu Q3 a Q4. V prípade potreby je možné paralelne k R4 pripojiť urýchľovací kondenzátor.

Tento obvod poskytuje nasledujúce funkcie:

1. Použite nízke napätie a PWM na pohon tranzistora MOSFET na vysokej strane.

2. Použite signál PWM s malou amplitúdou na riadenie MOSFET s vysokými požiadavkami na napätie hradla.

3. Špičkový limit hradlového napätia

4. Limity vstupného a výstupného prúdu

5. Použitím vhodných rezistorov je možné dosiahnuť veľmi nízku spotrebu energie.

6. Signál PWM je invertovaný. NMOS túto funkciu nepotrebuje a dá sa vyriešiť umiestnením meniča dopredu.

Pri navrhovaní prenosných zariadení a bezdrôtových produktov sú dva problémy, ktorým musia dizajnéri čeliť, zlepšenie výkonu produktu a predĺženie životnosti batérie. DC-DC meniče majú výhody vysokej účinnosti, veľkého výstupného prúdu a nízkeho pokojového prúdu, vďaka čomu sú veľmi vhodné na napájanie prenosných zariadení. V súčasnosti sú hlavnými trendmi vo vývoji technológie konštrukcie meničov DC-DC: (1) Vysokofrekvenčná technológia: So zvyšujúcou sa frekvenciou spínania sa zmenšuje aj veľkosť spínacieho meniča, výrazne sa zvyšuje aj hustota výkonu, a zlepšuje sa dynamická odozva. . Frekvencia spínania konvertorov DC-DC s nízkym výkonom stúpne na úroveň megahertzov. (2) Technológia nízkeho výstupného napätia: S neustálym vývojom technológie výroby polovodičov sa prevádzkové napätie mikroprocesorov a prenosných elektronických zariadení stále znižuje, čo si vyžaduje, aby budúce prevodníky DC-DC poskytovali nízke výstupné napätie na prispôsobenie sa mikroprocesorom. požiadavky na procesory a prenosné elektronické zariadenia.

Vývoj týchto technológií kládol vyššie požiadavky na návrh obvodov výkonových čipov. V prvom rade, keďže frekvencia spínania sa neustále zvyšuje, sú kladené vysoké požiadavky na výkon spínacích prvkov. Súčasne musia byť k dispozícii zodpovedajúce budiace obvody spínacích prvkov, aby sa zabezpečilo, že spínacie prvky normálne pracujú pri spínacích frekvenciách až do MHz. Po druhé, v prípade prenosných elektronických zariadení napájaných batériou je pracovné napätie obvodu nízke (napríklad lítiové batérie, pracovné napätie je 2,5 ~ 3,6 V), a preto je pracovné napätie napájacieho čipu nízke.

 

MOSFET má veľmi nízky odpor a spotrebuje nízku energiu. MOSFET sa často používa ako vypínač v v súčasnosti populárnych vysoko účinných DC-DC čipoch. V dôsledku veľkej parazitnej kapacity MOSFET je však kapacita hradla spínacích elektrónok NMOS vo všeobecnosti vysoká až desiatky pikofaradov. To kladie vyššie požiadavky na návrh vysokofrekvenčného budiaceho obvodu spínacej trubice meniča DC-DC.

V nízkonapäťových konštrukciách ULSI existuje množstvo logických obvodov CMOS a BiCMOS, ktoré využívajú štruktúry bootstrap boost a riadiace obvody ako veľké kapacitné záťaže. Tieto obvody môžu normálne pracovať s napájacím napätím nižším ako 1V a môžu pracovať s frekvenciou desiatok megahertzov alebo dokonca stoviek megahertzov so zaťažovacou kapacitou 1 až 2 pF. Tento článok používa zosilňovací obvod zavádzacieho obvodu na navrhnutie riadiaceho obvodu s veľkou zaťažovacou kapacitou, ktorý je vhodný pre nízkonapäťové a vysoko spínacie frekvenčné zosilňovacie DC-DC konvertory. Obvod je navrhnutý na základe procesu Samsung AHP615 BiCMOS a overený simuláciou Hspice. Keď je napájacie napätie 1,5V a zaťažovacia kapacita 60pF, prevádzková frekvencia môže dosiahnuť viac ako 5MHz.

​

Spínacie charakteristiky MOSFET

​

1. Statické charakteristiky

Ako spínací prvok funguje aj MOSFET v dvoch stavoch: vypnutý alebo zapnutý. Pretože MOSFET je napäťovo riadený komponent, jeho pracovný stav je určený hlavne napätím hradla uGS.

 

Pracovné charakteristiky sú nasledovné:

※ uGS＜zapínacie napätie UT: MOSFET pracuje v oblasti vypnutia, prúd odtokového zdroja iDS je v podstate 0, výstupné napätie uDS≈UDD a MOSFET je vo vypnutom stave.

※ uGS> Zapínacie napätie UT: MOSFET pracuje v oblasti vedenia, prúd odtokového zdroja iDS=UDD/(RD+rDS). Medzi nimi je rDS odpor zdroja odtoku, keď je MOSFET zapnutý. Výstupné napätie UDS=UDD?rDS/(RD+rDS), ak je rDS＜＜RD, uDS≈0V, MOSFET je v stave „zapnuté“.

2. Dynamické charakteristiky

MOSFET má tiež proces prechodu pri prepínaní medzi stavmi zapnutia a vypnutia, ale jeho dynamické charakteristiky závisia hlavne od času potrebného na nabitie a vybitie bludnej kapacity súvisiacej s obvodom a akumulácie a vybitia náboja, keď je samotná elektrónka zapnutá a vypnutá. Čas rozptylu je veľmi malý.

Keď sa vstupné napätie ui zmení z vysokého na nízke a MOSFET sa zmení zo zapnutého stavu do vypnutého, napájací zdroj UDD nabíja rozptylovú kapacitu CL cez RD a časovú konštantu nabíjania τ1=RDCL. Preto musí výstupné napätie uo prejsť určitým oneskorením, kým sa zmení z nízkej úrovne na vysokú; keď sa vstupné napätie ui zmení z nízkeho na vysoké a MOSFET sa zmení z vypnutého stavu do zapnutého, náboj na rozptylovej kapacite CL prechádza cez rDS Vybíjanie nastáva s časovou konštantou vybíjania τ2≈rDSCL. Je vidieť, že výstupné napätie Uo tiež potrebuje určité oneskorenie, kým môže prejsť na nízku úroveň. Ale pretože rDS je oveľa menší ako RD, čas konverzie z prerušenia na vedenie je kratší ako čas premeny z vedenia na prerušenie.

Pretože odpor zdroja odberu rDS tranzistora MOSFET, keď je zapnutý, je oveľa väčší ako odpor saturácie rCES tranzistora a odpor vonkajšieho odberu RD je tiež väčší ako odpor kolektora RC tranzistora, čas nabíjania a vybíjania MOSFET je dlhší, čo robí MOSFET Rýchlosť spínania je nižšia ako rýchlosť tranzistora. Avšak v obvodoch CMOS, keďže nabíjací obvod aj vybíjací obvod sú obvody s nízkym odporom, procesy nabíjania a vybíjania sú relatívne rýchle, čo vedie k vysokej rýchlosti spínania obvodu CMOS.