MOSFET oriģinālās pamatzināšanas un pielietojums

Par to, kāpēc izsmelšanas režīmsMOSFETnetiek lietoti, nav ieteicams nokļūt līdz tā apakšai.

Šiem diviem uzlabošanas režīma MOSFET biežāk tiek izmantots NMOS. Iemesls ir tāds, ka pretestība ir maza un viegli izgatavojama. Tāpēc NMOS parasti izmanto komutācijas barošanas avota un motora piedziņas lietojumos. Nākamajā ievadā galvenokārt tiek izmantots NMOS.

Starp trim MOSFET tapām ir parazitāra kapacitāte. Tas nav tas, kas mums vajadzīgs, bet to izraisa ražošanas procesa ierobežojumi. Parazītiskās kapacitātes esamība padara to apgrūtinošāku, izstrādājot vai izvēloties piedziņas ķēdi, taču nav iespējas no tā izvairīties. Mēs ar to sīkāk iepazīstināsim vēlāk.

Starp kanalizāciju un avotu atrodas parazitārā diode. To sauc par ķermeņa diodi. Šī diode ir ļoti svarīga, vadot induktīvās slodzes (piemēram, motorus). Starp citu, korpusa diode pastāv tikai vienā MOSFET un parasti nav atrodama integrālās shēmas mikroshēmā.

 

2. MOSFET vadīšanas raksturlielumi

Vadošie līdzekļi, kas darbojas kā slēdzis, kas ir līdzvērtīgs slēdža aizvēršanai.

NMOS īpašība ir tāda, ka tā ieslēgsies, kad Vgs ir lielāka par noteiktu vērtību. Tas ir piemērots lietošanai, ja avots ir iezemēts (zemas klases piedziņa), kamēr vārtu spriegums sasniedz 4 V vai 10 V.

PMOS īpašības ir tādas, ka tas ieslēgsies, kad Vgs ir mazāks par noteiktu vērtību, kas ir piemērots situācijām, kad avots ir savienots ar VCC (augstākās klases disku). Tomēr, lai ganPMOSvar viegli izmantot kā augstākās klases draiveri, NMOS parasti tiek izmantots augstākās klases draiveros, jo ir liela pretestība, augsta cena un daži nomaiņas veidi.

 

3. MOS slēdža caurules zudums

Neatkarīgi no tā, vai tā ir NMOS vai PMOS, pēc tā ieslēgšanas pastāv ieslēgšanas pretestība, tāpēc strāva patērēs enerģiju uz šo pretestību. Šo patērētās enerģijas daļu sauc par vadītspējas zudumu. Izvēloties MOSFET ar nelielu ieslēgšanas pretestību, tiks samazināti vadītspējas zudumi. Mūsdienu mazjaudas MOSFET ieslēgšanas pretestība parasti ir aptuveni desmiti miliomi, un ir arī vairāki miliomi.

Kad MOSFET ir ieslēgts un izslēgts, to nedrīkst pabeigt uzreiz. Spriegums pāri MOS samazinās, un plūstošā strāva palielinās. Šajā periodā,MOSFETzudums ir sprieguma un strāvas reizinājums, ko sauc par pārslēgšanas zudumu. Parasti pārslēgšanas zudumi ir daudz lielāki nekā vadītspējas zudumi, un jo ātrāka ir pārslēgšanas frekvence, jo lielāki zaudējumi.

Sprieguma un strāvas reizinājums vadīšanas brīdī ir ļoti liels, radot lielus zudumus. Pārslēgšanas laika saīsināšana var samazināt zaudējumus katras vadīšanas laikā; samazinot pārslēgšanas frekvenci, var samazināt slēdžu skaitu laika vienībā. Abas metodes var samazināt pārslēgšanas zudumus.

Viļņu forma, kad MOSFET ir ieslēgts. Redzams, ka sprieguma un strāvas reizinājums vadīšanas brīdī ir ļoti liels, un arī radītie zaudējumi ir ļoti lieli. Samazinot pārslēgšanas laiku, var samazināt zudumus katras vadīšanas laikā; samazinot pārslēgšanas frekvenci, var samazināt slēdžu skaitu laika vienībā. Abas metodes var samazināt pārslēgšanas zudumus.

 

4. MOSFET draiveris

Salīdzinot ar bipolāriem tranzistoriem, parasti tiek uzskatīts, ka MOSFET ieslēgšanai strāva nav nepieciešama, ja vien GS spriegums ir augstāks par noteiktu vērtību. Tas ir viegli izdarāms, taču mums ir nepieciešams arī ātrums.

MOSFET struktūrā var redzēt, ka starp GS un GD ir parazitāra kapacitāte, un MOSFET vadīšana faktiski ir kondensatora uzlāde un izlāde. Kondensatora lādēšanai ir nepieciešama strāva, jo kondensatoru uzlādes brīdī var uzskatīt par īssavienojumu, tāpēc momentānā strāva būs salīdzinoši liela. Pirmais, kam jāpievērš uzmanība, izvēloties/izstrādājot MOSFET draiveri, ir momentānās īssavienojuma strāvas daudzums, ko tas var nodrošināt. )

Otra lieta, kas jāņem vērā, ir tāda, ka NMOS, ko parasti izmanto augstākās klases braukšanai, ir nepieciešams, lai aizbīdņu spriegums būtu lielāks par avota spriegumu, kad tas ir ieslēgts. Kad ir ieslēgts augstās puses vadītais MOSFET, avota spriegums ir tāds pats kā iztukšošanas spriegums (VCC), tāpēc vārtu spriegums šobrīd ir par 4 V vai 10 V lielāks nekā VCC. Ja tajā pašā sistēmā vēlaties iegūt spriegumu, kas ir lielāks par VCC, jums ir nepieciešama īpaša pastiprināšanas ķēde. Daudziem motoru vadītājiem ir integrēti uzlādes sūkņi. Jāņem vērā, ka ir jāizvēlas atbilstošs ārējais kondensators, lai iegūtu pietiekamu īssavienojuma strāvu MOSFET darbināšanai.

 

Iepriekš minētais 4V vai 10V ir parasti izmantoto MOSFET ieslēgšanas spriegums, un, protams, projektēšanas laikā ir jāatļauj zināma rezerve. Un jo augstāks ir spriegums, jo lielāks vadīšanas ātrums un mazāka vadīšanas pretestība. Tagad dažādās jomās tiek izmantoti MOSFET ar mazāku vadītspējas spriegumu, bet 12V automobiļu elektroniskajās sistēmās parasti pietiek ar 4V vadītspēju.

 

Informāciju par MOSFET draivera ķēdi un tās zudumiem skatiet sadaļā Microchip AN799 MOSFET draiveru saskaņošana ar MOSFET. Tas ir ļoti detalizēts, tāpēc vairāk nerakstīšu.

 

Sprieguma un strāvas reizinājums vadīšanas brīdī ir ļoti liels, radot lielus zudumus. Samazinot pārslēgšanas laiku, var samazināt zudumus katras vadīšanas laikā; samazinot pārslēgšanas frekvenci, var samazināt slēdžu skaitu laika vienībā. Abas metodes var samazināt pārslēgšanas zudumus.

MOSFET ir FET veids (otrs ir JFET). To var pārveidot par uzlabošanas vai izsīkšanas režīmu, P-kanālu vai N-kanālu, kopā 4 veidus. Tomēr faktiski tiek izmantots tikai N-kanāla MOSFET uzlabošanas režīms. un uzlabošanas tipa P-kanāla MOSFET, tāpēc NMOS vai PMOS parasti attiecas uz šiem diviem veidiem.

 

5. MOSFET pielietojuma shēma?

Nozīmīgākā MOSFET īpašība ir tā labie komutācijas raksturlielumi, tāpēc to plaši izmanto ķēdēs, kurām nepieciešami elektroniski slēdži, piemēram, komutācijas barošanas avoti un motora piedziņas, kā arī apgaismojuma aptumšošana.

 

Mūsdienu MOSFET draiveriem ir vairākas īpašas prasības:

1. Zemsprieguma pielietojums

Izmantojot 5 V barošanas avotu, ja pašlaik tiek izmantota tradicionālā totēma pola struktūra, jo tranzistoram ir sprieguma kritums aptuveni 0,7 V, faktiskais gala spriegums, kas tiek pielietots vārtiem, ir tikai 4,3 V. Šajā laikā mēs izvēlamies nominālo vārtu jaudu

Lietojot 4,5 V MOSFET, pastāv zināms risks. Tāda pati problēma rodas arī, izmantojot 3V vai citus zemsprieguma barošanas avotus.

2. Plašs sprieguma pielietojums

Ieejas spriegums nav fiksēta vērtība, tas mainīsies ar laiku vai citiem faktoriem. Šīs izmaiņas noved pie piedziņas sprieguma, ko PWM ķēde nodrošina MOSFET, nestabilitāti.

Lai MOSFET būtu droši zem augsta vārtu sprieguma, daudziem MOSFET ir iebūvēti sprieguma regulatori, lai stingri ierobežotu aizslēga sprieguma amplitūdu. Šādā gadījumā, ja nodrošinātais piedziņas spriegums pārsniedz sprieguma regulatora caurules spriegumu, tas izraisīs lielu statiskās enerģijas patēriņu.

Tajā pašā laikā, ja jūs vienkārši izmantojat rezistoru sprieguma dalīšanas principu, lai samazinātu vārtu spriegumu, MOSFET darbosies labi, ja ieejas spriegums ir relatīvi augsts, bet, kad ieejas spriegums ir samazināts, vārtu spriegums būs nepietiekams, izraisot nepilnīga vadītspēja, tādējādi palielinot enerģijas patēriņu.

3. Divu sprieguma pielietojums

Dažās vadības shēmās loģiskā daļa izmanto tipisku 5V vai 3,3V digitālo spriegumu, savukārt barošanas daļa izmanto 12V vai pat lielāku spriegumu. Abi spriegumi ir savienoti ar kopēju zemējumu.

Tas rada prasību izmantot ķēdi, lai zemsprieguma puse varētu efektīvi kontrolēt MOSFET augstsprieguma pusē. Tajā pašā laikā MOSFET augstsprieguma pusē saskarsies arī ar 1. un 2. punktā minētajām problēmām.

Šajos trīs gadījumos totēma staba struktūra nevar atbilst izvades prasībām, un šķiet, ka daudzās MOSFET draiveru IC nav iekļautas vārtu spriegumu ierobežojošas struktūras.

 

Tāpēc es izstrādāju salīdzinoši vispārīgu shēmu, lai apmierinātu šīs trīs vajadzības.

)

NMOS draivera shēma

Šeit es veikšu tikai vienkāršu NMOS draivera ķēdes analīzi:

Vl un Vh ir attiecīgi zemākās un augstākās klases barošanas avoti. Abi spriegumi var būt vienādi, bet Vl nedrīkst pārsniegt Vh.

Q1 un Q2 veido apgrieztu totēma stabu, lai panāktu izolāciju, vienlaikus nodrošinot, ka divas vadītāja caurules Q3 un Q4 neieslēdzas vienlaikus.

R2 un R3 nodrošina PWM sprieguma atsauci. Mainot šo atsauci, ķēdi var darbināt pozīcijā, kurā PWM signāla viļņu forma ir salīdzinoši stāva.

Q3 un Q4 tiek izmantoti, lai nodrošinātu piedziņas strāvu. Kad tie ir ieslēgti, Q3 un Q4 ir tikai minimālais sprieguma kritums Vce attiecībā pret Vh un GND. Šis sprieguma kritums parasti ir tikai aptuveni 0,3 V, kas ir daudz zemāks nekā Vce 0,7 V.

R5 un R6 ir atgriezeniskās saites rezistori, ko izmanto aizbīdņa sprieguma paraugu ņemšanai. Izlasītais spriegums rada spēcīgu negatīvu atgriezenisko saiti uz Q1 un Q2 līdz Q5 bāzēm, tādējādi ierobežojot aizvara spriegumu līdz ierobežotai vērtībai. Šo vērtību var pielāgot, izmantojot R5 un R6.

Visbeidzot, R1 nodrošina bāzes strāvas ierobežojumu Q3 un Q4, un R4 nodrošina aizbīdņa strāvas ierobežojumu MOSFET, kas ir Q3 un Q4 ledus ierobežojums. Ja nepieciešams, paralēli R4 var pieslēgt paātrinājuma kondensatoru.

Šī shēma nodrošina šādas funkcijas:

1. Izmantojiet zemas puses spriegumu un PWM, lai vadītu augstās puses MOSFET.

2. Izmantojiet mazas amplitūdas PWM signālu, lai vadītu MOSFET ar augstu vārtu sprieguma prasībām.

3. Vārtu sprieguma maksimālā robeža

4. Ieejas un izejas strāvas ierobežojumi

5. Izmantojot atbilstošus rezistorus, var sasniegt ļoti zemu enerģijas patēriņu.

6. PWM signāls ir apgriezts. NMOS šī funkcija nav nepieciešama, un to var atrisināt, novietojot invertoru priekšā.

Izstrādājot pārnēsājamas ierīces un bezvadu produktus, produktu veiktspējas uzlabošana un akumulatora darbības laika pagarināšana ir divas problēmas, ar kurām dizaineriem jāsaskaras. Līdzstrāvas-līdzstrāvas pārveidotājiem ir tādas priekšrocības kā augsta efektivitāte, liela izejas strāva un zema miera strāva, tāpēc tie ir ļoti piemēroti portatīvo ierīču barošanai. Pašlaik galvenās tendences līdzstrāvas-līdzstrāvas pārveidotāja projektēšanas tehnoloģiju attīstībā ir: (1) Augstas frekvences tehnoloģija: palielinoties pārslēgšanas frekvencei, tiek samazināts arī pārslēgšanas pārveidotāja izmērs, kā arī ievērojami palielinās jaudas blīvums, un uzlabojas dinamiskā reakcija. . Mazjaudas līdzstrāvas-līdzstrāvas pārveidotāju pārslēgšanas frekvence pieaugs līdz megahercu līmenim. (2) Zema izejas sprieguma tehnoloģija: nepārtraukti attīstoties pusvadītāju ražošanas tehnoloģijai, mikroprocesoru un portatīvo elektronisko ierīču darba spriegums kļūst arvien zemāks un zemāks, tāpēc nākamajiem līdzstrāvas-līdzstrāvas pārveidotājiem ir jānodrošina zems izejas spriegums, lai pielāgotos mikroprocesoriem. prasības procesoriem un pārnēsājamām elektroniskām ierīcēm.

Šo tehnoloģiju attīstība ir izvirzījusi augstākas prasības jaudas mikroshēmu ķēžu projektēšanai. Pirmkārt, pārslēgšanas biežumam turpinot pieaugt, tiek izvirzītas augstas prasības komutācijas elementu veiktspējai. Tajā pašā laikā ir jānodrošina atbilstošas ​​komutācijas elementu piedziņas ķēdes, lai nodrošinātu komutācijas elementu normālu darbību komutācijas frekvencēs līdz MHz. Otrkārt, ar baterijām darbināmām pārnēsājamām elektroniskām ierīcēm ķēdes darba spriegums ir zems (kā piemēru ņemot litija baterijas, darba spriegums ir 2,5–3,6 V), tāpēc strāvas mikroshēmas darba spriegums ir zems.

 

MOSFET ir ļoti zema ieslēgšanas pretestība un patērē maz enerģijas. MOSFET bieži tiek izmantots kā strāvas slēdzis pašlaik populārajās augstas efektivitātes līdzstrāvas-līdzstrāvas mikroshēmās. Tomēr MOSFET lielās parazitārās kapacitātes dēļ NMOS komutācijas cauruļu vārtu kapacitāte parasti ir desmitiem pikofaradu. Tas izvirza augstākas prasības augstas darba frekvences līdzstrāvas-līdzstrāvas pārveidotāja pārslēgšanas caurules piedziņas ķēdes projektēšanai.

Zemsprieguma ULSI konstrukcijās ir dažādas CMOS un BiCMOS loģiskās shēmas, kurās kā lielas kapacitatīvās slodzes tiek izmantotas bootstrap pastiprināšanas struktūras un piedziņas ķēdes. Šīs shēmas var normāli darboties ar barošanas spriegumu, kas ir zemāks par 1 V, un var darboties ar frekvenci desmitiem megahercu vai pat simtiem megahercu ar slodzes kapacitāti no 1 līdz 2 pF. Šajā rakstā tiek izmantota sāknēšanas pastiprināšanas ķēde, lai izstrādātu piedziņas ķēdi ar lielu slodzes kapacitātes piedziņas spēju, kas ir piemērota zemsprieguma, augstas pārslēgšanas frekvences palielināšanas līdzstrāvas-līdzstrāvas pārveidotājiem. Shēma ir izstrādāta, pamatojoties uz Samsung AHP615 BiCMOS procesu, un pārbaudīta ar Hspice simulāciju. Ja barošanas spriegums ir 1,5 V un slodzes kapacitāte ir 60 pF, darba frekvence var sasniegt vairāk nekā 5 MHz.

)

MOSFET komutācijas raksturlielumi

)

1. Statiskie raksturlielumi

Kā komutācijas elements MOSFET darbojas arī divos stāvokļos: izslēgts vai ieslēgts. Tā kā MOSFET ir ar spriegumu kontrolēta sastāvdaļa, tā darba stāvokli galvenokārt nosaka aizejas avota spriegums uGS.

 

Darba īpašības ir šādas:

※ uGS＜ieslēgšanas spriegums UT: MOSFET darbojas atslēgšanas zonā, drenāžas avota strāva iDS būtībā ir 0, izejas spriegums uDS≈UDD, un MOSFET ir "izslēgtā" stāvoklī.

※ uGS>Ieslēgšanās spriegums UT: MOSFET darbojas vadīšanas reģionā, drenāžas avota strāva iDS=UDD/(RD+rDS). Starp tiem rDS ir drenāžas avota pretestība, kad MOSFET ir ieslēgts. Izejas spriegums UDS=UDD?rDS/(RD+rDS), ja rDS＜＜RD, uDS≈0V, MOSFET ir "ieslēgtā" stāvoklī.

2. Dinamiskie raksturlielumi

MOSFET ir arī pārejas process, pārslēdzoties starp ieslēgšanas un izslēgšanas stāvokļiem, taču tā dinamiskie raksturlielumi galvenokārt ir atkarīgi no laika, kas nepieciešams, lai uzlādētu un izlādētu ar ķēdi saistīto izkliedēto kapacitāti, kā arī no lādiņa uzkrāšanās un izlādes, kad pati caurule ir ieslēgta un izslēgta. Izkliedēšanas laiks ir ļoti mazs.

Kad ieejas spriegums ui mainās no augsta uz zemu un MOSFET pāriet no ieslēgta stāvokļa uz izslēgtu stāvokli, barošanas avots UDD uzlādē izkliedēto kapacitāti CL caur RD un uzlādes laika konstanti τ1=RDCL. Tāpēc izejas spriegumam uo ir jāiziet noteikta aizkave, pirms pāriet no zema līmeņa uz augstu; kad ieejas spriegums ui mainās no zema uz augstu un MOSFET pāriet no izslēgta stāvokļa uz ieslēgtu stāvokli, izkliedētās kapacitātes CL lādiņš iet caur rDS Izlāde notiek ar izlādes laika konstanti τ2≈rDSCL. Var redzēt, ka arī izejas spriegumam Uo ir nepieciešama zināma aizkave, lai tas varētu pāriet uz zemu līmeni. Bet, tā kā rDS ir daudz mazāks par RD, pārveidošanas laiks no atslēgšanas līdz vadītspējai ir īsāks nekā pārvēršanas laiks no vadītspējas līdz nogriešanai.

Tā kā MOSFET drenāžas avota pretestība rDS, kad tas ir ieslēgts, ir daudz lielāka par tranzistora piesātinājuma pretestību rCES, un ārējā drenāžas pretestība RD ir arī lielāka par tranzistora kolektora pretestību RC, uzlādes un izlādes laiks. MOSFET ir garāks, padarot MOSFET Pārslēgšanās ātrums ir mazāks nekā tranzistoram. Tomēr CMOS shēmās, tā kā gan uzlādes ķēde, gan izlādes ķēde ir zemas pretestības ķēdes, uzlādes un izlādes procesi notiek salīdzinoši ātri, kā rezultātā CMOS ķēdei ir liels pārslēgšanās ātrums.