Nagy csomag MOSFET meghajtó áramkör

Mindenekelőtt a MOSFET típusa és szerkezete,MOSFETegy FET (másik a JFET), bővített vagy depletion típusú, P-csatornás vagy N-csatornás, összesen négy típusba gyártható, de a tényleges alkalmazása csak továbbfejlesztett N-csatornás MOSFET-ek és továbbfejlesztett P-csatornás MOSFET-ek, így általában NMOS-nak vagy PMOS-nak nevezik ezt a két típust. E két típusú továbbfejlesztett MOSFET esetében a leggyakrabban használt NMOS, ennek oka az, hogy a bekapcsolási ellenállás kicsi és könnyen gyártható. Ezért az NMOS-t általában kapcsolóüzemű tápegységben és motorhajtási alkalmazásokban használják.

A következő bevezetőben az esetek többségét az NMOS uralja. parazita kapacitás van a MOSFET három érintkezője között, amelyre nincs szükség, de a gyártási folyamat korlátai miatt felmerül. A parazita kapacitás jelenléte kissé bonyolulttá teszi a meghajtó áramkör tervezését vagy kiválasztását. A lefolyó és a forrás között egy parazita dióda található. Ezt testdiódának nevezik, és fontos az induktív terhelések, például a motorok meghajtásánál. Egyébként a testdióda csak az egyes MOSFET-ekben van jelen, és általában nincs benne egy IC chipben.

MOSFETkapcsolási csőveszteség, legyen az NMOS vagy PMOS, miután a bekapcsolási ellenállás vezetése fennáll, így az áram ebben az ellenállásban fogyaszt energiát, az elfogyasztott energiának ezt a részét vezetési veszteségnek nevezzük. Az alacsony bekapcsolási ellenállású MOSFET-ek kiválasztása csökkenti a bekapcsolási ellenállás veszteségét. Manapság a kis teljesítményű MOSFET-ek bekapcsolási ellenállása általában tíz milliohm körül van, és néhány milliohm is rendelkezésre áll. A MOSFET-eket nem szabad egy pillanat alatt befejezni, amikor be- és kikapcsolják őket. A feszültség csökkenésének folyamata a MOSFET két végét, és folyamatban van a rajta átfolyó áram növelése. Ezalatt az idő alatt a MOSFET-ek vesztesége a feszültség szorzata és az áram, amelyet kapcsolási veszteségnek nevezünk. Általában a kapcsolási veszteség sokkal nagyobb, mint a vezetési veszteség, és minél gyorsabb a kapcsolási frekvencia, annál nagyobb a veszteség. A feszültség és az áram szorzata a vezetés pillanatában nagyon nagy, ami nagy veszteségeket eredményez. A kapcsolási idő lerövidítése csökkenti a veszteséget minden egyes vezetésnél; a kapcsolási frekvencia csökkentése csökkenti az egységnyi időre eső kapcsolások számát. Mindkét megközelítés csökkenti a kapcsolási veszteségeket.

A bipoláris tranzisztorokhoz képest általában úgy gondolják, hogy nincs szükség áramra az aMOSFETmindaddig, amíg a GS feszültség egy bizonyos érték felett van. Ezt könnyű megtenni, de szükségünk van a gyorsaságra is. A MOSFET felépítésében látható, hogy a GS és a GD között parazita kapacitás van, és a MOSFET meghajtása tulajdonképpen a kapacitás töltése és kisütése. A kondenzátor feltöltése áramot igényel, mert a kondenzátor azonnali feltöltése rövidzárlatnak tekinthető, így a pillanatnyi áram nagyobb lesz. A MOSFET meghajtó kiválasztásakor/tervezésekor az első dolog, amire figyelni kell, a biztosítható pillanatnyi zárlati áram nagysága.

A második dolog, amit meg kell jegyezni, hogy általában a csúcskategóriás NMOS meghajtókban használják, a bekapcsolt kapu feszültségének nagyobbnak kell lennie, mint a forrásfeszültség. High-end meghajtó MOSFET a forrásfeszültség és a lefolyó feszültség (VCC) ugyanaz, így a kapu feszültsége, mint a VCC 4V vagy 10V. ha ugyanabban a rendszerben, hogy nagyobb feszültséget kapjunk, mint a VCC, akkor a boost áramkörre kell specializálódnunk. Sok motor meghajtó integrált töltőszivattyúval rendelkezik, ezért fontos megjegyezni, hogy a megfelelő külső kapacitást kell kiválasztani, hogy elegendő rövidzárlati áramot kapjon a MOSFET meghajtásához. A 4V vagy a 10V a leggyakrabban használt MOSFET a feszültségen, természetesen a kialakításhoz kell egy bizonyos tartalék. Minél nagyobb a feszültség, annál nagyobb a bekapcsolási sebesség és annál kisebb a bekapcsolási ellenállás. Ma már kisebb bekapcsolt feszültségű MOSFET-eket is használnak a különböző területeken, de a 12V-os autóelektronikai rendszerben általában 4V-os bekapcsolt állapot is elég. elektronikus kapcsolóáramkörök szükségessége, mint például a kapcsolóüzemű tápegység és a motorhajtás, de a világítás tompítása is. Kapcsolóként működő vezetőeszköz, amely egyenértékű a kapcsoló zárásával. NMOS karakterisztikája, egy bizonyos értéknél nagyobb Vgs vezet, alkalmas arra az esetre, ha a forrás földelt (alacsony végű hajtás), amíg a kapu 4V vagy 10V feszültség.PMOS karakterisztikával, egy bizonyos értéknél kisebb Vgs vezet, alkalmas arra az esetre, ha a forrás VCC-hez (high-end drive) van csatlakoztatva. Bár a PMOS könnyen használható csúcskategóriás meghajtóként, az NMOS-t általában csúcskategóriás illesztőprogramokban használják a nagy bekapcsolási ellenállás, a magas ár és a kevés cseretípus miatt.

Most a MOSFET meghajtó alacsony feszültségű alkalmazások, amikor az 5V-os tápegység, ezúttal, ha a hagyományos totemoszlop szerkezetét, mivel a tranzisztor körülbelül 0,7V feszültségesés, ami a tényleges végső hozzá a kapu a A feszültség csak 4,3 V. Ekkor a MOSFET névleges kapufeszültségét 4,5 V-ra választjuk bizonyos kockázatok fennállása alapján. Ugyanez a probléma jelentkezik a 3V-os vagy más alacsony feszültségű tápegység használatakor. Kettős feszültséget használnak egyes vezérlőáramkörökben, ahol a logikai szakasz tipikus 5 V-os vagy 3,3 V-os digitális feszültséget használ, a teljesítményrész pedig 12 V-ot vagy még magasabbat. A két feszültség közös testtel van összekötve. Ez olyan áramkör használatát teszi szükségessé, amely lehetővé teszi az alacsony feszültségű oldalon a MOSFET hatékony vezérlését a nagyfeszültségű oldalon, míg a nagyfeszültségű oldalon lévő MOSFET az 1. és 2. pontban említett problémákkal szembesül. Mindhárom esetben a A totemoszlop szerkezete nem felel meg a kimeneti követelményeknek, és úgy tűnik, hogy sok kész MOSFET meghajtó IC nem tartalmaz kapufeszültséget korlátozó szerkezetet. A bemeneti feszültség nem fix érték, idővel vagy egyéb tényezőkkel változik. Ez a változás instabillá teszi a PWM áramkör által a MOSFET-nek biztosított meghajtófeszültséget. Annak érdekében, hogy a MOSFET biztonságban legyen a nagy kapufeszültségekkel szemben, sok MOSFET beépített feszültségszabályozóval rendelkezik, amely erőteljesen korlátozza a kapufeszültség amplitúdóját.

Ebben az esetben, ha a meghajtó feszültsége meghaladja a szabályozó feszültségét, az nagy statikus energiafogyasztást okoz. Ugyanakkor, ha egyszerűen az ellenállás feszültségosztó elvét használja a kapu feszültségének csökkentésére, akkor viszonylag nagy lesz a feszültség. Magas bemeneti feszültség esetén a MOSFET jól működik, míg a bemeneti feszültség csökken, ha a kapu feszültsége nem elegendő ahhoz, hogy elégtelenül teljes vezetést okozzon, így növelve az energiafogyasztást.

Viszonylag elterjedt áramkör itt csak az NMOS meghajtó áramkörnél egyszerű elemzést végezni: Vl és Vh a low-end, illetve a high-end tápegység, a két feszültség megegyezhet, de Vl nem haladhatja meg a Vh-t. A Q1 és Q2 egy fordított totemoszlopot alkot, amelyet az elkülönítés elérésére használnak, és ezzel egyidejűleg biztosítják, hogy a két Q3 és Q4 meghajtócső ne legyen bekapcsolva egy időben. R2 és R3 adják a PWM feszültségreferenciát, és ennek megváltoztatásával az áramkör jól működhet, és a kapufeszültség nem elegendő az alapos vezetéshez, így nő az áramfelvétel. R2 és R3 adják a PWM feszültségreferenciát, ennek megváltoztatásával hagyhatja, hogy az áramkör a PWM jel hullámformájában működjön viszonylag meredek és egyenes helyzetben. A Q3 és Q4 a hajtásáram biztosítására szolgál, a bekapcsolási idő miatt a Q3 és Q4 a Vh-hoz és a GND-hez viszonyítva csak egy minimális Vce feszültségesést jelent, ez a feszültségesés általában csak 0,3 V, jóval kisebb 0,7 V-nál nagyobb Vce R5 és R6 visszacsatoló ellenállás a kapu feszültség mintavételéhez, a feszültség mintavételezése után a kapu feszültsége visszacsatoló ellenállásként használható a kapufeszültséget, és a minta feszültségét a kapufeszültséghez használjuk. Az R5 és R6 visszacsatoló ellenállások, amelyek a kapufeszültség mintavételezésére szolgálnak, majd ezt a Q5-ön áthaladva erős negatív visszacsatolás jön létre a Q1 és Q2 alapjain, így a kapufeszültséget egy véges értékre korlátozzák. Ez az érték az R5 és R6 gombokkal állítható be. Végül az R1 biztosítja az alapáram korlátozását Q3-ra és Q4-re, az R4 pedig a MOSFET-ek kapuáramának korlátozását, ami a Q3Q4 jégének korlátozása. Szükség esetén az R4 fölé gyorsítókondenzátort lehet párhuzamosan kötni.                                         

Hordozható eszközök és vezeték nélküli termékek tervezésekor a termék teljesítményének javítása és az akkumulátor üzemidejének meghosszabbítása két olyan probléma, amellyel a tervezőknek szembe kell nézniük. A DC-DC konverterek előnye a nagy hatásfok, a nagy kimeneti áram és az alacsony nyugalmi áram, amelyek nagyon alkalmasak a hordozható eszközök táplálására. eszközöket.

A DC-DC konverterek előnyei a nagy hatásfok, a nagy kimeneti áram és az alacsony nyugalmi áram, amelyek nagyon alkalmasak hordozható eszközök táplálására. Jelenleg a DC-DC átalakító tervezési technológia fejlesztésének fő irányai a következők: nagyfrekvenciás technológia: a kapcsolási frekvencia növekedésével a kapcsolókonverter mérete is csökken, a teljesítménysűrűség jelentősen megnőtt, a dinamikus a válaszadás javult. Kicsi

A teljesítmény DC-DC átalakító kapcsolási frekvenciája a megahertzes szintre emelkedik. Alacsony kimeneti feszültségű technológia: A félvezetőgyártási technológia folyamatos fejlődésével a mikroprocesszorok és a hordozható elektronikai berendezések üzemi feszültsége egyre csökken, ami megköveteli, hogy a jövőbeni DC-DC konverter alacsony kimeneti feszültséget tudjon biztosítani a mikroprocesszorhoz és a hordozható elektronikai berendezésekhez való alkalmazkodáshoz, jövőbeli DC-DC átalakítót igényel, amely alacsony kimeneti feszültséget biztosít a mikroprocesszorhoz való alkalmazkodáshoz.

Elegendő ahhoz, hogy alacsony kimeneti feszültséget biztosítson a mikroprocesszorokhoz és hordozható elektronikus berendezésekhez való alkalmazkodáshoz. Ezek a technológiai fejlesztések magasabb követelményeket támasztanak a tápegység chip áramkörök tervezésével szemben. Mindenekelőtt a kapcsolási gyakoriság növekedésével a kapcsolóelemek teljesítménye kerül előtérbe

Magas követelmények a kapcsolóelem teljesítményére vonatkozóan, és rendelkeznie kell a megfelelő kapcsolóelem-meghajtó áramkörrel, hogy a kapcsolóelem kapcsolási frekvenciájában a normál működés megahertzes szintjéig legyen. Másodszor, az elemmel működő hordozható elektronikus eszközök esetében az áramkör üzemi feszültsége alacsony (például lítium akkumulátorok esetében).

Lítium akkumulátorok, például az üzemi feszültség 2,5 ~ 3,6 V), így a tápegység chip az alacsonyabb feszültség.

A MOSFET nagyon alacsony bekapcsolási ellenállású, alacsony energiafogyasztású, a jelenlegi népszerű, nagy hatásfokú DC-DC chipben több MOSFET tápkapcsolóként. A MOSFET-ek nagy parazita kapacitása miatt azonban. Ez magasabb követelményeket támaszt a kapcsolócsöves meghajtó áramkörök tervezésével szemben a nagy üzemi frekvenciájú DC-DC átalakítók tervezéséhez. Különféle CMOS, BiCMOS logikai áramkörök vannak, amelyek bootstrap boost szerkezetet használnak, és meghajtó áramkörök nagy kapacitív terhelésként alacsony feszültségű ULSI kialakításban. Ezek az áramkörök 1 V-nál kisebb feszültség mellett is megfelelően működnek, és 1 ~ 2pF terhelési kapacitás mellett is működhetnek, a frekvencia elérheti a több tíz megabitet vagy akár a több száz megahertzet is. Ebben a cikkben a bootstrap boost áramkört egy nagy terhelési kapacitású meghajtó képesség tervezésére használják, amely alkalmas alacsony feszültségű, nagy kapcsolási frekvencianövelő DC-DC átalakító meghajtó áramkörhöz. Alacsony feszültség és PWM a csúcskategóriás MOSFET-ek meghajtásához. kis amplitúdójú PWM jel a MOSFET-ek magas kapufeszültségigényének kielégítésére.