MOSFET eredeti alapismeretek és alkalmazás

Ami a kimerítési módot illetiMOSFET-eknem használják, nem ajánlott az aljára jutni.

E két bővítési módú MOSFET esetében gyakrabban használják az NMOS-t. Ennek az az oka, hogy a bekapcsolási ellenállás kicsi és könnyen gyártható. Ezért az NMOS-t általában kapcsolóüzemű tápegységben és motorhajtási alkalmazásokban használják. A következő bevezetőben leginkább az NMOS-t használjuk.

A MOSFET három érintkezője között parazita kapacitás van. Ez nem az, amire szükségünk van, hanem a gyártási folyamat korlátai okozzák. A parazita kapacitás megléte problémásabbá teszi a meghajtó áramkör tervezését vagy kiválasztását, de ezt nem lehet elkerülni. Később részletesen bemutatjuk.

A lefolyó és a forrás között egy parazita dióda található. Ezt testdiódának hívják. Ez a dióda nagyon fontos induktív terhelések (például motorok) meghajtásakor. A testdióda egyébként csak egyetlen MOSFET-ben létezik, és általában nem található meg egy integrált áramköri chipben.

 

2. MOSFET vezetési jellemzők

Kapcsolóként működő vezető eszköz, amely egyenértékű a kapcsoló zárásával.

Az NMOS jellemzője, hogy akkor kapcsol be, ha a Vgs egy bizonyos értéknél nagyobb. Alkalmas akkor is, ha a forrás földelt (alacsony végű hajtás), mindaddig, amíg a kapufeszültség eléri a 4V-ot vagy a 10V-ot.

A PMOS jellemzői, hogy akkor kapcsol be, ha a Vgs egy bizonyos értéknél kisebb, ami alkalmas olyan helyzetekre, amikor a forrás VCC-hez (high-end drive) csatlakozik. Azonban bárPMOSkönnyen használható csúcskategóriás meghajtóként, az NMOS-t általában csúcskategóriás meghajtókban használják a nagy bekapcsolási ellenállás, a magas ár és a kevés cseretípus miatt.

 

3. MOS kapcsoló csővesztés

Legyen szó NMOS-ról vagy PMOS-ról, bekapcsolás után van egy bekapcsolási ellenállás, így az áram ezen az ellenálláson fogyaszt energiát. Az elfogyasztott energia ezen részét vezetési veszteségnek nevezzük. Kis bekapcsolási ellenállású MOSFET választása csökkenti a vezetési veszteségeket. A mai kis fogyasztású MOSFET bekapcsolási ellenállása általában tíz milliohm körül van, és van néhány milliohm is.

A MOSFET be- és kikapcsolásakor nem szabad azonnal befejeződnie. A MOS feszültsége csökken, az átfolyó áram pedig nő. Ebben az időszakban aMOSFETA veszteség a feszültség és az áram szorzata, amelyet kapcsolási veszteségnek nevezünk. Általában a kapcsolási veszteségek sokkal nagyobbak, mint a vezetési veszteségek, és minél gyorsabb a kapcsolási frekvencia, annál nagyobb a veszteség.

A feszültség és áram szorzata a vezetés pillanatában nagyon nagy, ami nagy veszteségeket okoz. A kapcsolási idő lerövidítése csökkentheti az egyes vezetési veszteségeket; a kapcsolási frekvencia csökkentése csökkentheti az egységnyi időre eső kapcsolások számát. Mindkét módszer csökkentheti a kapcsolási veszteségeket.

A hullámforma, amikor a MOSFET be van kapcsolva. Látható, hogy a feszültség és az áram szorzata a vezetés pillanatában nagyon nagy, és az okozott veszteség is nagyon nagy. A kapcsolási idő csökkentése csökkentheti a veszteséget minden egyes vezetés során; a kapcsolási frekvencia csökkentése csökkentheti az egységnyi időre eső kapcsolások számát. Mindkét módszer csökkentheti a kapcsolási veszteségeket.

 

4. MOSFET meghajtó

A bipoláris tranzisztorokhoz képest általában úgy gondolják, hogy nincs szükség áramra a MOSFET bekapcsolásához, amíg a GS feszültség magasabb, mint egy bizonyos érték. Ezt könnyű megtenni, de szükségünk van a gyorsaságra is.

A MOSFET felépítésén látható, hogy a GS és a GD között parazita kapacitás van, és a MOSFET meghajtása tulajdonképpen a kondenzátor töltése és kisütése. A kondenzátor töltéséhez áram szükséges, mivel a kondenzátor a töltés pillanatában rövidzárlatnak tekinthető, így a pillanatnyi áram viszonylag nagy lesz. Az első dolog, amire figyelni kell a MOSFET meghajtó kiválasztásakor/tervezésekor, az a pillanatnyi rövidzárlati áram mennyisége, amelyet képes biztosítani. )

A második dolog, amit meg kell jegyezni, hogy az NMOS-nak, amelyet általában csúcskategóriás vezetésre használnak, bekapcsoláskor a kapufeszültségnek nagyobbnak kell lennie, mint a forrásfeszültség. Amikor a magas oldalon hajtott MOSFET be van kapcsolva, a forrásfeszültség megegyezik a leeresztő feszültséggel (VCC), tehát a kapufeszültség 4 V-tal vagy 10 V-tal nagyobb, mint a VCC. Ha a VCC-nél nagyobb feszültséget szeretne kapni ugyanabban a rendszerben, akkor speciális erősítő áramkörre van szüksége. Sok motor meghajtó integrált töltőszivattyúval rendelkezik. Meg kell jegyezni, hogy megfelelő külső kondenzátort kell kiválasztani, hogy elegendő rövidzárlati áramot biztosítson a MOSFET meghajtásához.

 

A fent említett 4V vagy 10V az általánosan használt MOSFET-ek bekapcsolási feszültsége, és természetesen a tervezés során egy bizonyos határt meg kell engedni. És minél nagyobb a feszültség, annál nagyobb a vezetési sebesség és annál kisebb a vezetési ellenállás. Ma már vannak kisebb vezetési feszültségű MOSFET-ek, amelyeket különböző területeken használnak, de a 12 V-os autóelektronikai rendszerekben általában a 4 V-os vezetés is elegendő.

 

A MOSFET meghajtó áramkörrel és veszteségeivel kapcsolatban lásd a Microchip AN799 MOSFET illesztőprogramok MOSFET-ekhez illesztését. Nagyon részletes, ezért nem írok többet.

 

A feszültség és áram szorzata a vezetés pillanatában nagyon nagy, ami nagy veszteségeket okoz. A kapcsolási idő csökkentése csökkentheti a veszteséget minden egyes vezetés során; a kapcsolási frekvencia csökkentése csökkentheti az egységnyi időre eső kapcsolások számát. Mindkét módszer csökkentheti a kapcsolási veszteségeket.

A MOSFET a FET egyik típusa (a másik a JFET). Javító módba vagy kimerítő módba tehető, P-csatornás vagy N-csatornás, összesen 4 féle. Valójában azonban csak a bővített módú N-csatornás MOSFET-et használják. és bővítő típusú P-csatornás MOSFET, tehát az NMOS vagy PMOS általában erre a két típusra utal.

 

5. MOSFET alkalmazás áramkör?

A MOSFET legjelentősebb jellemzője a jó kapcsolási karakterisztikája, ezért széles körben alkalmazzák az elektronikus kapcsolót igénylő áramkörökben, mint például a kapcsolóüzemű tápegységek és motorhajtások, valamint a világítás tompítása.

 

A mai MOSFET meghajtóknak számos speciális követelménye van:

1. Kisfeszültségű alkalmazás

Ha 5 V-os tápegységet használunk, ha ilyenkor hagyományos totemoszlop szerkezetet használunk, mivel a tranzisztor feszültségesése körülbelül 0,7 V, a kapura adott tényleges végső feszültség csak 4,3 V. Ekkor a névleges kaputeljesítményt választjuk

4,5 V-os MOSFET használata esetén fennáll bizonyos kockázat. Ugyanez a probléma 3V-os vagy más kisfeszültségű tápegységek használatakor is előfordul.

2. Széles feszültség alkalmazás

A bemeneti feszültség nem fix érték, idővel vagy más tényezőkkel változik. Ez a változás instabillá teszi a PWM áramkör által a MOSFET-nek biztosított hajtófeszültséget.

Annak érdekében, hogy a MOSFET-eket biztonságossá tegyék magas kapufeszültség mellett, sok MOSFET beépített feszültségszabályozóval rendelkezik, amely erőteljesen korlátozza a kapufeszültség amplitúdóját. Ebben az esetben, ha a biztosított meghajtó feszültség meghaladja a feszültségszabályozó cső feszültségét, az nagy statikus energiafogyasztást okoz.

Ugyanakkor, ha egyszerűen az ellenállás feszültségosztásának elvét használja a kapufeszültség csökkentésére, a MOSFET jól fog működni, ha a bemeneti feszültség viszonylag magas, de amikor a bemeneti feszültséget csökkentik, a kapu feszültsége nem lesz elegendő, ami hiányos vezetés, ami növeli az energiafogyasztást.

3. Kettős feszültségű alkalmazás

Egyes vezérlőáramkörökben a logikai rész tipikus 5 V-os vagy 3,3 V-os digitális feszültséget használ, míg a tápegység 12 V-os vagy még magasabb feszültséget használ. A két feszültség közös földre van kötve.

Ez felveti az áramkör használatának követelményét, hogy a kisfeszültségű oldal hatékonyan tudja szabályozni a nagyfeszültségű oldalon lévő MOSFET-et. Ugyanakkor a nagyfeszültségű oldalon lévő MOSFET is szembesül majd az 1. és 2. pontban említett problémákkal.

Ebben a három esetben a totemoszlop szerkezete nem felel meg a kimeneti követelményeknek, és úgy tűnik, hogy sok kész MOSFET meghajtó IC nem tartalmaz kapufeszültséget korlátozó struktúrákat.

 

Ezért egy viszonylag általános áramkört terveztem, hogy megfeleljen ennek a három igénynek.

)

Meghajtó áramkör NMOS-hoz

Itt csak egy egyszerű elemzést fogok végezni az NMOS illesztőprogram áramköréről:

A Vl és a Vh a low-end és a Vh csúcskategóriás tápegységek. A két feszültség lehet azonos, de Vl nem haladhatja meg a Vh-t.

A Q1 és Q2 fordított totemoszlopot alkot, hogy elérje az elszigetelést, miközben biztosítja, hogy a két Q3 és Q4 meghajtócső ne kapcsoljon be egyszerre.

R2 és R3 adják a PWM feszültség referenciaértékét. Ezen referencia megváltoztatásával az áramkör olyan helyzetben üzemeltethető, ahol a PWM jel hullámalakja viszonylag meredek.

A Q3 és Q4 a hajtásáram biztosítására szolgál. Bekapcsolt állapotban a Q3 és Q4 csak minimális Vce feszültségeséssel rendelkezik a Vh-hoz és a GND-hez képest. Ez a feszültségesés általában csak körülbelül 0,3 V, ami sokkal alacsonyabb, mint a 0,7 V Vce.

Az R5 és R6 visszacsatoló ellenállások, amelyek a kapufeszültség mintavételére szolgálnak. A mintavételezett feszültség erős negatív visszacsatolást generál a Q1 és Q2 és Q5 közötti bázisokra, így a kapufeszültséget korlátozott értékre korlátozza. Ez az érték R5 és R6 segítségével állítható.

Végül az R1 biztosítja a Q3 és Q4 alapáramkorlátját, az R4 pedig a MOSFET kapuáramkorlátját, amely a Q3 és Q4 jégének határértéke. Szükség esetén az R4-gyel párhuzamosan gyorsítókondenzátor is csatlakoztatható.

Ez az áramkör a következő tulajdonságokkal rendelkezik:

1. Használjon alacsony oldali feszültséget és PWM-et a felső MOSFET meghajtásához.

2. Használjon kis amplitúdójú PWM jelet a nagy kapufeszültség-igényű MOSFET meghajtásához.

3. A kapufeszültség csúcshatára

4. Bemeneti és kimeneti áramkorlátok

5. Megfelelő ellenállások használatával nagyon alacsony energiafogyasztás érhető el.

6. A PWM jel invertált. Az NMOS-nak nincs szüksége erre a funkcióra, és egy inverter elébe helyezésével megoldható.

Hordozható eszközök és vezeték nélküli termékek tervezésekor a termék teljesítményének javítása és az akkumulátor élettartamának növelése két olyan probléma, amellyel a tervezőknek szembe kell nézniük. A DC-DC konverterek előnyei a nagy hatásfok, a nagy kimeneti áram és az alacsony nyugalmi áram, így kiválóan alkalmasak hordozható eszközök táplálására. Jelenleg a DC-DC átalakító tervezési technológiájának fejlesztésének fő irányai a következők: (1) Nagyfrekvenciás technológia: A kapcsolási frekvencia növekedésével a kapcsolási átalakító mérete is csökken, a teljesítménysűrűség is jelentősen megnő, és a dinamikus válaszadás javul. . A kis teljesítményű DC-DC átalakítók kapcsolási frekvenciája a megahertzes szintre emelkedik. (2) Alacsony kimeneti feszültségű technológia: A félvezetőgyártási technológia folyamatos fejlődésével a mikroprocesszorok és hordozható elektronikai eszközök üzemi feszültsége egyre alacsonyabb, ami megköveteli, hogy a jövőbeni DC-DC átalakítók alacsony kimeneti feszültséget biztosítsanak a mikroprocesszorokhoz való alkalmazkodáshoz. processzorokra és hordozható elektronikus eszközökre vonatkozó követelmények.

Ezeknek a technológiáknak a fejlődése magasabb követelményeket támaszt a teljesítmény-chip áramkörök tervezésével szemben. Mindenekelőtt a kapcsolási frekvencia folyamatos növekedésével a kapcsolóelemek teljesítményével szemben magas követelmények támasztanak. Ugyanakkor megfelelő kapcsolóelem-meghajtó áramköröket kell biztosítani, hogy a kapcsolóelemek normálisan működjenek MHz-ig terjedő kapcsolási frekvencián. Másodszor, az akkumulátorral működő hordozható elektronikai eszközök esetében az áramkör üzemi feszültsége alacsony (például a lítium akkumulátorok üzemi feszültsége 2,5–3,6 V), ezért a tápchip üzemi feszültsége alacsony.

 

A MOSFET nagyon alacsony bekapcsolási ellenállással rendelkezik, és alacsony energiát fogyaszt. A MOSFET-et gyakran használják tápkapcsolóként a jelenleg népszerű, nagy hatásfokú DC-DC chipekben. A MOSFET nagy parazita kapacitása miatt azonban az NMOS kapcsolócsövek kapukapacitása általában több tíz pikofarad is lehet. Ez magasabb követelményeket támaszt a nagy üzemi frekvenciájú DC-DC átalakító kapcsolócsöves meghajtó áramkörének tervezésével szemben.

Az alacsony feszültségű ULSI-tervekben számos CMOS és BiCMOS logikai áramkör létezik, amelyek nagy kapacitív terhelésként bootstrap boost struktúrákat és meghajtó áramköröket használnak. Ezek az áramkörök normálisan működhetnek 1 V-nál alacsonyabb tápfeszültség mellett, és több tíz megahertz vagy akár több száz megahertz frekvencián is működhetnek, 1-2 pF terhelő kapacitással. Ez a cikk egy bootstrap boost áramkört használ nagy terhelési kapacitású meghajtóképességű meghajtó áramkör tervezésére, amely alkalmas alacsony feszültségű, nagy kapcsolási frekvencianövelő DC-DC átalakítókhoz. Az áramkört a Samsung AHP615 BiCMOS folyamat alapján tervezték, és Hspice szimulációval ellenőrizték. Ha a tápfeszültség 1,5 V és a terhelési kapacitás 60 pF, a működési frekvencia elérheti az 5 MHz-et.

)

MOSFET kapcsolási jellemzők

)

1. Statikus jellemzők

A MOSFET kapcsolóelemként két állapotban is működik: kikapcsolt vagy bekapcsolt állapotban. Mivel a MOSFET egy feszültségvezérelt komponens, működési állapotát főként az uGS kapuforrás feszültség határozza meg.

 

A működési jellemzők a következők:

※ uGS＜bekapcsolási feszültség UT: a MOSFET a levágási területen működik, az iDS lefolyó-forrás árama alapvetően 0, a kimeneti feszültség uDS≈UDD, a MOSFET pedig "kikapcsolt" állapotban van.

※ uGS>Bekapcsolási feszültség UT: A MOSFET a vezetési tartományban működik, a lefolyó-forrás árama iDS=UDD/(RD+rDS). Ezek közül az rDS a lefolyóforrás ellenállása, amikor a MOSFET be van kapcsolva. A kimeneti feszültség UDS=UDD?rDS/(RD+rDS), ha rDS＜＜RD, uDS≈0V, akkor a MOSFET "be" állapotban van.

2. Dinamikus jellemzők

A MOSFET-nek van egy átmeneti folyamata is a be- és kikapcsolt állapotok közötti váltáskor, de dinamikus jellemzői elsősorban az áramkörhöz kapcsolódó szórt kapacitás feltöltéséhez és kisütéséhez szükséges időtől, valamint a töltés felhalmozódásától és kisütésétől függenek, amikor maga a cső be- és kikapcsolt állapotban van. Az eloszlási idő nagyon kicsi.

Amikor az ui bemeneti feszültség magasról alacsonyra változik, és a MOSFET bekapcsolt állapotból kikapcsolt állapotba vált, az UDD tápegység a CL szórt kapacitást az RD-n keresztül tölti, és a töltési időállandó τ1=RDCL. Ezért az uo kimeneti feszültségnek bizonyos késleltetésen kell átmennie, mielőtt alacsony szintről magas szintre váltana; amikor az ui bemeneti feszültség alacsonyról magasra változik, és a MOSFET kikapcsolt állapotból bekapcsolt állapotba vált, a CL szórt kapacitás töltése áthalad az rDS-en. A kisülés τ2≈rDSCL kisülési időállandó mellett történik. Látható, hogy az Uo kimeneti feszültségnek is szüksége van egy bizonyos késleltetésre, mielőtt alacsony szintre válthat át. De mivel az rDS sokkal kisebb, mint az RD, a határértéktől a vezetésig való konverziós idő rövidebb, mint a vezetéstől a vezetésig való átalakítási idő.

Mivel a MOSFET leeresztőforrás-ellenállása rDS bekapcsolt állapotban sokkal nagyobb, mint a tranzisztor rCES telítési ellenállása, és az RD külső leeresztő ellenállása is nagyobb, mint a tranzisztor RC kollektor-ellenállása, a töltési és kisütési idő A kapcsolási sebesség kisebb, mint egy tranzisztoré. A CMOS áramkörökben azonban, mivel a töltőáramkör és a kisütési áramkör egyaránt kis ellenállású áramkörök, a töltési és kisütési folyamatok viszonylag gyorsak, ami nagy kapcsolási sebességet eredményez a CMOS áramkör számára.