MOSFET oorspronklike basiese kennis en toepassing

Soos vir hoekom uitputting afMOSFET'sword nie gebruik nie, word dit nie aanbeveel om tot die onderkant daarvan te kom nie.

Vir hierdie twee verbeteringsmodus-MOSFET's word NMOS meer algemeen gebruik. Die rede is dat die aan-weerstand klein is en maklik is om te vervaardig. Daarom word NMOS oor die algemeen gebruik om kragtoevoer- en motoraandrywingtoepassings te skakel. In die volgende inleiding word NMOS meestal gebruik.

Daar is 'n parasitiese kapasitansie tussen die drie penne van die MOSFET. Dit is nie wat ons nodig het nie, maar word veroorsaak deur vervaardigingsprosesbeperkings. Die bestaan ​​van parasitiese kapasitansie maak dit meer lastig wanneer 'n dryfkring ontwerp of gekies word, maar daar is geen manier om dit te vermy nie. Ons sal dit later in detail bekendstel.

Daar is 'n parasitiese diode tussen die drein en bron. Dit word die liggaamsdiode genoem. Hierdie diode is baie belangrik wanneer induktiewe vragte (soos motors) aangedryf word. Terloops, die liggaamsdiode bestaan ​​net in 'n enkele MOSFET en word gewoonlik nie binne 'n geïntegreerde stroombaanskyfie gevind nie.

 

2. MOSFET geleiding eienskappe

Geleiding beteken om as 'n skakelaar op te tree, wat gelykstaande is aan die skakelaar wat gesluit is.

Die kenmerk van NMOS is dat dit sal aanskakel wanneer Vgs groter is as 'n sekere waarde. Dit is geskik vir gebruik wanneer die bron geaard is (lae-end-aandrywing), solank die hekspanning 4V of 10V bereik.

Die kenmerke van PMOS is dat dit sal aanskakel wanneer Vgs minder as 'n sekere waarde is, wat geskik is vir situasies waar die bron aan VCC (hoë-end-aandrywing) gekoppel is. Egter, hoewelPMOSkan maklik as 'n hoë-end bestuurder gebruik word, NMOS word gewoonlik gebruik in hoë-end bestuurders as gevolg van groot weerstand, hoë prys, en min vervanging tipes.

 

3. MOS skakel buis verlies

Of dit nou NMOS of PMOS is, daar is 'n aan-weerstand nadat dit aangeskakel is, so die stroom sal energie op hierdie weerstand verbruik. Hierdie deel van die energie wat verbruik word, word geleidingsverlies genoem. Die keuse van 'n MOSFET met 'n klein aan-weerstand sal geleidingsverliese verminder. Vandag se lae-krag MOSFET aan-weerstand is oor die algemeen ongeveer tientalle milliohm, en daar is ook verskeie milliohm.

Wanneer die MOSFET aan- en afgeskakel word, moet dit nie onmiddellik voltooi word nie. Die spanning oor die MOS het 'n dalende proses, en die vloeiende stroom het 'n toenemende proses. Gedurende hierdie tydperk het dieMOSFET'sverlies is die produk van spanning en stroom, wat skakelverlies genoem word. Gewoonlik is skakelverliese baie groter as geleidingsverliese, en hoe vinniger die skakelfrekwensie, hoe groter is die verliese.

Die produk van spanning en stroom op die oomblik van geleiding is baie groot, wat groot verliese veroorsaak. Verkorting van die skakeltyd kan die verlies tydens elke geleiding verminder; die vermindering van die skakelfrekwensie kan die aantal skakelaars per tydseenheid verminder. Beide metodes kan skakelverliese verminder.

Die golfvorm wanneer die MOSFET aangeskakel is. Dit kan gesien word dat die produk van spanning en stroom op die oomblik van geleiding baie groot is, en die verlies wat veroorsaak word, is ook baie groot. Die vermindering van die skakeltyd kan die verlies tydens elke geleiding verminder; die vermindering van die skakelfrekwensie kan die aantal skakelaars per tydseenheid verminder. Beide metodes kan skakelverliese verminder.

 

4. MOSFET drywer

In vergelyking met bipolêre transistors, word daar algemeen geglo dat geen stroom nodig is om 'n MOSFET aan te skakel nie, solank die GS-spanning hoër as 'n sekere waarde is. Dit is maklik om te doen, maar ons het ook spoed nodig.

Dit kan in die struktuur van die MOSFET gesien word dat daar 'n parasitiese kapasitansie tussen GS en GD is, en die aandrywing van die MOSFET is eintlik die laai en ontlading van die kapasitor. Om die kapasitor te laai vereis 'n stroom, want die kapasitor kan op die oomblik van laai as 'n kortsluiting beskou word, dus sal die oombliklike stroom relatief groot wees. Die eerste ding waaraan u aandag moet gee wanneer u 'n MOSFET-bestuurder kies/ontwerp, is die hoeveelheid oombliklike kortsluitstroom wat dit kan verskaf. ,

Die tweede ding om op te let is dat NMOS, wat algemeen gebruik word vir hoë-end bestuur, die hekspanning nodig het om groter te wees as die bronspanning wanneer dit aangeskakel word. Wanneer die hoëkant-aangedrewe MOSFET aangeskakel word, is die bronspanning dieselfde as die dreinspanning (VCC), dus is die hekspanning op hierdie tydstip 4V of 10V groter as VCC. As jy 'n spanning groter as VCC in dieselfde stelsel wil kry, benodig jy 'n spesiale hupstootkring. Baie motorbestuurders het geïntegreerde ladingpompe. Daar moet kennis geneem word dat 'n toepaslike eksterne kapasitor gekies moet word om voldoende kortsluitstroom te verkry om die MOSFET aan te dryf.

 

Die 4V of 10V hierbo genoem is die aanskakelspanning van algemeen gebruikte MOSFET's, en natuurlik moet 'n sekere marge toegelaat word tydens ontwerp. En hoe hoër die spanning, hoe vinniger is die geleidingspoed en hoe kleiner is die geleidingsweerstand. Nou is daar MOSFET's met kleiner geleidingspannings wat in verskillende velde gebruik word, maar in 12V-motorelektroniese stelsels is oor die algemeen 4V-geleiding genoeg.

 

Vir die MOSFET-drywerkring en sy verliese, verwys asseblief na Microchip se AN799 Matching MOSFET Drivers to MOSFETs. Dit is baie gedetailleerd, so ek sal nie meer skryf nie.

 

Die produk van spanning en stroom op die oomblik van geleiding is baie groot, wat groot verliese veroorsaak. Die vermindering van die skakeltyd kan die verlies tydens elke geleiding verminder; die vermindering van die skakelfrekwensie kan die aantal skakelaars per tydseenheid verminder. Beide metodes kan skakelverliese verminder.

MOSFET is 'n tipe VOO (die ander is JFET). Dit kan gemaak word in verbeteringsmodus of uitputtingsmodus, P-kanaal of N-kanaal, 'n totaal van 4 tipes. Slegs verbeteringsmodus N-kanaal MOSFET word egter eintlik gebruik. en verbetering-tipe P-kanaal MOSFET, dus verwys NMOS of PMOS gewoonlik na hierdie twee tipes.

 

5. MOSFET toepassing kring?

Die belangrikste kenmerk van MOSFET is sy goeie skakeleienskappe, dus word dit wyd gebruik in stroombane wat elektroniese skakelaars benodig, soos omskakeling van kragbronne en motoraandrywings, sowel as beligtingverduistering.

 

Vandag se MOSFET-bestuurders het verskeie spesiale vereistes:

1. Lae spanning toepassing

Wanneer 'n 5V-kragbron gebruik word, as 'n tradisionele totempaalstruktuur op hierdie tydstip gebruik word, aangesien die transistor 'n spanningsval van ongeveer 0.7V het, is die werklike finale spanning wat aan die hek toegepas word slegs 4.3V. Op hierdie tydstip kies ons die nominale hekkrag

Daar is 'n sekere risiko wanneer 'n 4.5V MOSFET gebruik word. Dieselfde probleem kom ook voor wanneer 3V of ander lae-spanning kragbronne gebruik word.

2. Wye spanning toepassing

Die insetspanning is nie 'n vaste waarde nie, dit sal verander met tyd of ander faktore. Hierdie verandering veroorsaak dat die dryfspanning wat deur die PWM-kring aan die MOSFET verskaf word, onstabiel is.

Ten einde MOSFET's veilig te maak onder hoë hekspannings, het baie MOSFET's ingeboude spanningsreguleerders om die amplitude van die hekspanning kragtig te beperk. In hierdie geval, wanneer die verskafde dryfspanning die spanning van die spanningreguleerderbuis oorskry, sal dit groot statiese kragverbruik veroorsaak.

Terselfdertyd, as jy bloot die beginsel van weerstandspanningsverdeling gebruik om die hekspanning te verminder, sal die MOSFET goed werk wanneer die insetspanning relatief hoog is, maar wanneer die insetspanning verminder word, sal die hekspanning onvoldoende wees, wat veroorsaak dat onvolledige geleiding, waardeur kragverbruik verhoog word.

3. Dubbele spanning toepassing

In sommige beheerkringe gebruik die logiese deel 'n tipiese 5V of 3.3V digitale spanning, terwyl die kragdeel 'n spanning van 12V of selfs hoër gebruik. Die twee spannings is aan 'n gemeenskaplike grond gekoppel.

Dit stel 'n vereiste om 'n stroombaan te gebruik sodat die laespanningkant die MOSFET effektief aan die hoëspanningskant kan beheer. Terselfdertyd sal die MOSFET aan die hoogspanningskant ook die probleme ondervind wat in 1 en 2 genoem word.

In hierdie drie gevalle kan die totempaalstruktuur nie aan die uitsetvereistes voldoen nie, en dit lyk asof baie van die rak MOSFET-aandrywer-IC's nie hekspanningbeperkende strukture insluit nie.

 

Ek het dus 'n relatief algemene stroombaan ontwerp om aan hierdie drie behoeftes te voldoen.

,

Bestuurderkring vir NMOS

Hier sal ek slegs 'n eenvoudige ontleding van die NMOS-bestuurderkring doen:

Vl en Vh is die lae-end en hoë-end kragbronne onderskeidelik. Die twee spannings kan dieselfde wees, maar Vl moet nie Vh oorskry nie.

Q1 en Q2 vorm 'n omgekeerde totempaal om isolasie te bewerkstellig terwyl dit verseker word dat die twee aandrywerbuise Q3 en Q4 nie gelyktydig aanskakel nie.

R2 en R3 verskaf die PWM-spanningsverwysing. Deur hierdie verwysing te verander, kan die stroombaan in 'n posisie bedryf word waar die PWM-seingolfvorm relatief steil is.

Q3 en Q4 word gebruik om dryfstroom te verskaf. Wanneer aangeskakel, het Q3 en Q4 slegs 'n minimum spanningsval van Vce relatief tot Vh en GND. Hierdie spanningsval is gewoonlik net sowat 0.3V, wat baie laer is as die Vce van 0.7V.

R5 en R6 is terugvoerweerstande wat gebruik word om die hekspanning te monster. Die gemonsterde spanning genereer 'n sterk negatiewe terugvoer na die basisse van Q1 en Q2 deur Q5, en beperk dus die hekspanning tot 'n beperkte waarde. Hierdie waarde kan deur R5 en R6 aangepas word.

Laastens verskaf R1 die basisstroomlimiet vir Q3 en Q4, en R4 verskaf die hekstroomlimiet vir die MOSFET, wat die limiet van die Ice van Q3 en Q4 is. Indien nodig kan 'n versnellingskapasitor parallel aan R4 gekoppel word.

Hierdie stroombaan bied die volgende kenmerke:

1. Gebruik laekantspanning en PWM om die hoëkant MOSFET aan te dryf.

2. Gebruik 'n klein amplitude PWM sein om 'n MOSFET met hoë hekspanning vereistes aan te dryf.

3. Piekgrens van hekspanning

4. Inset- en uitsetstroomlimiete

5. Deur toepaslike resistors te gebruik, kan baie lae kragverbruik bereik word.

6. Die PWM-sein word omgekeer. NMOS het nie hierdie kenmerk nodig nie en kan opgelos word deur 'n omskakelaar voor te plaas.

Wanneer draagbare toestelle en draadlose produkte ontwerp word, is die verbetering van produkprestasie en die verlenging van batterylewe twee kwessies wat ontwerpers in die gesig staar. GS-GS-omsetters het die voordele van hoë doeltreffendheid, groot uitsetstroom en lae russtroom, wat hulle baie geskik maak om draagbare toestelle aan te dryf. Tans is die hoofneigings in die ontwikkeling van GS-GS-omsetterontwerptegnologie: (1) Hoëfrekwensietegnologie: Soos die skakelfrekwensie toeneem, word die grootte van die skakelomsetter ook verminder, die kragdigtheid word ook aansienlik verhoog, en die dinamiese reaksie word verbeter. . Die skakelfrekwensie van lae-krag GS-GS-omsetters sal tot die megahertz-vlak styg. (2) Lae uitsetspanningstegnologie: Met die voortdurende ontwikkeling van halfgeleiervervaardigingstegnologie word die bedryfspanning van mikroverwerkers en draagbare elektroniese toestelle al hoe laer, wat vereis dat toekomstige GS-GS-omsetters lae uitsetspanning verskaf om by mikroverwerkers aan te pas. vereistes vir verwerkers en draagbare elektroniese toestelle.

Die ontwikkeling van hierdie tegnologieë het hoër vereistes vir die ontwerp van kragskyfiekringe gestel. Eerstens, namate die skakelfrekwensie aanhou toeneem, word hoë vereistes aan die werkverrigting van skakelelemente gestel. Terselfdertyd moet ooreenstemmende skakelelementaandrywingkringe voorsien word om te verseker dat die skakelelemente normaal werk by skakelfrekwensies tot by MHz. Tweedens, vir battery-aangedrewe draagbare elektroniese toestelle, is die werkspanning van die stroombaan laag (met litiumbatterye as 'n voorbeeld, die werkspanning is 2,5 ~ 3,6V), daarom is die werkspanning van die kragskyfie laag.

 

MOSFET het baie lae aanweerstand en verbruik lae energie. MOSFET word dikwels gebruik as 'n kragskakelaar in tans gewilde hoë-doeltreffendheid DC-DC skyfies. As gevolg van die groot parasitiese kapasitansie van MOSFET, is die hekkapasitansie van NMOS-skakelbuise egter oor die algemeen so hoog as tientalle picofarads. Dit stel hoër vereistes vir die ontwerp van hoë bedryfsfrekwensie GS-GS-omskakelaar-skakelbuis-dryfkring.

In laespanning ULSI-ontwerpe is daar 'n verskeidenheid CMOS- en BiCMOS-logikakringe wat selflaai-versterkingstrukture en dryfkringe as groot kapasitiewe ladings gebruik. Hierdie stroombane kan normaal werk met 'n kragtoevoerspanning laer as 1V, en kan werk teen 'n frekwensie van tien megahertz of selfs honderde megahertz met 'n las kapasitansie van 1 tot 2pF. Hierdie artikel gebruik 'n selflaai-versterkingkring om 'n dryfkring met 'n groot las-kapasitansie-aandrywingvermoë te ontwerp wat geskik is vir laespanning, hoë skakelfrekwensieversterking GS-GS-omsetters. Die stroombaan is ontwerp gebaseer op Samsung AHP615 BiCMOS-proses en geverifieer deur Hspice-simulasie. Wanneer die toevoerspanning 1.5V is en die laskapasitansie 60pF is, kan die bedryfsfrekwensie meer as 5MHz bereik.

,

MOSFET skakel eienskappe

,

1. Statiese eienskappe

As 'n skakelelement werk MOSFET ook in twee toestande: af of aan. Aangesien MOSFET 'n spanningsbeheerde komponent is, word sy werktoestand hoofsaaklik bepaal deur die hek-bron spanning uGS.

 

Die werkeienskappe is soos volg:

※ uGS＜aanskakelspanning UT: MOSFET werk in die afsnygebied, die drein-bronstroom iDS is basies 0, die uitsetspanning uDS≈UDD, en die MOSFET is in die "af"-toestand.

※ uGS>Aanskakelspanning UT: MOSFET werk in die geleidingstreek, dreineerbronstroom iDS=UDD/(RD+rDS). Onder hulle is rDS die drein-bronweerstand wanneer die MOSFET aangeskakel word. Die uitsetspanning UDS=UDD?rDS/(RD+rDS), indien rDS＜＜RD, uDS≈0V, is die MOSFET in die "aan"-toestand.

2. Dinamiese eienskappe

MOSFET het ook 'n oorgangsproses wanneer daar tussen aan- en af-toestande geskakel word, maar die dinamiese kenmerke daarvan hang hoofsaaklik af van die tyd wat nodig is om die strooikapasitansie wat verband hou met die stroombaan te laai en te ontlaai, en die ladingophoping en -ontlading wanneer die buis self aan en af ​​is Die dissipasie tyd is baie klein.

Wanneer die insetspanning ui van hoog na laag verander en die MOSFET verander van die aan-toestand na die af-toestand, laai die kragtoevoer UDD die dwaalkapasitansie CL deur RD, en die laaitydkonstante τ1=RDCL. Daarom moet die uitsetspanning uo deur 'n sekere vertraging gaan voordat dit van lae vlak na hoë vlak verander; wanneer die insetspanning ui van laag na hoog verander en die MOSFET verander van die af-toestand na die aan-toestand, gaan die lading op die verdwaalde kapasitansie CL deur rDS Ontlading vind plaas met 'n ontladingstydkonstante τ2≈rDSCL. Dit kan gesien word dat die uitsetspanning Uo ook 'n sekere vertraging benodig voordat dit na 'n lae vlak kan oorgaan. Maar omdat rDS baie kleiner as RD is, is die omskakelingstyd vanaf afsnypunt na geleiding korter as die omskakelingstyd van geleiding na afsnypunt.

Aangesien die drein-bronweerstand rDS van die MOSFET wanneer dit aangeskakel is baie groter is as die versadigingsweerstand rCES van die transistor, en die eksterne dreinweerstand RD ook groter is as die kollektorweerstand RC van die transistor, is die laai- en ontladingstyd van die MOSFET is langer, wat die MOSFET maak Die skakelspoed is laer as dié van 'n transistor. In CMOS-stroombane, aangesien die laaikring en die ontlaaikring beide lae-weerstandstroombane is, is die laai- en ontladingsprosesse relatief vinnig, wat lei tot 'n hoë skakelspoed vir die CMOS-kring.