МОСФЕТ оригинално основно знање и примена

Што се тиче режима исцрпљивањаМОСФЕТссе не користе, није препоручљиво доћи до дна.

За ова два МОСФЕТ-а у режиму побољшања, НМОС се чешће користи. Разлог је тај што је отпорност мала и лака за производњу. Стога се НМОС генерално користи у апликацијама за пребацивање напајања и моторних погона. У следећем уводу се углавном користи НМОС.

Између три пина МОСФЕТ-а постоји паразитски капацитет. Ово није оно што нам треба, већ је узроковано ограничењима производног процеса. Постојање паразитне капацитивности чини га проблематичнијим при пројектовању или избору погонског кола, али не постоји начин да се то избегне. Касније ћемо га детаљно представити.

Између одвода и извора налази се паразитна диода. Ово се зове диода тела. Ова диода је веома важна при покретању индуктивних оптерећења (као што су мотори). Иначе, диода тела постоји само у једном МОСФЕТ-у и обично се не налази унутар чипа интегрисаног кола.

 

2. МОСФЕТ карактеристике проводљивости

Провођење значи деловати као прекидач, што је еквивалентно затварању прекидача.

Карактеристика НМОС-а је да ће се укључити када је Вгс већи од одређене вредности. Погодан је за употребу када је извор уземљен (лов-енд дриве), све док напон капије достигне 4В или 10В.

Карактеристике ПМОС-а су да ће се укључити када је Вгс мањи од одређене вредности, што је погодно за ситуације када је извор повезан на ВЦЦ (хигх-енд дриве). Међутим, иакоПМОСможе се лако користити као хигх-енд драјвер, НМОС се обично користи у хигх-енд драјверима због великог отпора, високе цене и неколико врста замене.

 

3. Губитак цеви МОС прекидача

Било да је у питању НМОС или ПМОС, постоји отпор на укључењу након што се укључи, тако да ће струја трошити енергију на овом отпору. Овај део потрошене енергије назива се губитком проводљивости. Избор МОСФЕТ-а са малим отпором на укључење смањиће губитке у проводљивости. Данашњи отпор на МОСФЕТ мале снаге је углавном око десетина милиома, а постоји и неколико милиома.

Када је МОСФЕТ укључен и искључен, не сме се одмах завршити. Напон на МОС-у има опадајући процес, а струја која тече има процес повећања. Током овог периода,МОСФЕТ'сгубитак је производ напона и струје, који се назива комутациони губитак. Обично су комутациони губици много већи од губитака у проводљивости, и што је фреквенција пребацивања бржа, губици су већи.

Производ напона и струје у тренутку проводљивости је веома велики, што изазива велике губитке. Скраћивање времена укључивања може смањити губитак током сваке проводљивости; смањењем фреквенције пребацивања може се смањити број прекидача по јединици времена. Обе методе могу смањити губитке при пребацивању.

Таласни облик када је МОСФЕТ укључен. Види се да је производ напона и струје у тренутку проводљивости веома велики, а настали губитак је такође веома велики. Смањење времена пребацивања може смањити губитак током сваке проводљивости; смањењем фреквенције пребацивања може се смањити број прекидача по јединици времена. Обе методе могу смањити губитке при пребацивању.

 

4. МОСФЕТ драјвер

У поређењу са биполарним транзисторима, генерално се верује да није потребна струја за укључивање МОСФЕТ-а, све док је ГС напон већи од одређене вредности. Ово је лако урадити, али нам је потребна и брзина.

У структури МОСФЕТ-а се може видети да између ГС и ГД постоји паразитски капацитет, а погон МОСФЕТ-а је заправо пуњење и пражњење кондензатора. За пуњење кондензатора потребна је струја, јер се кондензатор може сматрати кратким спојем у тренутку пуњења, тако да ће тренутна струја бити релативно велика. Прва ствар на коју треба обратити пажњу приликом одабира/дизајнирања МОСФЕТ драјвера је количина тренутне струје кратког споја коју може да обезбеди. ​

Друга ствар коју треба приметити је да НМОС, који се обично користи за хигх-енд вожњу, треба да напон капије буде већи од напона извора када је укључен. Када је МОСФЕТ на високој страни укључен, изворни напон је исти као и напон одвода (ВЦЦ), тако да је напон капије 4В или 10В већи од ВЦЦ у овом тренутку. Ако желите да добијете напон већи од ВЦЦ у истом систему, потребан вам је посебан круг за појачавање. Многи возачи мотора имају интегрисане пумпе за пуњење. Треба напоменути да треба изабрати одговарајући екстерни кондензатор да би се добила довољна струја кратког споја за покретање МОСФЕТ-а.

 

Горе поменути 4В или 10В је напон укључивања најчешће коришћених МОСФЕТ-ова, и наравно мора бити дозвољена одређена маргина током пројектовања. И што је већи напон, већа је брзина проводљивости и мањи је отпор проводљивости. Сада постоје МОСФЕТ-ови са мањим напонима проводљивости који се користе у различитим областима, али у аутомобилским електронским системима од 12 В генерално је довољна проводљивост од 4 В.

 

За коло МОСФЕТ драјвера и његове губитке, погледајте Мицроцхипов АН799 Усклађивање МОСФЕТ драјвера са МОСФЕТ-овима. Веома је детаљан, тако да нећу више писати.

 

Производ напона и струје у тренутку проводљивости је веома велики, што изазива велике губитке. Смањење времена пребацивања може смањити губитак током сваке проводљивости; смањењем фреквенције пребацивања може се смањити број прекидача по јединици времена. Обе методе могу смањити губитке при пребацивању.

МОСФЕТ је врста ФЕТ-а (други је ЈФЕТ). Може се претворити у режим побољшања или режим исцрпљивања, П-канал или Н-канал, укупно 4 типа. Међутим, заправо се користи само Н-канални МОСФЕТ у режиму побољшања. и П-канални МОСФЕТ типа побољшања, тако да се НМОС или ПМОС обично односе на ова два типа.

 

5. МОСФЕТ апликацијско коло?

Најзначајнија карактеристика МОСФЕТ-а су његове добре прекидачке карактеристике, тако да се широко користи у колима која захтевају електронске прекидаче, као што су прекидачка напајања и моторни погони, као и пригушивање осветљења.

 

Данашњи МОСФЕТ драјвери имају неколико посебних захтева:

1. Примена ниског напона

Када се користи напајање од 5В, ако се у овом тренутку користи традиционална структура тотема, пошто транзистор има пад напона од око 0,7В, стварни коначни напон примењен на капију је само 4,3В. У овом тренутку бирамо номиналну снагу капије

Постоји одређени ризик када се користи МОСФЕТ од 4,5 В. Исти проблем се јавља и када користите 3В или друга нисконапонска напајања.

2. Широка примена напона

Улазни напон није фиксна вредност, он ће се мењати са временом или другим факторима. Ова промена узрокује нестабилан погонски напон који ПВМ коло даје МОСФЕТ-у.

Да би МОСФЕТ-ови били безбедни под високим напонима гејта, многи МОСФЕТ-ови имају уграђене регулаторе напона који на силу ограничавају амплитуду напона на капији. У овом случају, када обезбеђени погонски напон премаши напон цеви регулатора напона, то ће изазвати велику статичку потрошњу енергије.

У исто време, ако једноставно користите принцип поделе напона отпорника да смањите напон капије, МОСФЕТ ће добро функционисати када је улазни напон релативно висок, али када се улазни напон смањи, напон капије ће бити недовољан, узрокујући непотпуна проводљивост, чиме се повећава потрошња енергије.

3. Примена двоструког напона

У неким контролним колима, логички део користи типичан дигитални напон од 5В или 3,3В, док део за напајање користи напон од 12В или чак већи. Два напона су повезана на заједничку масу.

Ово поставља захтев за коришћење кола тако да нисконапонска страна може ефикасно да контролише МОСФЕТ на страни високог напона. У исто време, МОСФЕТ на страни високог напона ће се такође суочити са проблемима поменутим у 1 и 2.

У ова три случаја, структура тотемског пола не може да испуни излазне захтеве, а чини се да многи готови МОСФЕТ управљачки ИЦ-ови не укључују структуре за ограничавање напона на капији.

 

Тако сам дизајнирао релативно опште коло да задовољи ове три потребе.

​

Коло драјвера за НМОС

Овде ћу урадити само једноставну анализу кола НМОС драјвера:

Вл и Вх су лов-енд и хигх-енд напајања. Два напона могу бити иста, али Вл не би требало да прелази Вх.

К1 и К2 формирају обрнути тотемски стуб како би се постигла изолација док се обезбеде да се две драјверске цеви К3 и К4 не укључе у исто време.

Р2 и Р3 дају референтни ПВМ напон. Променом ове референце, коло може да ради у позицији где је таласни облик ПВМ сигнала релативно стрм.

К3 и К4 се користе за обезбеђивање струје погона. Када су укључени, К3 и К4 имају само минимални пад напона од Вце у односу на Вх и ГНД. Овај пад напона је обично само око 0,3 В, што је много ниже од Вце од 0,7 В.

Р5 и Р6 су отпорници повратне спреге, који се користе за узорковање напона на капији. Узорковани напон генерише јаку негативну повратну спрегу базама К1 и К2 до К5, ограничавајући напон гејта на ограничену вредност. Ова вредност се може подесити преко Р5 и Р6.

Коначно, Р1 обезбеђује основну границу струје за К3 и К4, а Р4 обезбеђује ограничење струје гејта за МОСФЕТ, што је граница Ице-а К3 и К4. Ако је потребно, кондензатор за убрзање се може повезати паралелно са Р4.

Ово коло пружа следеће карактеристике:

1. Користите ниски напон и ПВМ за покретање МОСФЕТ-а на високој страни.

2. Користите ПВМ сигнал мале амплитуде за покретање МОСФЕТ-а са високим захтевима за напоном гејта.

3. Максимална граница напона на капији

4. Границе улазне и излазне струје

5. Коришћењем одговарајућих отпорника може се постићи веома мала потрошња енергије.

6. ПВМ сигнал је инвертован. НМОС-у није потребна ова функција и може се решити постављањем претварача испред.

Када дизајнирају преносиве уређаје и бежичне производе, побољшање перформанси производа и продужење трајања батерије су два проблема са којима се дизајнери морају суочити. ДЦ-ДЦ претварачи имају предности високе ефикасности, велике излазне струје и ниске струје мировања, што их чини веома погодним за напајање преносних уређаја. Тренутно, главни трендови у развоју технологије дизајна ДЦ-ДЦ претварача су: (1) Високофреквентна технологија: Како се фреквенција пребацивања повећава, величина прекидача се такође смањује, густина снаге се такође значајно повећава, а динамички одговор је побољшан. . Фреквенција пребацивања ДЦ-ДЦ претварача мале снаге ће порасти на ниво мегахерца. (2) Технологија ниског излазног напона: Са континуираним развојем технологије производње полупроводника, радни напон микропроцесора и преносивих електронских уређаја постаје све нижи и нижи, што захтева да будући ДЦ-ДЦ претварачи обезбеђују низак излазни напон за прилагођавање микропроцесорима. захтеви за процесоре и преносиве електронске уређаје.

Развој ових технологија поставио је веће захтеве за пројектовање струјних кола чипова. Пре свега, како фреквенција укључивања наставља да расте, постављају се високи захтеви за перформансе склопних елемената. Истовремено, морају се обезбедити одговарајућа погонска кола прекидачких елемената како би се осигурало да комутациони елементи раде нормално на фреквенцијама пребацивања до МХз. Друго, за преносне електронске уређаје на батерије, радни напон кола је низак (узимајући литијумске батерије као пример, радни напон је 2,5 ~ 3,6 В), стога је радни напон чипа за напајање низак.

 

МОСФЕТ има веома низак отпор и троши ниску енергију. МОСФЕТ се често користи као прекидач за напајање у тренутно популарним високоефикасним ДЦ-ДЦ чиповима. Међутим, због велике паразитске капацитивности МОСФЕТ-а, капацитивност капије НМОС преклопних цеви је генерално висока до десетина пикофарада. Ово поставља веће захтеве за пројектовање ДЦ-ДЦ претварача високе радне фреквенције.

У нисконапонским УЛСИ дизајнима, постоје различита ЦМОС и БиЦМОС логичка кола која користе боотстрап структуре појачања и погонска кола као велика капацитивна оптерећења. Ова кола могу нормално да раде са напоном напајања нижим од 1В и могу радити на фреквенцији од десетина мегахерца или чак стотина мегахерца са капацитетом оптерећења од 1 до 2пФ. Овај чланак користи коло за подизање покрета да би се дизајнирало погонско коло са могућношћу погона са великим капацитетом оптерећења које је погодно за нисконапонске ДЦ-ДЦ претвараче са високом фреквенцијом пребацивања. Коло је дизајнирано на основу Самсунг АХП615 БиЦМОС процеса и верификовано Хспице симулацијом. Када је напон напајања 1,5В и капацитет оптерећења 60пФ, радна фреквенција може достићи више од 5МХз.

​

МОСФЕТ прекидачке карактеристике

​

1. Статичке карактеристике

Као прекидачки елемент, МОСФЕТ такође ради у два стања: искључен или укључен. Пошто је МОСФЕТ компонента која се контролише напоном, његово радно стање је углавном одређено напоном гејт-извор уГС.

 

Радне карактеристике су следеће:

※ уГС＜напон укључивања УТ: МОСФЕТ ради у граничној области, струја одвод-извор иДС је у основи 0, излазни напон уДС≈УДД, а МОСФЕТ је у „искљученом“ стању.

※ уГС>Напон укључивања УТ: МОСФЕТ ради у области проводљивости, струја одвод-извор иДС=УДД/(РД+рДС). Међу њима, рДС је отпор дрејн-извор када је МОСФЕТ укључен. Излазни напон УДС=УДД?рДС/(РД+рДС), ако је рДС＜＜РД, уДС≈0В, МОСФЕТ је у "укљученом" стању.

2. Динамичке карактеристике

МОСФЕТ такође има прелазни процес када се пребацује између укљученог и искљученог стања, али његове динамичке карактеристике углавном зависе од времена потребног за пуњење и пражњење залуталог капацитета који се односи на коло, акумулације и пражњења када је сама цев укључена и искључена. Време дисипације је веома мало.

Када се улазни напон уи промени са високог на ниски и МОСФЕТ промени из укљученог у искључено стање, напајање УДД пуни залутали капацитет ЦЛ кроз РД, а временску константу пуњења τ1=РДЦЛ. Због тога, излазни напон уо треба да прође кроз одређено кашњење пре него што се промени са ниског на високи ниво; када се улазни напон уи промени из ниског у високи и МОСФЕТ промени из искљученог стања у стање укључено, наелектрисање на залуталој капацитивности ЦЛ пролази кроз рДС Пражњење се јавља са временском константом пражњења τ2≈рДСЦЛ. Може се видети да излазном напону Уо такође треба одређено кашњење пре него што може да пређе на низак ниво. Али пошто је рДС много мањи од РД, време конверзије од прекида до проводљивости је краће од времена конверзије од проводљивости до прекида.

Пошто је отпор дрејн-извора рДС МОСФЕТ-а када је укључен много већи од отпора засићења рЦЕС транзистора, а спољни отпор дрена РД је такође већи од отпора колектора РЦ транзистора, време пуњења и пражњења МОСФЕТ-а је дужи, што чини МОСФЕТ-ом. Брзина пребацивања је нижа него код транзистора. Међутим, у ЦМОС колима, пошто су коло за пуњење и коло за пражњење кола ниског отпора, процеси пуњења и пражњења су релативно брзи, што резултира великом брзином пребацивања за ЦМОС коло.