MOSFET оригинални основни знаења и примена

Што се однесува до тоа зошто режимот на исцрпувањеМОСФЕТИне се користат, не се препорачува да се дојде до дното на него.

За овие два MOSFET-и во режим на подобрување, NMOS почесто се користи. Причината е што отпорот е мал и лесен за производство. Затоа, NMOS генерално се користи во апликациите за префрлување напојување и погон на моторот. Во следниот вовед најмногу се користи NMOS.

Постои паразитски капацитет помеѓу трите пинови на MOSFET. Ова не е она што ни треба, туку е предизвикано од ограничувањата на производниот процес. Постоењето на паразитски капацитет го прави попроблематички при дизајнирање или избор на погонско коло, но не постои начин да се избегне. Подоцна ќе го претставиме подетално.

Помеѓу одводот и изворот има паразитска диода. Ова се нарекува диода на телото. Оваа диода е многу важна кога возите индуктивни оптоварувања (како што се моторите). Патем, диодата на телото постои само во еден MOSFET и обично не се наоѓа во чип на интегрирано коло.

 

2. Карактеристики на спроводливост на MOSFET

Спроведувањето значи да дејствува како прекинувач, што е еквивалентно на затворањето на прекинувачот.

Карактеристика на NMOS е тоа што ќе се вклучи кога Vgs е поголема од одредена вредност. Погоден е за употреба кога изворот е заземјен (погон од ниска класа), се додека напонот на портата достигне 4V или 10V.

Карактеристиките на PMOS се дека ќе се вклучи кога Vgs е помала од одредена вредност, што е погодно за ситуации кога изворот е поврзан со VCC (висока класа). Сепак, иакоПМОСможе лесно да се користи како двигател од висока класа, NMOS обично се користи во драјвери од висока класа поради големиот отпор, високата цена и малкуте типови на замена.

 

3. Губење на цевката на прекинувачот MOS

Без разлика дали е NMOS или PMOS, постои отпор на вклученост откако ќе се вклучи, така што струјата ќе троши енергија на овој отпор. Овој дел од потрошената енергија се нарекува загуба на спроводливост. Изборот на MOSFET со мал отпор за вклучување ќе ги намали загубите во спроводливоста. Денешниот отпор на MOSFET со мала моќност е генерално околу десетици милиоми, а има и неколку милиоми.

Кога MOSFET-от е вклучен и исклучен, тој не смее да се комплетира веднаш. Напонот преку MOS има процес на намалување, а струјата што тече има процес на зголемување. Во овој период, наMOSFET'sзагубата е производ на напонот и струјата, што се нарекува загуба при прекинување. Обично загубите при префрлување се многу поголеми од загубите на спроводливоста и колку е поголема фреквенцијата на префрлување, толку се поголеми загубите.

Производот на напонот и струјата во моментот на спроводливост е многу голем, предизвикувајќи големи загуби. Скратувањето на времето на префрлување може да ја намали загубата за време на секое спроведување; намалувањето на фреквенцијата на префрлување може да го намали бројот на прекинувачи по единица време. Двата методи можат да ги намалат загубите при префрлување.

Бранова форма кога е вклучен MOSFET. Може да се види дека производот на напонот и струјата во моментот на спроводливост е многу голем, а причинетата загуба е исто така многу голема. Намалувањето на времето на префрлување може да ја намали загубата за време на секое спроведување; намалувањето на фреквенцијата на префрлување може да го намали бројот на прекинувачи по единица време. Двата методи можат да ги намалат загубите при префрлување.

 

4. Двигател на MOSFET

Во споредба со биполарните транзистори, општо се верува дека не е потребна струја за да се вклучи MOSFET, се додека напонот на GS е повисок од одредена вредност. Ова е лесно да се направи, но ни треба и брзина.

Во структурата на MOSFET може да се види дека постои паразитска капацитивност помеѓу GS и GD, а возењето на MOSFET е всушност полнењето и празнењето на кондензаторот. За полнење на кондензаторот потребна е струја, бидејќи кондензаторот може да се смета како краток спој во моментот на полнење, така што моменталната струја ќе биде релативно голема. Првото нешто на кое треба да се обрне внимание при изборот/дизајнирањето на драјвер за MOSFET е количината на моментална струја на краток спој што може да ја обезбеди. ,

Втората работа што треба да се забележи е дека NMOS, кој вообичаено се користи за возење со висока класа, треба напонот на портата да биде поголем од напонот на изворот кога е вклучен. Кога е вклучен MOSFET-от со погон на висока страна, изворниот напон е ист како и одводниот напон (VCC), така што напонот на портата е 4V или 10V поголем од VCC во овој момент. Ако сакате да добиете напон поголем од VCC во истиот систем, потребен ви е специјално коло за засилување. Многу двигатели на мотори имаат интегрирани пумпи за полнење. Треба да се забележи дека треба да се избере соодветен надворешен кондензатор за да се добие доволна струја на куса врска за придвижување на MOSFET.

 

4V или 10V споменати погоре е напонот на вклучување на најчесто користените MOSFET-ови и секако треба да се дозволи одредена маргина при дизајнирањето. И колку е поголем напонот, толку е поголема брзината на спроводливоста и помала спроводливоста. Сега постојат MOSFET-ови со помали спроводливи напони кои се користат во различни полиња, но во автомобилските електронски системи од 12V, генерално е доволна спроводливост од 4V.

 

За колото на двигателот на MOSFET и неговите загуби, погледнете во AN799 на Microchip што ги поклопува драјверите за MOSFET со MOSFET. Многу е детално, па нема да пишувам повеќе.

 

Производот на напонот и струјата во моментот на спроводливост е многу голем, предизвикувајќи големи загуби. Намалувањето на времето на префрлување може да ја намали загубата за време на секое спроведување; намалувањето на фреквенцијата на префрлување може да го намали бројот на прекинувачи по единица време. Двата методи можат да ги намалат загубите при префрлување.

MOSFET е тип на FET (другиот е JFET). Може да се направи во режим за подобрување или режим на исцрпување, P-канал или N-канал, вкупно 4 типа. Меѓутоа, всушност се користи само N-канален MOSFET во режим на подобрување. и MOSFET на P-канален тип на подобрување, така што NMOS или PMOS обично се однесуваат на овие два типа.

 

5. Коло за примена на MOSFET?

Најзначајната карактеристика на MOSFET се неговите добри карактеристики на префрлување, па затоа е широко користен во кола кои бараат електронски прекинувачи, како што се прекинувачки напојувања и погони на моторот, како и затемнување на осветлувањето.

 

Денешните двигатели на MOSFET имаат неколку посебни барања:

1. Примена на низок напон

Кога се користи напојување од 5 V, ако во овој момент се користи традиционална структура на тотемски столб, бидејќи транзисторот има пад на напон од околу 0,7 V, вистинскиот конечен напон што се применува на портата е само 4,3 V. Во тоа време, ја избираме номиналната моќност на портата

Постои одреден ризик при користење на 4,5V MOSFET. Истиот проблем се јавува и при користење на 3V или други нисконапонски напојувања.

2. Широка примена на напон

Влезниот напон не е фиксна вредност, тој ќе се менува со време или други фактори. Оваа промена предизвикува погонскиот напон обезбеден од колото PWM до MOSFET да биде нестабилен.

Со цел да се направат MOSFET безбедни при високи напони на портата, многу MOSFET имаат вградени регулатори на напон за насилно ограничување на амплитудата на напонот на портата. Во овој случај, кога обезбедениот погонски напон го надминува напонот на цевката на регулаторот на напонот, тоа ќе предизвика голема статичка потрошувачка на енергија.

Во исто време, ако едноставно го користите принципот на поделба на напонот на отпорникот за да го намалите напонот на портата, MOSFET ќе работи добро кога влезниот напон е релативно висок, но кога влезниот напон е намален, напонот на портата ќе биде недоволен, предизвикувајќи нецелосно спроводливост, а со тоа се зголемува потрошувачката на енергија.

3. Примена на двоен напон

Во некои контролни кола, логичкиот дел користи типичен дигитален напон од 5V или 3,3V, додека делот за напојување користи напон од 12V или дури и поголем. Двата напони се поврзани со заедничка основа.

Ова го покренува барањето за користење на коло така што нисконапонската страна може ефективно да го контролира MOSFET на високонапонската страна. Во исто време, MOSFET на високонапонската страна исто така ќе се соочи со проблемите споменати во 1 и 2.

Во овие три случаи, структурата на тотемскиот столб не може да ги исполни барањата за излез, а многу IC-и на двигател на МОСФЕТ не се чини дека вклучуваат структури за ограничување на напонот на портата.

 

Така, дизајнирав релативно општо коло за да ги задоволи овие три потреби.

,

Коло на возачот за NMOS

Овде ќе направам само едноставна анализа на колото на возачот NMOS:

Vl и Vh се соодветно напојување од ниска и висока класа. Двата напони можат да бидат исти, но Vl не треба да надминува Vh.

Q1 и Q2 формираат превртен тотемски столб за да се постигне изолација, а истовремено да се осигура дека двете цевки за возење Q3 и Q4 не се вклучуваат истовремено.

R2 и R3 обезбедуваат референца на напонот PWM. Со менување на оваа референца, колото може да се управува во позиција каде што брановиот облик на сигналот PWM е релативно стрм.

Q3 и Q4 се користат за обезбедување струја на погонот. Кога се вклучени, Q3 и Q4 имаат само минимален пад на напон од Vce во однос на Vh и GND. Овој пад на напон е обично само околу 0,3V, што е многу пониско од Vce од 0,7V.

R5 и R6 се отпорници за повратни информации, кои се користат за примерок на напонот на портата. Напонот од примерокот генерира силна негативна повратна информација за базите од Q1 и Q2 до Q5, со што се ограничува напонот на портата на ограничена вредност. Оваа вредност може да се прилагоди преку R5 и R6.

Конечно, R1 ја обезбедува основната граница на струја за Q3 и Q4, а R4 ја обезбедува границата на струјата на портата за MOSFET, што е граница на Ice на Q3 и Q4. Доколку е потребно, кондензатор за забрзување може да се поврзе паралелно со R4.

Ова коло ги обезбедува следниве карактеристики:

1. Користете ниски напон и PWM за да го придвижите MOSFET-от со висока страна.

2. Користете PWM сигнал со мала амплитуда за да возите MOSFET со барања за висок напон на портата.

3. Врвна граница на напонот на портата

4. Граници на влезната и излезната струја

5. Со употреба на соодветни отпорници може да се постигне многу мала потрошувачка на енергија.

6. PWM сигналот е превртен. На NMOS не му е потребна оваа функција и може да се реши со поставување на инвертер напред.

Кога дизајнирате преносливи уреди и безжични производи, подобрувањето на перформансите на производот и продолжувањето на траењето на батеријата се два прашања со кои треба да се соочат дизајнерите. DC-DC конверторите ги имаат предностите на високата ефикасност, големата излезна струја и ниската мирна струја, што ги прави многу погодни за напојување на преносливи уреди. Во моментов, главните трендови во развојот на технологијата за дизајнирање на DC-DC конвертори се: (1) Технологија со висока фреквенција: како што се зголемува фреквенцијата на префрлување, големината на преклопниот конвертор исто така се намалува, густината на моќноста исто така значително се зголемува, а динамичниот одговор е подобрен. . Фреквенцијата на префрлување на DC-DC конверторите со мала моќност ќе се зголеми до нивото на мегахерци. (2) Технологија на низок излезен напон: Со континуираниот развој на технологијата за производство на полупроводници, работниот напон на микропроцесорите и преносливите електронски уреди е сè помал и помал, што бара идните DC-DC конвертори да обезбедат низок излезен напон за да се прилагодат на микропроцесорите. барања за процесори и преносни електронски уреди.

Развојот на овие технологии постави повисоки барања за дизајнирање на кола за напојувачки чипови. Како прво, како што фреквенцијата на префрлување продолжува да се зголемува, се поставуваат високи барања за перформансите на преклопните елементи. Во исто време, мора да се обезбедат соодветни погонски кола на прекинувачкиот елемент за да се осигура дека прекинувачките елементи работат нормално на фреквенции на префрлување до MHz. Второ, за преносни електронски уреди на батерии, работниот напон на колото е низок (земајќи ги на пример литиумските батерии, работниот напон е 2,5~3,6V), затоа, работниот напон на чипот за напојување е низок.

 

MOSFET има многу низок отпор на вклучување и троши мала енергија. MOSFET често се користи како прекинувач за напојување во моментално популарните DC-DC чипови со висока ефикасност. Сепак, поради големиот паразитски капацитет на MOSFET, капацитивноста на портата на NMOS прекинувачките цевки е генерално висока колку десетици пикофаради. Ова поставува повисоки барања за дизајнирање на колото за погон на преклопната цевка на DC-DC конверторот со висока фреквенција.

Во нисконапонските ULSI дизајни, постојат различни CMOS и BiCMOS логички кола кои користат структури за засилување на подигачот и погонски кола како големи капацитивни оптоварувања. Овие кола можат да работат нормално со напон на напојување помал од 1V и можат да работат на фреквенција од десетици мегахерци или дури стотици мегахерци со капацитет на оптоварување од 1 до 2 pF. Оваа статија користи коло за подигање на подигање за да дизајнира погонско коло со можност за погон на голема капацитивност што е погодно за DC-DC конвертори со низок напон и висока префрлувачка фреквенција. Колото е дизајнирано врз основа на процесот Samsung AHP615 BiCMOS и потврдено со симулација на Hspice. Кога напонот за напојување е 1,5 V и капацитетот на оптоварување е 60 pF, работната фреквенција може да достигне повеќе од 5 MHz.

,

Карактеристики на префрлување на MOSFET

,

1. Статички карактеристики

Како преклопен елемент, MOSFET работи и во две состојби: исклучен или вклучен. Бидејќи MOSFET е компонента контролирана од напон, нејзината работна состојба главно се определува од напонот на портата uGS.

 

Работните карактеристики се како што следува:

※ uGS＜напон на вклучување UT: MOSFET работи во отсеченото место, струјата на изворот на одводот iDS е во основа 0, излезниот напон uDS≈UDD, а MOSFET-от е во состојба „исклучено“.

※ uGS>Напон на вклучување UT: MOSFET работи во областа на спроводливост, струја на одводниот извор iDS=UDD/(RD+rDS). Меѓу нив, rDS е отпорот на одводниот извор кога е вклучен MOSFET. Излезниот напон UDS=UDD?rDS/(RD+rDS), ако rDS＜＜RD, uDS≈0V, MOSFET-от е во состојба „вклучено“.

2. Динамички карактеристики

MOSFET, исто така, има процес на транзиција при префрлување помеѓу состојбите на вклучување и исклучување, но неговите динамички карактеристики главно зависат од времето потребно за полнење и празнење на залутаниот капацитет поврзан со колото, и акумулацијата и празнењето на полнежот кога самата цевка е вклучена и исклучена. Времето на дисипација е многу мало.

Кога влезниот напон се менува од висок на низок и MOSFET-от се менува од состојба на вклучено во исклучено, напојувањето UDD ја полни залутаната капацитивност CL преку RD, а константата за време на полнење τ1=RDCL. Затоа, излезниот напон uo треба да помине низ одредено доцнење пред да се промени од ниско на високо ниво; кога влезниот напон ui се менува од низок на висок и MOSFET се менува од исклучена состојба во состојба на вклучено, полнењето на залутаната капацитивност CL поминува низ rDS Празнењето се случува со константа на време на празнење τ2≈rDSCL. Се гледа дека и на излезниот напон Uo му треба одредено доцнење пред да може да премине на ниско ниво. Но, бидејќи rDS е многу помал од RD, времето на конверзија од исклучување во спроводливост е пократко од времето на конверзија од спроводливост во исклучување.

Бидејќи отпорот на изворот на одвод rDS на MOSFET кога е вклучен е многу поголем од отпорот на заситеност rCES на транзисторот, а надворешниот отпор на одвод RD е исто така поголем од колекторскиот отпор RC на транзисторот, времето на полнење и празнење на MOSFET е подолг, што го прави MOSFET Брзината на префрлување е помала од онаа на транзистор. Меѓутоа, во CMOS кола, бидејќи колото за полнење и колото за празнење се и кола со низок отпор, процесите на полнење и празнење се релативно брзи, што резултира со голема брзина на префрлување за CMOS колото.