MOSFET origina baza scio kaj apliko

Pri kial malpleniga reĝimoMOSFETojne estas uzataj, ne rekomendas atingi la fundon de ĝi.

Por tiuj du plibonig-reĝimaj MOSFEToj, NMOS estas pli ofte uzita. La kialo estas, ke la surrezisto estas malgranda kaj facile fabrikebla. Tial, NMOS estas ĝenerale uzata en ŝanĝado de nutrado kaj motora veturado aplikoj. En la sekva enkonduko, NMOS estas plejparte uzita.

Ekzistas parazita kapacitanco inter la tri stiftoj de la MOSFET. Ĉi tio ne estas kion ni bezonas, sed estas kaŭzita de produktadprocezaj limigoj. La ekzisto de parazita kapacitanco igas ĝin pli ĝena dum dizajnado aŭ elektado de veturadcirkvito, sed ekzistas neniu maniero eviti ĝin. Ni enkondukos ĝin detale poste.

Estas parazita diodo inter la drenilo kaj fonto. Ĉi tio estas nomita la korpa diodo. Ĉi tiu diodo estas tre grava dum veturado de induktaj ŝarĝoj (kiel motoroj). Cetere, la korpa diodo nur ekzistas en ununura MOSFET kaj kutime ne troviĝas ene de integra cirkvito.

 

2. MOSFET-konduktaj trajtoj

Kondukti signifas funkcii kiel ŝaltilo, kio estas ekvivalenta al la ŝaltilo estanta fermita.

La karakterizaĵo de NMOS estas ke ĝi ekŝaltos kiam Vgs estas pli granda ol certa valoro. Ĝi taŭgas por uzo kiam la fonto estas surterigita (malalta gamo), kondiĉe ke la pordega tensio atingas 4V aŭ 10V.

La karakterizaĵoj de PMOS estas, ke ĝi ekŝaltos kiam Vgs estas malpli ol certa valoro, kio taŭgas por situacioj, kie la fonto estas konektita al VCC (alta gamo). Tamen, kvankamPMOSpovas esti facile uzata kiel altnivela ŝoforo, NMOS estas kutime uzata en altnivelaj ŝoforoj pro granda surrezisto, alta prezo kaj malmultaj anstataŭigaj tipoj.

 

3. MOS ŝaltilo tubo perdo

Ĉu ĝi estas NMOS aŭ PMOS, ekzistas sur-rezisto post kiam ĝi estas ŝaltita, do la fluo konsumos energion sur ĉi tiu rezisto. Ĉi tiu parto de la konsumita energio nomiĝas kondukperdo. Elekti MOSFET kun malgranda sur-rezisto reduktos konduktajn perdojn. La hodiaŭa malalt-potenca MOSFET sur-rezisto estas ĝenerale ĉirkaŭ dekoj da miliohmoj, kaj ekzistas ankaŭ pluraj miliohmoj.

Kiam la MOSFET estas ŝaltita kaj malŝaltita, ĝi ne devas esti kompletigita tuj. La tensio trans la MOS havas malpliiĝantan procezon, kaj la flua fluo havas kreskantan procezon. Dum ĉi tiu periodo, laMOSFET-ojperdo estas la produkto de tensio kaj kurento, kiu nomiĝas ŝanĝperdo. Kutime ŝanĝaj perdoj estas multe pli grandaj ol konduktaj perdoj, kaj ju pli rapida la ŝanĝfrekvenco, des pli grandaj estas la perdoj.

La produkto de tensio kaj kurento en la momento de kondukado estas tre granda, kaŭzante grandajn perdojn. Mallongigi la ŝanĝan tempon povas redukti la perdon dum ĉiu kondukado; redukti la ŝanĝfrekvencon povas redukti la nombron da ŝaltiloj po unuotempo. Ambaŭ metodoj povas redukti ŝanĝajn perdojn.

La ondformo kiam la MOSFET estas ŝaltita. Oni povas vidi, ke la produkto de tensio kaj kurento en la momento de kondukado estas tre granda, kaj la perdo kaŭzita ankaŭ estas tre granda. Redukti la ŝanĝan tempon povas redukti la perdon dum ĉiu kondukado; redukti la ŝanĝfrekvencon povas redukti la nombron da ŝaltiloj po unuotempo. Ambaŭ metodoj povas redukti ŝanĝajn perdojn.

 

4. MOSFET-ŝoforo

Kompare kun dupolusaj transistoroj, estas ĝenerale kredite ke neniu kurento estas postulata por ŝalti MOSFET, kondiĉe ke la GS-tensio estas pli alta ol certa valoro. Ĉi tio estas facile fari, sed ni ankaŭ bezonas rapidecon.

Ĝi povas esti vidita en la strukturo de la MOSFET ke ekzistas parazita kapacitanco inter GS kaj GD, kaj la veturado de la MOSFET estas fakte la ŝargo kaj malŝarĝo de la kondensilo. Ŝargado de la kondensilo postulas fluon, ĉar la kondensilo povas esti rigardita kiel kurta cirkvito en la momento de ŝargado, do la tuja fluo estos relative granda. La unua afero por atenti dum elektado/dizajnado de MOSFET-ŝoforo estas la kvanto de tuja kurta kurento kurento kiun ĝi povas provizi. ,

La dua afero por noti estas, ke NMOS, kiu estas kutime uzata por altnivela veturado, bezonas, ke la pordega tensio estu pli granda ol la fonta tensio kiam ĝi estas ŝaltita. Kiam la alt-flanka movita MOSFET estas ŝaltita, la fonttensio estas la sama kiel la dreniltensio (VCC), do la pordega tensio estas 4V aŭ 10V pli granda ol VCC ĉi-momente. Se vi volas akiri tension pli grandan ol VCC en la sama sistemo, vi bezonas specialan akcelon. Multaj motorŝoforoj havas integrajn ŝargpumpilojn. Oni devas rimarki, ke taŭga ekstera kondensilo devas esti elektita por akiri sufiĉan kurtcirkvitan kurenton por movi la MOSFET.

 

La 4V aŭ 10V menciita supre estas la enŝaltita tensio de ofte uzataj MOSFEToj, kaj kompreneble certa marĝeno devas esti permesita dum dezajno. Kaj ju pli alta la tensio, des pli rapida la kondukta rapido kaj des pli malgranda la konduka rezisto. Nun ekzistas MOSFEToj kun pli malgrandaj konduktaj tensioj uzataj en malsamaj kampoj, sed en 12V aŭtomobilaj elektronikaj sistemoj, ĝenerale 4V-kondukado sufiĉas.

 

Por la MOSFET-ŝoforcirkvito kaj ĝiaj perdoj, bonvolu raporti al AN799 Matching MOSFET Drivers de Microchip al MOSFEToj. Ĝi estas tre detala, do mi ne skribos pli.

 

La produkto de tensio kaj kurento en la momento de kondukado estas tre granda, kaŭzante grandajn perdojn. Redukti la ŝanĝan tempon povas redukti la perdon dum ĉiu kondukado; redukti la ŝanĝfrekvencon povas redukti la nombron da ŝaltiloj po unuotempo. Ambaŭ metodoj povas redukti ŝanĝajn perdojn.

MOSFET estas speco de FET (la alia estas JFET). Ĝi povas esti igita pliboniga reĝimo aŭ malpleniga reĝimo, P-kanalo aŭ N-kanalo, entute 4 tipoj. Tamen, nur plibonig-reĝima N-kanala MOSFET estas fakte uzata. kaj plibonig-speca P-kanala MOSFET, do NMOS aŭ PMOS kutime rilatas al ĉi tiuj du tipoj.

 

5. MOSFET aplika cirkvito?

La plej signifa karakterizaĵo de MOSFET estas ĝiaj bonaj ŝanĝaj karakterizaĵoj, do ĝi estas vaste uzata en cirkvitoj, kiuj postulas elektronikajn ŝaltilojn, kiel ŝanĝantajn elektrofontojn kaj motorajn diskojn, same kiel lumigadon.

 

La hodiaŭaj MOSFET-ŝoforoj havas plurajn specialajn postulojn:

1. Malalta tensio apliko

Kiam oni uzas elektroprovizon de 5V, se oni uzas tradician toteman strukturon en ĉi tiu tempo, ĉar la transistoro havas tensiofalon de ĉirkaŭ 0.7V, la reala fina tensio aplikita al la pordego estas nur 4.3V. Nuntempe, ni elektas la nominalan pordegan potencon

Estas certa risko kiam oni uzas 4.5V MOSFET. La sama problemo ankaŭ okazas kiam oni uzas 3V aŭ aliajn malalttensiajn elektroprovizojn.

2. Larĝa tensio-apliko

La eniga tensio ne estas fiksa valoro, ĝi ŝanĝiĝos kun tempo aŭ aliaj faktoroj. Tiu ŝanĝo igas la veturtension disponigitan per la PWM-cirkvito al la MOSFET esti malstabila.

Por igi MOSFETojn sekuraj sub altaj pordegtensioj, multaj MOSFEToj havas enkonstruitajn tensioreguligistojn por forte limigi la amplitudon de la pordegtensio. En ĉi tiu kazo, kiam la provizita veturanta tensio superas la tensio de la tensio-reguliga tubo, ĝi kaŭzos grandan senmovan konsumon.

Samtempe, se vi simple uzas la principon de rezisto-tensio-dividado por redukti la pordegan tension, la MOSFET funkcios bone kiam la eniga tensio estas relative alta, sed kiam la eniga tensio estas reduktita, la pordega tensio estos nesufiĉa, kaŭzante. nekompleta kondukado, tiel pliigante energikonsumon.

3. Duobla tensio apliko

En kelkaj kontrolcirkvitoj, la logika parto uzas tipan 5V aŭ 3.3V ciferecan tension, dum la potenca parto uzas tension de 12V aŭ eĉ pli alta. La du tensioj estas konektitaj al komuna grundo.

Ĉi tio levas postulon uzi cirkviton tiel ke la malalttensia flanko povas efike kontroli la MOSFET sur la alttensia flanko. Samtempe, la MOSFET ĉe la alttensia flanko ankaŭ alfrontos la problemojn menciitajn en 1 kaj 2.

En tiuj tri kazoj, la totempolstrukturo ne povas renkonti la produktaĵpostulojn, kaj multaj nekomercaj MOSFET-ŝoforaj IC-oj ne ŝajnas inkludi pordegtensiajn limigajn strukturojn.

 

Do mi desegnis relative ĝeneralan cirkviton por plenumi ĉi tiujn tri bezonojn.

,

Ŝoforcirkvito por NMOS

Ĉi tie mi nur faros simplan analizon de la NMOS-ŝoforcirkvito:

Vl kaj Vh estas la malaltaj kaj altkvalitaj elektroprovizoj respektive. La du tensioj povas esti la samaj, sed Vl ne devus superi Vh.

Q1 kaj Q2 formas inversan toteman polon por atingi izolitecon certigante, ke la du ŝofortuboj Q3 kaj Q4 ne enŝaltu samtempe.

R2 kaj R3 disponigas la PWM-tensioreferencon. Ŝanĝante ĉi tiun referencon, la cirkvito povas esti funkciigita en pozicio kie la PWM-signala ondformo estas relative kruta.

Q3 kaj Q4 estas uzataj por provizi kurenton. Kiam ŝaltitaj, Q3 kaj Q4 nur havas minimuman tensiofalon de Vce relative al Vh kaj GND. Ĉi tiu tensiofalo estas kutime nur proksimume 0.3V, kio estas multe pli malalta ol la Vce de 0.7V.

R5 kaj R6 estas religrezistiloj, uzitaj por provi la pordegtension. La provita tensio generas fortan negativan religon al la bazoj de Q1 kaj Q2 tra Q5, tiel limigante la pordegtension al limigita valoro. Ĉi tiu valoro povas esti ĝustigita per R5 kaj R6.

Finfine, R1 disponigas la bazan nunan limon por Q3 kaj Q4, kaj R4 disponigas la pordegan nunan limon por la MOSFET, kio estas la limo de la Glacio de Q3 kaj Q4. Se necese, akcelkondensilo povas esti konektita paralele al R4.

Ĉi tiu cirkvito disponigas la sekvajn funkciojn:

1. Uzu malalt-flankan tension kaj PWM por movi la alt-flankan MOSFET.

2. Uzu malgrandan amplitudan PWM-signalon por veturi MOSFET kun alta pordega tensio postuloj.

3. Pinta limo de pordega tensio

4. Eniga kaj eligo kurenta limoj

5. Per uzado de taŭgaj rezistiloj, tre malalta konsumo povas esti atingita.

6. La PWM-signalo estas inversigita. NMOS ne bezonas ĉi tiun funkcion kaj povas esti solvita metante invetilon antaŭe.

Dum desegnado de porteblaj aparatoj kaj sendrataj produktoj, plibonigi produktan rendimenton kaj plilongigi baterian vivon estas du aferoj, kiujn la dizajnistoj devas alfronti. DC-DC-konvertiloj havas la avantaĝojn de alta efikeco, granda eliga kurento kaj malalta kvieta kurento, igante ilin tre taŭgaj por funkciigi porteblajn aparatojn. Nuntempe, la ĉefaj tendencoj en la evoluo de DC-DC-konvertilo-dezajna teknologio estas: (1) Altfrekvenca teknologio: Ĉar la ŝanĝfrekvenco pliiĝas, la grandeco de la ŝanĝa konvertilo ankaŭ estas reduktita, la potenca denseco ankaŭ multe pliiĝas, kaj la dinamika respondo estas plibonigita. . La ŝanĝfrekvenco de malalt-potencaj DC-DC-transformiloj altiĝos al la megaherca nivelo. (2) Malalta tensio-teknologio: Kun la kontinua evoluo de duonkonduktaĵa fabrikado-teknologio, la funkcia tensio de mikroprocesoroj kaj porteblaj elektronikaj aparatoj pli kaj pli malaltiĝas, kio postulas estontajn DC-DC-konvertilojn provizi malaltan eligan tension por adaptiĝi al mikroprocesoroj. postuloj por procesoroj kaj porteblaj elektronikaj aparatoj.

La evoluo de ĉi tiuj teknologioj prezentis pli altajn postulojn por la dezajno de elektraj cirkvitoj. Antaŭ ĉio, ĉar la ŝanĝfrekvenco daŭre pliiĝas, altaj postuloj estas metitaj sur la agado de ŝanĝaj elementoj. En la sama tempo, ekvivalentaj ŝanĝelementaj veturcirkvitoj devas esti disponigitaj por certigi ke la ŝanĝelementoj funkcias normale ĉe ŝanĝaj frekvencoj ĝis MHz. Due, por kuirilaraj porteblaj elektronikaj aparatoj, la labortensio de la cirkvito estas malalta (prenante litiajn bateriojn kiel ekzemplon, la labortensio estas 2.5~3.6V), tial la funkcia tensio de la elektra blato estas malalta.

 

MOSFET havas tre malaltan sur-reziston kaj konsumas malaltan energion. MOSFET ofte estas utiligita kiel ŝaltilo en nuntempe popularaj alt-efikecaj DC-DC-fritoj. Tamen, pro la granda parazita kapacitanco de MOSFET, la pordegkapacitanco de NMOS-ŝanĝaj tuboj estas ĝenerale same alta kiel dekoj da picofarads. Ĉi tio prezentas pli altajn postulojn por la dezajno de alta mastruma frekvenco DC-DC-konvertilo ŝanĝanta tubo-veturadcirkvito.

En malalttensiaj ULSI-dezajnoj, ekzistas gamo da CMOS kaj BiCMOS-logikaj cirkvitoj uzantaj bootstrap-akcelstrukturojn kaj veturcirkvitojn kiel grandajn kapacitajn ŝarĝojn. Tiuj cirkvitoj povas funkcii normale kun elektroproviztensio pli malalta ol 1V, kaj povas funkciigi ĉe frekvenco de dekoj da megahercoj aŭ eĉ centoj da megahercoj kun ŝarĝkapacito de 1 ĝis 2pF. Ĉi tiu artikolo uzas botigan akcelcirkviton por dizajni veturadcirkviton kun granda ŝarĝkapacita veturadkapablo kiu estas taŭga por malalta tensio, alta ŝanĝfrekvenca akcelo DC-DC-transformiloj. La cirkvito estas dizajnita surbaze de Samsung AHP615 BiCMOS-procezo kaj kontrolita per Hspice-simulado. Kiam la proviza tensio estas 1.5V kaj la ŝarĝa kapacitanco estas 60pF, la operacia frekvenco povas atingi pli ol 5MHz.

,

MOSFET-ŝanĝaj karakterizaĵoj

,

1. Statikaj trajtoj

Kiel ŝanĝelemento, MOSFET ankaŭ funkcias en du statoj: malŝaltita aŭ ŝaltita. Ĉar MOSFET estas tensi-kontrolita komponento, ĝia laborstato estas plejparte determinita per la pordeg-fonta tensio uGS.

 

La funkciaj trajtoj estas kiel sekvas:

※ uGS＜enŝalta tensio UT: MOSFET funkcias en la detranĉa areo, la dren-fonta kurento iDS estas esence 0, la eliga tensio uDS≈UDD, kaj la MOSFET estas en la "malŝaltita" stato.

※ uGS>Enŝalta tensio UT: MOSFET funkcias en la kondukta regiono, dren-fonta kurento iDS=UDD/(RD+rDS). Inter ili, rDS estas la dren-fonta rezisto kiam la MOSFET estas ŝaltita. La elira tensio UDS=UDD?rDS/(RD+rDS), se rDS＜＜RD, uDS≈0V, la MOSFET estas en la "ŝaltita".

2. Dinamikaj trajtoj

MOSFET ankaŭ havas transirprocezon dum ŝaltado inter statoj kaj malŝalto, sed ĝiaj dinamikaj trajtoj plejparte dependas de la tempo bezonata por ŝargi kaj malŝarĝi la devagan kapacitancon rilatan al la cirkvito, kaj la ŝarga amasiĝo kaj malŝarĝo kiam la tubo mem estas ŝaltita kaj malŝaltita. La tempo de disipado estas tre malgranda.

Kiam la eniga tensio ui ŝanĝiĝas de alta al malalta kaj la MOSFET ŝanĝiĝas de la surŝtato al la malŝalta stato, la elektroprovizo UDD ŝargas la devagan kapacitancon CL tra RD, kaj la ŝarga tempokonstanto τ1=RDCL. Tial, la elira tensio uo bezonas trapasi certan malfruon antaŭ ol ŝanĝi de malalta nivelo al alta nivelo; kiam la eniga tensio ui ŝanĝiĝas de malalta al alta kaj la MOSFET ŝanĝiĝas de la malŝalta stato al la surŝtato, la ŝargo sur la devaga kapacitanco CL pasas tra rDS Senŝargiĝo okazas kun senŝargita tempokonstanto τ2≈rDSCL. Oni povas vidi, ke la elira tensio Uo ankaŭ bezonas certan prokraston antaŭ ol ĝi povas transiri al malalta nivelo. Sed ĉar rDS estas multe pli malgranda ol RD, la konverta tempo de fortranĉo al kondukado estas pli mallonga ol la konverta tempo de kondukado ĝis fortranĉo.

Ĉar la drenil-fonta rezisto rDS de la MOSFET kiam ĝi estas ŝaltita estas multe pli granda ol la saturiĝa rezisto rCES de la transistoro, kaj la ekstera drenadrezisto RD estas ankaŭ pli granda ol la kolektanta rezisto RC de la transistoro, la ŝarĝa kaj malŝarĝa tempo. de la MOSFET estas pli longa, farante la MOSFET La ŝanĝrapideco estas pli malalta ol tiu de transistoro. Tamen, en CMOS-cirkvitoj, ĉar la ŝarga cirkvito kaj la malŝarĝa cirkvito estas ambaŭ malalt-rezistaj cirkvitoj, la ŝargaj kaj malŝarĝaj procezoj estas relative rapidaj, rezultigante altan ŝanĝan rapidon por la CMOS-cirkvito.