MOSFET orijinal əsas bilik və tətbiqi

Niyə tükənmə rejiminə gəlincəMOSFET-ləristifadə edilmir, onun dibinə düşmək məsləhət deyil.

Bu iki təkmilləşdirmə rejimli MOSFET üçün NMOS daha çox istifadə olunur. Səbəb on-müqavimət kiçik və istehsalı asan olmasıdır. Buna görə də, NMOS ümumiyyətlə enerji təchizatı və motor sürücüsü tətbiqlərində istifadə olunur. Aşağıdakı girişdə NMOS daha çox istifadə olunur.

MOSFET-in üç sancağı arasında parazit tutumu var. Bu, bizə lazım olan şey deyil, istehsal prosesinin məhdudiyyətlərindən qaynaqlanır. Parazit tutumun mövcudluğu sürücü dövrəsini dizayn edərkən və ya seçərkən onu daha çətinləşdirir, lakin bundan qaçmaq üçün heç bir yol yoxdur. Daha sonra ətraflı şəkildə təqdim edəcəyik.

Drenaj və mənbə arasında parazit diod var. Buna bədən diodu deyilir. Bu diod induktiv yükləri (məsələn, mühərrikləri) idarə edərkən çox vacibdir. Yeri gəlmişkən, gövdə diodu yalnız bir MOSFET-də mövcuddur və adətən inteqrasiya edilmiş sxem çipinin içərisində tapılmır.

 

2. MOSFET keçiricilik xüsusiyyətləri

Keçirici keçidin bağlanmasına bərabər olan açar rolunu oynayan deməkdir.

NMOS-un xüsusiyyəti ondan ibarətdir ki, Vgs müəyyən bir dəyərdən böyük olduqda işə düşəcək. Qapı gərginliyi 4V və ya 10V-ə çatdıqda, mənbə torpaqlandıqda (aşağı səviyyəli sürücü) istifadə üçün uyğundur.

PMOS-un xüsusiyyətləri ondan ibarətdir ki, Vgs müəyyən bir dəyərdən az olduqda işə düşəcək, bu, mənbənin VCC-yə (yüksək səviyyəli sürücü) qoşulduğu vəziyyətlər üçün uyğundur. Bununla belə, baxmayaraq kiPMOSyüksək səviyyəli sürücü kimi asanlıqla istifadə edilə bilər, NMOS adətən böyük müqavimətə, yüksək qiymətə və bir neçə dəyişdirmə növünə görə yüksək səviyyəli sürücülərdə istifadə olunur.

 

3. MOS keçid borusu itkisi

NMOS və ya PMOS olmasından asılı olmayaraq, işə salındıqdan sonra bir müqavimət var, buna görə də cərəyan bu müqavimətdə enerji istehlak edəcəkdir. İstehlak olunan enerjinin bu hissəsi keçiricilik itkisi adlanır. Kiçik bir müqavimətə malik bir MOSFET seçmək keçirici itkiləri azaldacaq. Bugünkü aşağı güclü MOSFET-in müqaviməti ümumiyyətlə onlarla milliohm ətrafındadır və bir neçə milliohm da var.

MOSFET işə salındıqda və söndürüldükdə, dərhal tamamlanmamalıdır. MOS üzərindəki gərginlik azalan, axan cərəyan isə artan bir prosesə malikdir. Bu müddət ərzindəMOSFET-ləritki gərginlik və cərəyanın məhsuludur ki, buna keçid itkisi deyilir. Adətən keçid itkiləri keçirici itkilərdən çox böyük olur və keçid tezliyi nə qədər tez olarsa, itkilər bir o qədər çox olur.

Keçirmə anında gərginlik və cərəyanın məhsulu çox böyükdür, böyük itkilərə səbəb olur. Kommutasiya vaxtının qısaldılması hər keçirmə zamanı itkini azalda bilər; keçid tezliyinin azaldılması vahid vaxtda açarların sayını azalda bilər. Hər iki üsul keçid itkilərini azalda bilər.

MOSFET işə salındıqda dalğa forması. Görünür ki, keçiricilik anında gərginlik və cərəyanın hasili çox böyükdür və yaranan itki də çox böyükdür. Kommutasiya vaxtının azaldılması hər keçirmə zamanı itkini azalda bilər; keçid tezliyinin azaldılması vahid vaxtda açarların sayını azalda bilər. Hər iki üsul keçid itkilərini azalda bilər.

 

4. MOSFET sürücüsü

Bipolyar tranzistorlarla müqayisədə, ümumiyyətlə, GS gərginliyi müəyyən bir dəyərdən yüksək olduğu müddətcə MOSFET-i açmaq üçün heç bir cərəyan tələb olunmadığına inanılır. Bunu etmək asandır, lakin bizə sürət də lazımdır.

MOSFET-in strukturunda GS və GD arasında parazit tutumun olduğunu görmək olar və MOSFET-in hərəkəti əslində kondansatörün yüklənməsi və boşalmasıdır. Kondansatörün doldurulması cərəyan tələb edir, çünki kondansatör doldurulma anında qısaqapanma kimi qəbul edilə bilər, buna görə də ani cərəyan nisbətən böyük olacaqdır. MOSFET sürücüsünü seçərkən/dizayn edərkən diqqət yetirilməli olan ilk şey onun təmin edə biləcəyi ani qısaqapanma cərəyanının miqdarıdır. .

Diqqət yetirməli olan ikinci şey, yüksək səviyyəli sürücülük üçün adətən istifadə edilən NMOS-un işə salındıqda qapı gərginliyinin mənbə gərginliyindən daha böyük olması lazımdır. Yüksək tərəfdən idarə olunan MOSFET işə salındıqda, mənbə gərginliyi drenaj gərginliyi (VCC) ilə eynidir, buna görə də qapı gərginliyi hazırda VCC-dən 4V və ya 10V böyükdür. Eyni sistemdə VCC-dən daha böyük bir gərginlik əldə etmək istəyirsinizsə, xüsusi gücləndirici dövrə lazımdır. Bir çox motor sürücüsü inteqrasiya edilmiş doldurma nasoslarına malikdir. Qeyd etmək lazımdır ki, MOSFET-i idarə etmək üçün kifayət qədər qısaqapanma cərəyanı əldə etmək üçün müvafiq xarici kondansatör seçilməlidir.

 

Yuxarıda göstərilən 4V və ya 10V tez-tez istifadə olunan MOSFET-lərin işə salınma gərginliyidir və əlbəttə ki, dizayn zamanı müəyyən bir marjaya icazə verilməlidir. Və gərginlik nə qədər yüksək olarsa, keçirmə sürəti bir o qədər sürətli və keçiricilik müqaviməti bir o qədər kiçik olar. İndi müxtəlif sahələrdə istifadə olunan daha kiçik keçirici gərginliyə malik MOSFET-lər var, lakin 12V avtomobil elektron sistemlərində ümumiyyətlə 4V keçirmə kifayətdir.

 

MOSFET sürücü sxemi və onun itkiləri üçün Microchip-in AN799 MOSFET Sürücülərinin MOSFET-lərə Uyğunluğuna baxın. Çox təfərrüatlıdır, ona görə də daha çox yazmayacağam.

 

Keçirmə anında gərginlik və cərəyanın məhsulu çox böyükdür, böyük itkilərə səbəb olur. Kommutasiya vaxtının azaldılması hər keçirmə zamanı itkini azalda bilər; keçid tezliyinin azaldılması vahid vaxtda açarların sayını azalda bilər. Hər iki üsul keçid itkilərini azalda bilər.

MOSFET bir FET növüdür (digəri JFET). Təkmilləşdirmə rejimi və ya tükənmə rejimi, P-kanal və ya N-kanal, cəmi 4 növə çevrilə bilər. Bununla belə, əslində yalnız təkmilləşdirmə rejimli N-kanal MOSFET istifadə olunur. və təkmilləşdirmə tipli P-kanal MOSFET, buna görə də NMOS və ya PMOS adətən bu iki növə aiddir.

 

5. MOSFET tətbiqi sxemi?

MOSFET-in ən əhəmiyyətli xüsusiyyəti onun yaxşı kommutasiya xüsusiyyətləridir, buna görə də kommutasiya enerji təchizatı və motor ötürücüləri, eləcə də işıqlandırmanın qaralması kimi elektron açarları tələb edən sxemlərdə geniş istifadə olunur.

 

Bugünkü MOSFET sürücülərinin bir neçə xüsusi tələbləri var:

1. Aşağı gərginlik tətbiqi

5V enerji təchizatı istifadə edərkən, bu anda ənənəvi totem dirəyi quruluşu istifadə edilərsə, tranzistorda təxminən 0,7V gərginlik düşməsi olduğundan, qapıya tətbiq olunan faktiki son gərginlik yalnız 4,3V-dir. Bu zaman biz nominal qapı gücünü seçirik

4.5V MOSFET istifadə edərkən müəyyən bir risk var. Eyni problem 3V və ya digər aşağı gərginlikli enerji təchizatı istifadə edərkən də baş verir.

2. Geniş gərginlik tətbiqi

Giriş gərginliyi sabit bir dəyər deyil, zamanla və ya digər amillərlə dəyişəcəkdir. Bu dəyişiklik PWM dövrəsi tərəfindən MOSFET-ə verilən sürücülük gərginliyinin qeyri-sabit olmasına səbəb olur.

MOSFET-ləri yüksək qapı gərginlikləri altında təhlükəsiz etmək üçün, bir çox MOSFET-də qapı gərginliyinin amplitüdünü zorla məhdudlaşdırmaq üçün daxili gərginlik tənzimləyiciləri var. Bu halda, təmin edilmiş sürücülük gərginliyi gərginlik tənzimləyici borusunun gərginliyini aşdıqda, böyük statik enerji istehlakına səbəb olacaqdır.

Eyni zamanda, qapının gərginliyini azaltmaq üçün sadəcə olaraq rezistor gərginliyinin bölünməsi prinsipindən istifadə etsəniz, MOSFET giriş gərginliyi nisbətən yüksək olduqda yaxşı işləyəcək, lakin giriş gərginliyi azaldıqda qapının gərginliyi qeyri-kafi olacaq və nəticədə natamam keçiricilik, bununla da enerji istehlakını artırır.

3. İkili gərginlik tətbiqi

Bəzi idarəetmə sxemlərində məntiq hissəsi tipik 5V və ya 3.3V rəqəmsal gərginlikdən istifadə edir, güc hissəsi isə 12V və ya daha yüksək gərginlikdən istifadə edir. İki gərginlik ümumi bir yerə bağlıdır.

Bu, aşağı gərginlikli tərəfin yüksək gərginlikli tərəfdə MOSFET-i effektiv şəkildə idarə edə bilməsi üçün dövrədən istifadə tələbini artırır. Eyni zamanda, yüksək gərginlikli tərəfdəki MOSFET də 1 və 2-də qeyd olunan problemlərlə qarşılaşacaq.

Bu üç halda, totem qütb strukturu çıxış tələblərinə cavab verə bilməz və bir çox hazır MOSFET sürücü IC-lərinə qapı gərginliyini məhdudlaşdıran strukturlar daxil edilmir.

 

Beləliklə, mən bu üç ehtiyacı ödəmək üçün nisbətən ümumi bir sxem hazırladım.

.

NMOS üçün sürücü sxemi

Burada mən yalnız NMOS sürücü dövrəsinin sadə təhlilini edəcəyəm:

Vl və Vh müvafiq olaraq aşağı səviyyəli və yüksək səviyyəli enerji təchizatıdır. İki gərginlik eyni ola bilər, lakin Vl Vh-dən çox olmamalıdır.

Q1 və Q2 iki sürücü borusunun Q3 və Q4-ün eyni vaxtda açılmamasını təmin etməklə, izolyasiyaya nail olmaq üçün tərs totem dirəyi təşkil edir.

R2 və R3 PWM gərginlik arayışını təmin edir. Bu arayışı dəyişdirərək, dövrə PWM siqnal dalğa formasının nisbətən dik olduğu bir vəziyyətdə işlədilə bilər.

Q3 və Q4 sürücü cərəyanını təmin etmək üçün istifadə olunur. Yandırıldıqda, Q3 və Q4 yalnız Vh və GND-yə nisbətən minimum Vce gərginliyinə malikdir. Bu gərginlik düşməsi adətən yalnız təxminən 0,3V təşkil edir ki, bu da 0,7V-dən çox aşağıdır.

R5 və R6 geribildirim rezistorlarıdır, qapı gərginliyini nümunə götürmək üçün istifadə olunur. Nümunə götürülmüş gərginlik Q1 və Q2-dən Q5-ə qədər əsaslara güclü mənfi rəy yaradır və bununla da qapı gərginliyini məhdud dəyərlə məhdudlaşdırır. Bu dəyər R5 və R6 vasitəsilə tənzimlənə bilər.

Nəhayət, R1 Q3 və Q4 üçün əsas cərəyan limitini təmin edir və R4 Q3 və Q4 buzunun həddi olan MOSFET üçün qapı cərəyanı limitini təmin edir. Lazım gələrsə, R4-ə paralel olaraq bir sürətləndirici kondansatör qoşula bilər.

Bu dövrə aşağıdakı xüsusiyyətləri təmin edir:

1. Yüksək tərəfdəki MOSFET-i idarə etmək üçün aşağı tərəf gərginliyi və PWM-dən istifadə edin.

2. Yüksək qapı gərginliyi tələbləri olan MOSFET-i idarə etmək üçün kiçik amplitudalı PWM siqnalından istifadə edin.

3. Qapı gərginliyinin pik həddi

4. Giriş və çıxış cərəyanının hədləri

5. Müvafiq rezistorlardan istifadə etməklə çox aşağı enerji sərfiyyatına nail olmaq olar.

6. PWM siqnalı ters çevrilir. NMOS-un bu xüsusiyyətə ehtiyacı yoxdur və qarşısına bir çevirici yerləşdirməklə həll edilə bilər.

Portativ cihazların və simsiz məhsulların dizaynı zamanı məhsulun performansını yaxşılaşdırmaq və batareyanın ömrünü uzatmaq dizaynerlərin qarşılaşmalı olduğu iki problemdir. DC-DC çeviriciləri yüksək səmərəlilik, böyük çıxış cərəyanı və aşağı sakit cərəyan üstünlüklərinə malikdir, bu da onları portativ cihazların enerji təchizatı üçün çox uyğun edir. Hal-hazırda DC-DC çevirici dizayn texnologiyasının inkişafının əsas tendensiyaları bunlardır: (1) Yüksək tezlikli texnologiya: Kommutasiya tezliyi artdıqca, keçid çeviricisinin ölçüsü də azalır, güc sıxlığı da çox artır, və dinamik reaksiya təkmilləşdirilir. . Aşağı güclü DC-DC çeviricilərinin keçid tezliyi megahertz səviyyəsinə yüksələcək. (2) Aşağı çıxış gərginliyi texnologiyası: Yarımkeçirici istehsal texnologiyasının davamlı inkişafı ilə mikroprosessorların və portativ elektron cihazların işləmə gərginliyi getdikcə aşağı düşür, bu da gələcək DC-DC çeviricilərinin mikroprosessorlara uyğunlaşmaq üçün aşağı çıxış gərginliyini təmin etməsini tələb edir. prosessorlar və portativ elektron cihazlar üçün tələblər.

Bu texnologiyaların inkişafı güc çipinin sxemlərinin dizaynı üçün daha yüksək tələblər irəli sürdü. Əvvəla, keçid tezliyi artmağa davam etdikcə, keçid elementlərinin işinə yüksək tələblər qoyulur. Eyni zamanda kommutasiya elementlərinin MHz-ə qədər kommutasiya tezliyində normal işləməsini təmin etmək üçün müvafiq kommutasiya elementlərinin idarəedici sxemləri təmin edilməlidir. İkincisi, batareya ilə işləyən portativ elektron cihazlar üçün dövrənin iş gərginliyi aşağıdır (litium batareyaları nümunə götürsək, iş gərginliyi 2,5 ~ 3,6V-dir), buna görə də güc çipinin işləmə gərginliyi aşağıdır.

 

MOSFET çox aşağı müqavimətə malikdir və az enerji sərf edir. MOSFET tez-tez hal-hazırda məşhur yüksək effektiv DC-DC çiplərində güc açarı kimi istifadə olunur. Bununla belə, MOSFET-in böyük parazit tutumuna görə, NMOS keçid borularının qapı tutumu ümumiyyətlə onlarla pikofarad qədər yüksəkdir. Bu, yüksək iş tezliyi DC-DC çevirici keçid borusunun ötürücü dövrəsinin dizaynı üçün daha yüksək tələblər irəli sürür.

Aşağı gərginlikli ULSI dizaynlarında böyük tutumlu yüklər kimi yükləyici gücləndirici strukturlardan və sürücü sxemlərindən istifadə edən müxtəlif CMOS və BiCMOS məntiq sxemləri mövcuddur. Bu sxemlər 1V-dən aşağı enerji təchizatı gərginliyi ilə normal işləyə bilər və yük tutumu 1-dən 2pF-ə qədər olan onlarla meqahers və hətta yüzlərlə meqahers tezliyində işləyə bilər. Bu məqalə aşağı gərginlikli, yüksək kommutasiya tezliyi gücləndirici DC-DC çeviriciləri üçün uyğun olan böyük yük tutumlu sürücü qabiliyyətinə malik sürücü dövrəsini layihələndirmək üçün yükləmə kəmərini gücləndirmə sxemindən istifadə edir. Sxem Samsung AHP615 BiCMOS prosesi əsasında hazırlanmış və Hspice simulyasiyası ilə təsdiq edilmişdir. Təchizat gərginliyi 1,5V və yük tutumu 60pF olduqda, işləmə tezliyi 5MHz-dən çox ola bilər.

.

MOSFET keçid xüsusiyyətləri

.

1. Statik xüsusiyyətlər

Kommutasiya elementi kimi MOSFET də iki vəziyyətdə işləyir: söndürülməsi və ya açılması. MOSFET gərginliklə idarə olunan komponent olduğundan, onun iş vəziyyəti əsasən gate-source gərginlik uGS ilə müəyyən edilir.

 

İşləmə xüsusiyyətləri aşağıdakılardır:

※ uGS＜açılma gərginliyi UT: MOSFET kəsmə sahəsində işləyir, drenaj mənbəyi cərəyanı iDS əsasən 0, çıxış gərginliyi uDS≈UDD və MOSFET “söndürülmüş” vəziyyətdədir.

※ uGS>Açma gərginliyi UT: MOSFET keçiricilik bölgəsində işləyir, drenaj mənbəyi cərəyanı iDS=UDD/(RD+rDS). Onların arasında rDS, MOSFET işə salındıqda drenaj mənbəyi müqavimətidir. Çıxış gərginliyi UDS=UDD?rDS/(RD+rDS), əgər rDS＜＜RD, uDS≈0V olarsa, MOSFET “on” vəziyyətindədir.

2. Dinamik xüsusiyyətlər

MOSFET də yandırma və söndürmə vəziyyətləri arasında keçid prosesinə malikdir, lakin onun dinamik xüsusiyyətləri əsasən dövrə ilə bağlı boş tutumun doldurulması və boşaldılması üçün tələb olunan vaxtdan və borunun özü açılıb-söndükdə yükün yığılması və boşaldılmasından asılıdır. Dağılma müddəti çox azdır.

Giriş gərginliyi ui yüksəkdən aşağıya dəyişdikdə və MOSFET açıq vəziyyətdən söndürüldükdə, enerji təchizatı UDD RD vasitəsilə CL boş tutumunu doldurur və doldurma vaxtı sabiti τ1=RDCL. Buna görə, çıxış gərginliyi uo aşağı səviyyədən yüksək səviyyəyə keçməzdən əvvəl müəyyən bir gecikmədən keçməlidir; giriş gərginliyi ui aşağıdan yüksəkə dəyişdikdə və MOSFET söndürülmüş vəziyyətdən açıq vəziyyətə dəyişdikdə, CL boş tutumunun yükü rDS-dən keçir Boşalma boşalma vaxtı sabiti τ2≈rDSCL ilə baş verir. Görünür ki, çıxış gərginliyi Uo da aşağı səviyyəyə keçməzdən əvvəl müəyyən gecikməyə ehtiyac duyur. Lakin rDS RD-dən çox kiçik olduğu üçün kəsilmədən keçirməyə çevrilmə müddəti keçirmədən kəsilməyə çevrilmə müddətindən daha qısadır.

MOSFET işə salındıqda drenaj mənbəyi müqaviməti rDS tranzistorun doyma müqavimətindən rCES çox böyük olduğundan və xarici drenaj müqaviməti RD də tranzistorun kollektor müqavimətindən RC-dən böyük olduğundan, doldurma və boşalma vaxtı MOSFET-in uzunluğu daha uzundur, bu da MOSFET-i edir Kommutasiya sürəti tranzistordan daha aşağıdır. Bununla belə, CMOS sxemlərində, doldurma dövrəsi və boşalma dövrəsi həm aşağı müqavimətli dövrələr olduğundan, doldurma və boşaltma prosesləri nisbətən sürətlidir, nəticədə CMOS dövrəsi üçün yüksək keçid sürəti olur.