MOSFET orizjinele basiskennis en tapassing

As foar wêrom útputting modusMOSFETswurde net brûkt, it is net oan te rieden om nei de boaiem te kommen.

Foar dizze twa ferbetteringsmodus MOSFET's wurdt NMOS faker brûkt. De reden is dat de op-ferset lyts is en maklik te meitsjen. Dêrom wurdt NMOS algemien brûkt by it wikseljen fan stroomfoarsjenning en applikaasjes foar motordrive. Yn 'e folgjende ynlieding wurdt NMOS meast brûkt.

D'r is in parasitêre kapasitânsje tusken de trije pins fan 'e MOSFET. Dit is net wat wy nedich binne, mar wurdt feroarsake troch beheiningen fan produksjeproses. It bestean fan parasitêre kapasitânsje makket it lestiger by it ûntwerpen of selektearjen fan in rydkring, mar d'r is gjin manier om it te foarkommen. Wy sille it letter yn detail yntrodusearje.

D'r is in parasitêre diode tusken de drain en de boarne. Dit wurdt de lichemsdiode neamd. Dizze diode is heul wichtich by it riden fan induktive loads (lykas motors). Trouwens, de lichemsdiode bestiet allinich yn ien MOSFET en wurdt normaal net fûn yn in yntegreare circuitchip.

 

2. MOSFET conduction skaaimerken

Gedrach betsjut fungearje as in switch, dat is lykweardich oan de switch wurdt sluten.

It skaaimerk fan NMOS is dat it sil oansette as Vgs is grutter as in bepaalde wearde. It is geskikt foar gebrûk as de boarne is grûn (low-end drive), sa lang as de poarte spanning berikt 4V of 10V.

De skaaimerken fan PMOS binne dat it sil oansette as Vgs is minder as in bepaalde wearde, dat is geskikt foar situaasjes dêr't de boarne is ferbûn mei VCC (high-end drive). Lykwols, hoewolPMOSkin maklik brûkt wurde as in hege-ein-bestjoerder, NMOS wurdt meastentiids brûkt yn hege-ein-bestjoerders fanwegen grutte op-ferset, hege priis, en in pear ferfangingstypen.

 

3. MOS switch tube ferlies

Oft it is NMOS of PMOS, der is in op-resistinsje neidat it is ynskeakele, sadat de hjoeddeiske sil konsumearje enerzjy op dizze ferset. Dit diel fan 'e konsumearre enerzjy wurdt konduksjeferlies neamd. It kiezen fan in MOSFET mei in lyts oan-ferset sil konduksjeferlies ferminderje. De hjoeddeistige MOSFET-oan-ferset is oer it algemien sawat tsientallen milliohmen, en d'r binne ek ferskate milliohmen.

As de MOSFET yn- en útskeakele is, moat it net direkt foltôge wurde. De spanning oer de MOS hat in ôfnimmend proses, en de streamende stroom hat in tanimmend proses. Yn dizze perioade, deMOSFET'sferlies is it produkt fan spanning en stroom, wat skeakelferlies neamd wurdt. Gewoanlik binne skeakelferlies folle grutter as konduksjeferlies, en de flugger de wikselfrekwinsje, hoe grutter de ferliezen.

It produkt fan spanning en stroom op it momint fan conduction is hiel grut, wêrtroch grutte ferliezen. Ferkoarting fan 'e skeakeltiid kin it ferlies yn elke konduksje ferminderje; it ferminderjen fan de switch frekwinsje kin ferminderjen it oantal skakelaars per ienheid tiid. Beide metoaden kinne skeakelje ferliezen ferminderje.

De golffoarm as de MOSFET ynskeakele is. It kin sjoen wurde dat it produkt fan spanning en stroom op it momint fan conduction is hiel grut, en it ferlies feroarsake is ek hiel grut. It ferminderjen fan de skeakeltiid kin it ferlies yn elke konduksje ferminderje; it ferminderjen fan de switch frekwinsje kin ferminderjen it oantal skakelaars per ienheid tiid. Beide metoaden kinne skeakelje ferliezen ferminderje.

 

4. MOSFET bestjoerder

Yn ferliking mei bipolêre transistors wurdt algemien leaud dat gjin stroom nedich is om in MOSFET yn te skeakeljen, salang't de GS-spanning heger is as in bepaalde wearde. Dit is maklik te dwaan, mar wy moatte ek snelheid.

It kin sjoen wurde yn 'e struktuer fan' e MOSFET dat d'r in parasitêre kapasiteit is tusken GS en GD, en it riden fan 'e MOSFET is eins de lading en ûntslach fan' e kondensator. It opladen fan de kondensator fereasket in stroom, om't de kondensator op it momint fan opladen kin wurde beskôge as in koartsluting, sadat de instantane stroom relatyf grut wêze sil. It earste ding om op te letten by it selektearjen/ûntwerpen fan in MOSFET-bestjoerder is it bedrach fan instantane koartslutingsstroom dat it kin leverje. 2

It twadde ding om op te merken is dat NMOS, dy't gewoanlik wurdt brûkt foar riden mei hege ein, moat de poartespanning grutter wêze as de boarnespanning as it ynskeakele is. As de hege-side oandreaune MOSFET wurdt ynskeakele, de boarne spanning is itselde as de drain voltage (VCC), sadat de poarte spanning is 4V of 10V grutter as VCC op dit stuit. As jo ​​wolle krije in spanning grutter as VCC yn itselde systeem, Jo moatte in spesjale boost circuit. In protte motorbestjoerders hawwe yntegreare ladingpompen. It moat opmurken wurde dat in passende eksterne kondensator moat wurde selektearre om genôch koartsluting te krijen om de MOSFET te riden.

 

De hjirboppe neamde 4V of 10V is de oansetspanning fan gewoan brûkte MOSFET's, en fansels moat in bepaalde marzje tastien wurde tidens ûntwerp. En hoe heger de spanning, hoe flugger de konduksjesnelheid en hoe lytser de konduksjeresistinsje. No binne d'r MOSFET's mei lytsere geleidingsspanningen brûkt yn ferskate fjilden, mar yn 12V auto-elektroanyske systemen is oer it algemien 4V-gelieding genôch.

 

Foar it MOSFET-bestjoerder-sirkwy en har ferliezen, ferwize asjebleaft nei Microchip's AN799 Matching MOSFET-bestjoerders nei MOSFET's. It is tige detaillearre, dus ik sil net mear skriuwe.

 

It produkt fan spanning en stroom op it momint fan conduction is hiel grut, wêrtroch grutte ferliezen. It ferminderjen fan de skeakeltiid kin it ferlies yn elke konduksje ferminderje; it ferminderjen fan de switch frekwinsje kin ferminderjen it oantal skakelaars per ienheid tiid. Beide metoaden kinne skeakelje ferliezen ferminderje.

MOSFET is in type FET (de oare is JFET). It kin wurde makke yn ferbettering modus of útputting modus, P-kanaal of N-kanaal, yn totaal 4 soarten. Lykwols, allinnich ferbettering-modus N-kanaal MOSFET wurdt eins brûkt. en enhancement-type P-kanaal MOSFET, sadat NMOS of PMOS meastal ferwize nei dizze twa soarten.

 

5. MOSFET applikaasje circuit?

It wichtichste skaaimerk fan MOSFET is syn goede skeakeleigenskippen, dus it wurdt in protte brûkt yn circuits dy't elektroanyske skeakels nedich binne, lykas wikseljen fan stroomfoarsjenningen en motordriuwen, lykas ferljochtingdimmen.

 

De hjoeddeistige MOSFET-bestjoerders hawwe ferskate spesjale easken:

1. Low voltage applikaasje

By it brûken fan in 5V Netzteil, as op dit stuit in tradisjonele totempolstruktuer wurdt brûkt, om't de transistor in spanningsfal hat fan sawat 0.7V, is de werklike definitive spanning tapast op 'e poarte mar 4.3V. Op dit stuit kieze wy de nominale poartekrêft

D'r is in bepaald risiko by it brûken fan in 4.5V MOSFET. Itselde probleem komt ek foar by it brûken fan 3V of oare leechspanningsfoarsjenningen.

2. Wide spanning applikaasje

De ynfierspanning is gjin fêste wearde, it sil feroarje mei tiid of oare faktoaren. Dizze feroaring feroarsaket dat de driuwende spanning levere troch it PWM-sirkwy oan 'e MOSFET ynstabyl is.

Om MOSFET's feilich te meitsjen ûnder hege poartespanningen, hawwe in protte MOSFET's ynboude spanningsregulators om de amplitude fan 'e poartespanning krêftich te beheinen. Yn dit gefal, as de levere driuwende spanning grutter is as de spanning fan 'e spanningsregulatorbuis, sil it grutte statyske enerzjyferbrûk feroarsaakje.

Tagelyk, as jo gewoan it prinsipe fan wjerstannenspanningsdieling brûke om de poartespanning te ferminderjen, sil de MOSFET goed wurkje as de ynfierspanning relatyf heech is, mar as de ynfierspanning wurdt fermindere, sil de poartespanning net genôch wêze, wêrtroch't ûnfolsleine conduction, dêrmei tanimmende macht konsumpsje.

3. Dual voltage applikaasje

Yn guon kontrôle circuits, it logika diel brûkt in typyske 5V of 3.3V digitale spanning, wylst de macht diel brûkt in spanning fan 12V of noch heger. De twa spanningen binne ferbûn mei in mienskiplike grûn.

Dit ropt in eask op om in sirkwy te brûken, sadat de leechspanningskant de MOSFET effektyf kin kontrolearje op 'e heechspanningskant. Tagelyk sil de MOSFET oan 'e heechspanningskant ek de problemen hawwe dy't yn 1 en 2 neamd binne.

Yn dizze trije gefallen kin de totempoalstruktuer net foldwaan oan de útfiereasken, en in protte off-the-shelf MOSFET-sjauffeur-IC's lykje gjin poartespanningsbeheinende struktueren te befetsjen.

 

Dat ik ûntwurp in relatyf algemien circuit om oan dizze trije behoeften te foldwaan.

2

Driver circuit foar NMOS

Hjir sil ik allinich in ienfâldige analyse dwaan fan it NMOS-bestjoerder-sirkwy:

Vl en Vh binne respektivelik de lege-ein en hege-ein macht foarrieden. De twa voltages kin wêze itselde, mar Vl moat net boppe Vh.

Q1 en Q2 foarmje in omkearde totempaal foar it berikken fan isolemint, wylst se soargje dat de twa bestjoerder buizen Q3 en Q4 net oansette tagelyk.

R2 en R3 jouwe de PWM-spanningsreferinsje. Troch dizze referinsje te feroarjen, kin it circuit betsjinne wurde yn in posysje wêr't de golffoarm fan it PWM-sinjaal relatyf steil is.

Q3 en Q4 wurde brûkt om driuwstrom te leverjen. Wannear't ynskeakele is, hawwe Q3 en Q4 allinich in minimale spanningsfal fan Vce relatyf oan Vh en GND. Dizze spanningsfal is normaal mar sawat 0,3V, wat folle leger is as de Vce fan 0,7V.

R5 en R6 binne feedback wjerstannen, brûkt om sample de poarte spanning. De samplede spanning genereart in sterke negative feedback oan 'e basis fan Q1 en Q2 fia Q5, en beheint dus de poartespanning ta in beheinde wearde. Dizze wearde kin oanpast wurde troch R5 en R6.

Uteinlik leveret R1 de basisstreamlimyt foar Q3 en Q4, en R4 leveret de poartestromlimyt foar de MOSFET, dat is de limyt fan it Ice fan Q3 en Q4. As it nedich is, kin in fersnellingskondensator parallel oan R4 ferbûn wurde.

Dit circuit biedt de folgjende funksjes:

1. Brûk lege-side spanning en PWM te riden de hege-side MOSFET.

2. Brûk in lyts amplitude PWM-sinjaal om in MOSFET te riden mei hege poartespanningseasken.

3. Peak limyt fan poarte voltage

4. Ynput- en útfier hjoeddeistige grinzen

5. Troch it brûken fan passende wjerstannen kin tige leech enerzjyferbrûk berikt wurde.

6. It PWM-sinjaal wurdt omkeard. NMOS hat dizze funksje net nedich en kin oplost wurde troch in ynverter foar te pleatsen.

By it ûntwerpen fan draachbere apparaten en draadloze produkten, it ferbetterjen fan produktprestaasjes en it ferlingjen fan 'e batterijlibben binne twa problemen dy't ûntwerpers tsjinkomme moatte. DC-DC-converters hawwe de foardielen fan hege effisjinsje, grutte útfierstroom, en lege rêststroom, wêrtroch't se tige geskikt binne foar it oandriuwen fan draachbere apparaten. Op it stuit binne de wichtichste trends yn 'e ûntwikkeling fan DC-DC converter design technology: (1) Heechfrekwinsje technology: As de skeakelfrekwinsje ferheget, wurdt de grutte fan' e switching converter ek fermindere, de krêfttichtens wurdt ek sterk ferhege, en de dynamyske reaksje wurdt ferbettere. . De wikselfrekwinsje fan DC-DC-konverters mei leech macht sil oprinne nei it megahertz-nivo. (2) Low output voltage technology: Mei de trochgeande ûntwikkeling fan semiconductor manufacturing technology, de bestjoeringssysteem spanning fan mikroprocessors en draachbere elektroanyske apparaten wurdt hieltyd leger, dat fereasket takomstige DC-DC converters te leverjen lege útfier spanning oan te passen oan mikroprocessors. easken foar processors en draachbere elektroanyske apparaten.

De ûntwikkeling fan dizze technologyen hat hegere easken steld foar it ûntwerp fan power chip circuits. As earste, as de wikselfrekwinsje trochgiet te ferheegjen, wurde hege easken steld oan 'e prestaasjes fan skeakeleleminten. Tagelyk moatte korrespondearjende skeakeleleminten oandriuwkringen wurde levere om te soargjen dat de skeakeleleminten normaal wurkje by wikselfrekwinsjes oant MHz. Twad, foar batterij-oandreaune draachbere elektroanyske apparaten, de wurkspanning fan it circuit is leech (nimme lithium batterijen as foarbyld, de wurkspanning is 2.5 ~ 3.6V), dêrom, de wurkjende spanning fan de macht chip is leech.

 

MOSFET hat heul lege oan-ferset en verbruikt leech enerzjy. MOSFET wurdt faak brûkt as power switch yn op it stuit populêre hege-effisjinsje DC-DC chips. Troch de grutte parasitêre kapasitânsje fan MOSFET is de poartekapasiteit fan NMOS-skeakelbuizen lykwols oer it algemien sa heech as tsientallen picofarads. Dit stelt hegere easken foar it ûntwerp fan hege bestjoeringsfrekwinsje DC-DC converter switching tube drive circuit.

Yn leechspannings ULSI-ûntwerpen binne d'r in ferskaat oan CMOS- en BiCMOS-logyske circuits dy't gebrûk meitsje fan bootstrap-booststruktueren en rydkringen as grutte kapasitive loads. Dizze circuits kinne normaal operearje mei in spanningsspanning leger dan 1V, en kinne operearje op in frekwinsje fan tsientallen megahertz of sels hûnderten megahertz mei in ladingskapasitânsje fan 1 oant 2pF. Dit artikel brûkt in bootstrap boost circuit foar in ûntwerp fan in drive circuit mei grutte load capacitance drive kapasiteit dat is geskikt foar lege spanning, hege switching frekwinsje boost DC-DC converters. It circuit is ûntwurpen basearre op Samsung AHP615 BiCMOS-proses en ferifiearre troch Hspice-simulaasje. As de leveringsspanning 1.5V is en de loadkapasitânsje 60pF is, kin de bestjoeringsfrekwinsje mear dan 5MHz berikke.

2

MOSFET switching skaaimerken

2

1. Statyske skaaimerken

As skeakelelemint wurket MOSFET ek yn twa steaten: út of oan. Sûnt MOSFET is in spanning-kontrolearre komponint, syn wurk tastân wurdt benammen bepaald troch de poarte-boarne spanning uGS.

 

De wurking skaaimerken binne as folget:

※ uGS＜ ynskeakelje spanning UT: MOSFET wurket yn it ôfsnien gebiet, de drain-boarne hjoeddeistige iDS is yn prinsipe 0, de útfierspanning uDS≈UDD, en de MOSFET is yn 'e "út" steat.

※ uGS>Turn-on spanning UT: MOSFET wurket yn 'e conduction regio, drain-boarne hjoeddeistige iDS = UDD / (RD + rDS). Under harren is rDS de drain-boarne ferset as de MOSFET is ynskeakele. De útgongsspanning UDS=UDD?rDS/(RD+rDS), as rDS＜＜RD, uDS≈0V, is de MOSFET yn de "oan" steat.

2. Dynamyske skaaimerken

MOSFET hat ek in oergongsproses by it wikseljen tusken oan en út steaten, mar syn dynamyske skaaimerken binne benammen ôfhinklik fan 'e tiid dy't nedich is foar it opladen en ûntlêsten fan' e stray-kapasitânsje yn ferbân mei it circuit, en de ladingakkumulaasje en -ûntlading as de buis sels oan en út is De dissipaasjetiid is tige lyts.

Wannear't de ynfierspanning ui feroaret fan heech nei leech en de MOSFET feroaret fan 'e oan-status nei de út-status, laadt de stroomfoarsjenning UDD de strielingskapasiteit CL fia RD, en de oplaadtiidkonstante τ1 = RDCL. Dêrom moat de útfierspanning uo troch in bepaalde fertraging gean foardat it feroaret fan leech nivo nei heech nivo; doe't de ynfier voltage ui feroaret fan leech nei heech en de MOSFET feroaret fan 'e út steat oan' e oan steat, de lading op 'e stray capacitance CL giet troch rDS Discharge komt foar mei in discharge tiid konstante τ2≈rDSCL. It kin sjoen wurde dat de útfierspanning Uo ek in bepaalde fertraging nedich hat foardat it oergean kin nei in leech nivo. Mar om't rDS folle lytser is as RD, is de konverzjetiid fan ôfsnijing nei konduksje koarter as de konverzjetiid fan konduksje nei ôfsnijing.

Sûnt de drain-boarne-resistinsje rDS fan 'e MOSFET as it ynskeakele is folle grutter is dan de sêdingswjerstân rCES fan' e transistor, en de eksterne drainresistinsje RD ek grutter is as de kollektorresistinsje RC fan 'e transistor, is de oplaad- en ûntlaadtiid fan 'e MOSFET is langer, wêrtroch't de MOSFET De skeakelsnelheid is leger as dy fan in transistor. Lykwols, yn CMOS-sirkels, om't it oplaadsirkwy en it ûntlaadsirkwy beide sirkwy mei leech ferset binne, binne de oplaad- en ûntlaadprosessen relatyf fluch, wat resulteart yn in hege skeakelsnelheid foar it CMOS-sirkwy.