MOSFET original grundlæggende viden og anvendelse

Med hensyn til hvorfor udtømningstilstandMOSFET'erikke bruges, anbefales det ikke at komme til bunds i det.

For disse to forbedringstilstande MOSFET'er er NMOS mere almindeligt brugt. Årsagen er, at on-modstanden er lille og nem at fremstille. Derfor bruges NMOS generelt til at skifte strømforsyning og motordrevapplikationer. I den følgende introduktion er NMOS mest brugt.

Der er en parasitisk kapacitans mellem MOSFET'ens tre ben. Dette er ikke, hvad vi har brug for, men er forårsaget af fremstillingsprocessens begrænsninger. Eksistensen af parasitisk kapacitans gør det mere besværligt, når man designer eller vælger et drevkredsløb, men der er ingen måde at undgå det på. Vi vil introducere det i detaljer senere.

Der er en parasitisk diode mellem afløbet og kilden. Dette kaldes kropsdioden. Denne diode er meget vigtig ved kørsel af induktive belastninger (såsom motorer). Forresten findes kropsdioden kun i en enkelt MOSFET og findes normalt ikke inde i en integreret kredsløbschip.

2. MOSFET ledningsegenskaber

Ledende betyder, at der fungerer som en kontakt, hvilket svarer til, at kontakten er lukket.

Det karakteristiske ved NMOS er, at det vil tænde, når Vgs er større end en bestemt værdi. Den er velegnet til brug, når kilden er jordet (lavt drev), så længe gatespændingen når 4V eller 10V.

Kendetegnene ved PMOS er, at den vil tænde, når Vgs er mindre end en vis værdi, hvilket er velegnet til situationer, hvor kilden er forbundet til VCC (high-end drive). Dog selv omPMOSkan nemt bruges som en avanceret driver, NMOS bruges normalt i avancerede drivere på grund af stor on-modstand, høj pris og få udskiftningstyper.

3. Tab af MOS-switchrør

Uanset om det er NMOS eller PMOS, er der en on-modstand, efter at den er tændt, så strømmen vil forbruge energi på denne modstand. Denne del af den forbrugte energi kaldes ledningstab. At vælge en MOSFET med en lille on-modstand vil reducere ledningstab. Nutidens MOSFET-modstand med lav effekt er generelt omkring snesevis af milliohm, og der er også flere milliohm.

Når MOSFET er tændt og slukket, må den ikke afsluttes med det samme. Spændingen over MOS har en faldende proces, og den flydende strøm har en stigende proces. I denne periode erMOSFET'ertab er produktet af spænding og strøm, som kaldes switching tab. Normalt er koblingstab meget større end ledningstab, og jo hurtigere koblingsfrekvensen er, desto større er tabene.

Produktet af spænding og strøm i ledningsøjeblikket er meget stort, hvilket forårsager store tab. Forkortelse af koblingstiden kan reducere tabet under hver ledning; reduktion af koblingsfrekvensen kan reducere antallet af kontakter pr. tidsenhed. Begge metoder kan reducere koblingstab.

Bølgeformen, når MOSFET er tændt. Det kan ses, at produktet af spænding og strøm i ledningsøjeblikket er meget stort, og tabet er også meget stort. Reduktion af koblingstiden kan reducere tabet under hver ledning; reduktion af koblingsfrekvensen kan reducere antallet af kontakter pr. tidsenhed. Begge metoder kan reducere koblingstab.

4. MOSFET-driver

Sammenlignet med bipolære transistorer antages det generelt, at der ikke kræves strøm for at tænde en MOSFET, så længe GS-spændingen er højere end en vis værdi. Det er nemt at gøre, men vi har også brug for hurtighed.

Det kan ses i strukturen af MOSFET'en, at der er en parasitisk kapacitans mellem GS og GD, og driften af MOSFET'en er faktisk op- og afladningen af kondensatoren. Opladning af kondensatoren kræver strøm, fordi kondensatoren kan betragtes som en kortslutning i opladningsøjeblikket, så den øjeblikkelige strøm vil være relativt stor. Den første ting, du skal være opmærksom på, når du vælger/designer en MOSFET-driver, er mængden af øjeblikkelig kortslutningsstrøm, den kan give. ,

Den anden ting at bemærke er, at NMOS, som almindeligvis bruges til high-end kørsel, har brug for, at gatespændingen er større end kildespændingen, når den er tændt. Når den high-side-drevne MOSFET er tændt, er kildespændingen den samme som drain-spændingen (VCC), så gate-spændingen er 4V eller 10V større end VCC på dette tidspunkt. Hvis du ønsker at få en spænding større end VCC i samme system, skal du bruge et særligt boost-kredsløb. Mange motordrivere har integrerede ladepumper. Det skal bemærkes, at en passende ekstern kondensator skal vælges for at opnå tilstrækkelig kortslutningsstrøm til at drive MOSFET.

4V eller 10V nævnt ovenfor er tændspændingen for almindeligt anvendte MOSFET'er, og selvfølgelig skal en vis margin tillades under design. Og jo højere spænding, jo hurtigere er ledningshastigheden og jo mindre ledningsmodstand. Nu er der MOSFET'er med mindre ledningsspændinger, der bruges i forskellige felter, men i 12V bilelektroniksystemer er generelt 4V ledning nok.

For MOSFET-driverkredsløbet og dets tab henvises til Microchips AN799 Matching MOSFET-drivere til MOSFET'er. Det er meget detaljeret, så jeg vil ikke skrive mere.

Produktet af spænding og strøm i ledningsøjeblikket er meget stort, hvilket forårsager store tab. Reduktion af koblingstiden kan reducere tabet under hver ledning; reduktion af koblingsfrekvensen kan reducere antallet af kontakter pr. tidsenhed. Begge metoder kan reducere koblingstab.

MOSFET er en type FET (den anden er JFET). Den kan laves til forbedringstilstand eller udtømningstilstand, P-kanal eller N-kanal, i alt 4 typer. Det er dog kun N-kanal MOSFET i N-kanal, der bruges i N-kanal. og forbedringstype P-kanal MOSFET, så NMOS eller PMOS refererer normalt til disse to typer.

5. MOSFET ansøgning kredsløb?

Den mest betydningsfulde egenskab ved MOSFET er dens gode koblingsegenskaber, så den er meget udbredt i kredsløb, der kræver elektroniske kontakter, såsom omskiftning af strømforsyninger og motordrev, samt lysdæmpning.

Dagens MOSFET-drivere har flere specielle krav:

1. Lavspændingsapplikation

Ved brug af en 5V strømforsyning, hvis der bruges en traditionel totempælstruktur på dette tidspunkt, da transistoren har et spændingsfald på omkring 0,7V, er den faktiske slutspænding på porten kun 4,3V. På dette tidspunkt vælger vi den nominelle porteffekt

Der er en vis risiko ved brug af en 4,5V MOSFET. Det samme problem opstår også ved brug af 3V eller andre lavspændingsstrømforsyninger.

2. Bred spændingsanvendelse

Indgangsspændingen er ikke en fast værdi, den vil ændre sig med tiden eller andre faktorer. Denne ændring forårsager, at drivspændingen, der leveres af PWM-kredsløbet til MOSFET'en, er ustabil.

For at gøre MOSFET'er sikre under høje gatespændinger har mange MOSFET'er indbyggede spændingsregulatorer for kraftigt at begrænse gatespændingens amplitude. I dette tilfælde, når den leverede drivspænding overstiger spændingen i spændingsregulatorrøret, vil det forårsage et stort statisk strømforbrug.

På samme tid, hvis du blot bruger princippet om modstandsspændingsdeling til at reducere gatespændingen, vil MOSFET'en fungere godt, når indgangsspændingen er relativt høj, men når indgangsspændingen reduceres, vil gatespændingen være utilstrækkelig, hvilket forårsager ufuldstændig ledning, hvilket øger strømforbruget.

3. Dobbeltspændingsanvendelse

I nogle styrekredsløb bruger den logiske del en typisk 5V eller 3,3V digital spænding, mens strømdelen bruger en spænding på 12V eller endnu højere. De to spændinger er forbundet til en fælles jord.

Dette rejser et krav om at bruge et kredsløb, så lavspændingssiden effektivt kan styre MOSFET'en på højspændingssiden. Samtidig vil MOSFET'en på højspændingssiden også stå over for de under 1 og 2 nævnte problemer.

I disse tre tilfælde kan totempælstrukturen ikke opfylde outputkravene, og mange off-the-shelf MOSFET driver IC'er ser ikke ud til at inkludere gatespændingsbegrænsende strukturer.

Så jeg designede et relativt generelt kredsløb til at opfylde disse tre behov.

Driver kredsløb til NMOS

Her vil jeg kun lave en simpel analyse af NMOS-driverkredsløbet:

Vl og Vh er henholdsvis low-end og high-end strømforsyningerne. De to spændinger kan være ens, men Vl bør ikke overstige Vh.

Q1 og Q2 danner en omvendt totempæl for at opnå isolering og samtidig sikre, at de to driverrør Q3 og Q4 ikke tænder på samme tid.

R2 og R3 giver PWM spændingsreferencen. Ved at ændre denne reference kan kredsløbet betjenes i en position, hvor PWM-signalets bølgeform er relativt stejl.

Q3 og Q4 bruges til at levere drivstrøm. Når de er tændt, har Q3 og Q4 kun et minimumsspændingsfald på Vce i forhold til Vh og GND. Dette spændingsfald er normalt kun omkring 0,3V, hvilket er meget lavere end Vce på 0,7V.

R5 og R6 er feedbackmodstande, der bruges til at sample gatespændingen. Den samplede spænding genererer en stærk negativ feedback til baserne af Q1 og Q2 til og med Q5, hvilket begrænser gatespændingen til en begrænset værdi. Denne værdi kan justeres gennem R5 og R6.

Endelig giver R1 basisstrømgrænsen for Q3 og Q4, og R4 giver gatestrømgrænsen for MOSFET'en, som er grænsen for isen for Q3 og Q4. Om nødvendigt kan en accelerationskondensator tilsluttes parallelt med R4.

Dette kredsløb har følgende funktioner:

1. Brug lavsidespænding og PWM til at drive high-side MOSFET.

2. Brug et PWM-signal med lille amplitude til at drive en MOSFET med høje gatespændingskrav.

3. Spidsgrænse for portspænding

4. Indgangs- og udgangsstrømgrænser

5. Ved at bruge passende modstande kan der opnås et meget lavt strømforbrug.

6. PWM-signalet er inverteret. NMOS har ikke brug for denne funktion og kan løses ved at placere en inverter foran.

Når man designer bærbare enheder og trådløse produkter, er forbedring af produktets ydeevne og forlængelse af batterilevetiden to problemer, som designere skal stå over for. DC-DC-konvertere har fordelene ved høj effektivitet, stor udgangsstrøm og lav hvilestrøm, hvilket gør dem meget velegnede til at drive bærbare enheder. På nuværende tidspunkt er de vigtigste tendenser i udviklingen af DC-DC-konverterdesignteknologi: (1) Højfrekvensteknologi: Efterhånden som switchfrekvensen stiger, reduceres størrelsen af switching-konverteren også, effekttætheden øges også kraftigt, og den dynamiske respons er forbedret. . Omskiftningsfrekvensen for laveffekt DC-DC-konvertere vil stige til megahertz-niveauet. (2) Lavudgangsspændingsteknologi: Med den kontinuerlige udvikling af halvlederfremstillingsteknologi bliver driftsspændingen for mikroprocessorer og bærbare elektroniske enheder lavere og lavere, hvilket kræver, at fremtidige DC-DC-konvertere giver lav udgangsspænding for at tilpasse sig mikroprocessorer. krav til processorer og bærbart elektronisk udstyr.

Udviklingen af disse teknologier har stillet højere krav til design af strømchipkredsløb. Først og fremmest, efterhånden som omskiftningsfrekvensen fortsætter med at stige, stilles der høje krav til koblingselementernes ydeevne. Samtidig skal der forefindes tilsvarende koblingselementdrivkredsløb for at sikre, at koblingselementerne fungerer normalt ved koblingsfrekvenser op til MHz. For det andet, for batteridrevne bærbare elektroniske enheder, er arbejdsspændingen af kredsløbet lav (med lithiumbatterier som et eksempel, er arbejdsspændingen 2,5 ~ 3,6V), derfor er arbejdsspændingen af strømchippen lav.

MOSFET har meget lav on-modstand og bruger lavt energi. MOSFET bruges ofte som en strømafbryder i aktuelt populære højeffektive DC-DC-chips. På grund af den store parasitiske kapacitans af MOSFET er gate-kapacitansen for NMOS-omskifterrør generelt så høj som titusinder af picofarads. Dette stiller højere krav til udformningen af højfrekvente DC-DC-omformers koblingsrør-drivkredsløb.

I lavspændings-ULSI-design er der en række CMOS- og BiCMOS-logiske kredsløb, der bruger bootstrap-boost-strukturer og drevkredsløb som store kapacitive belastninger. Disse kredsløb kan fungere normalt med en strømforsyningsspænding lavere end 1V og kan fungere ved en frekvens på titusinder af megahertz eller endda hundredvis af megahertz med en belastningskapacitans på 1 til 2pF. Denne artikel bruger et bootstrap-boost-kredsløb til at designe et drevkredsløb med stor belastningskapacitans drevkapacitet, der er velegnet til lavspænding, høj switching frekvens boost DC-DC-konvertere. Kredsløbet er designet baseret på Samsung AHP615 BiCMOS-proces og verificeret af Hspice-simulering. Når forsyningsspændingen er 1,5V og belastningskapacitansen er 60pF, kan driftsfrekvensen nå mere end 5MHz.

MOSFET-koblingsegenskaber

1. Statiske egenskaber

Som et koblingselement fungerer MOSFET også i to tilstande: slukket eller tændt. Da MOSFET er en spændingsstyret komponent, er dens arbejdstilstand hovedsageligt bestemt af gate-source spændingen uGS.

Arbejdsegenskaberne er som følger:

※ uGS＜ tændspænding UT: MOSFET arbejder i afskæringsområdet, dræn-kildestrømmen iDS er grundlæggende 0, udgangsspændingen uDS≈UDD, og MOSFET er i "off"-tilstand.

※ uGS>Tændspænding UT: MOSFET fungerer i ledningsområdet, dræn-kildestrøm iDS=UDD/(RD+rDS). Blandt dem er rDS drænkildemodstanden, når MOSFET er tændt. Udgangsspændingen UDS=UDD?rDS/(RD+rDS), hvis rDS＜＜RD, uDS≈0V, er MOSFET'en i "on"-tilstand.

2. Dynamiske egenskaber

MOSFET har også en overgangsproces, når der skiftes mellem tændt og slukket tilstand, men dens dynamiske karakteristika afhænger hovedsageligt af den tid, der kræves til at oplade og aflade den omstrejfende kapacitans relateret til kredsløbet, og ladningsakkumuleringen og afladningen, når selve røret er tændt og slukket Dissipationstiden er meget lille.

Når indgangsspændingen ui ændres fra høj til lav, og MOSFET'en skifter fra tændt tilstand til slukket tilstand, oplader strømforsyningen UDD stray-kapacitansen CL gennem RD, og ladetidskonstanten τ1=RDCL. Derfor skal udgangsspændingen uo gennemgå en vis forsinkelse, før den skifter fra lavt niveau til højt niveau; når indgangsspændingen ui skifter fra lav til høj, og MOSFET'en skifter fra slukket tilstand til tændt tilstand, passerer ladningen på strøkapacitansen CL gennem rDS Afladning sker med en afladningstidskonstant τ2≈rDSCL. Det kan ses, at udgangsspændingen Uo også har brug for en vis forsinkelse, før den kan gå over til et lavt niveau. Men fordi rDS er meget mindre end RD, er konverteringstiden fra cut-off til ledning kortere end konverteringstiden fra ledning til cut-off.

Da afløbskildemodstanden rDS for MOSFET'en, når den er tændt, er meget større end transistorens mætningsmodstand rCES, og den eksterne drænmodstand RD også er større end transistorens kollektormodstand RC, vil opladnings- og afladningstiden af MOSFET er længere, hvilket gør MOSFET. Omskiftningshastigheden er lavere end en transistors. Men i CMOS-kredsløb, da opladningskredsløbet og afladningskredsløbet begge er kredsløb med lav modstand, er opladnings- og afladningsprocesserne relativt hurtige, hvilket resulterer i en høj omskiftningshastighed for CMOS-kredsløbet.