Duży obwód sterownika MOSFET

Przede wszystkim typ i budowa MOSFET-u,MOSFETto FET (inny to JFET), może być wytwarzany w postaci wzmocnionej lub zubożonej, z kanałem P lub kanałem N, w sumie cztery typy, ale w rzeczywistości stosuje się tylko ulepszone tranzystory MOSFET z kanałem N i ulepszone tranzystory MOSFET z kanałem P, więc zwykle określane jako NMOS lub PMOS odnosi się do tych dwóch rodzajów. W przypadku tych dwóch typów ulepszonych tranzystorów MOSFET częściej stosowany jest NMOS, a powodem jest to, że rezystancja włączenia jest mała i łatwa w produkcji. Dlatego NMOS jest powszechnie stosowany w zastosowaniach związanych z przełączaniem zasilania i napędami silników.

W poniższym wprowadzeniu większość przypadków jest zdominowana przez NMOS. Pomiędzy trzema pinami MOSFET-u istnieje pasożytnicza pojemność, która nie jest potrzebna, ale wynika z ograniczeń procesu produkcyjnego. Obecność pasożytniczej pojemności sprawia, że ​​zaprojektowanie lub wybór obwodu sterownika jest nieco trudne. Pomiędzy drenem a źródłem znajduje się dioda pasożytnicza. Nazywa się to diodą korpusu i odgrywa ważną rolę w sterowaniu obciążeniami indukcyjnymi, takimi jak silniki. Nawiasem mówiąc, dioda korpusu występuje tylko w pojedynczych tranzystorach MOSFET i zwykle nie jest obecna w układzie scalonym.

 

MOSFETstrata w lampie przełączającej, niezależnie od tego, czy jest to NMOS, czy PMOS, po wystąpieniu przewodzenia rezystancji włączenia, tak że prąd będzie zużywał energię w tym oporze, ta część zużytej energii nazywana jest stratą przewodzenia. Wybór tranzystorów MOSFET o niskiej rezystancji w stanie włączenia zmniejszy utratę rezystancji w stanie włączenia. Obecnie rezystancja włączenia tranzystorów MOSFET małej mocy wynosi zazwyczaj około kilkudziesięciu miliomów, ale dostępnych jest również kilka miliomów. Układy MOSFET nie mogą zostać ukończone natychmiastowo, gdy są włączane i wyłączane. Istnieje proces zmniejszania napięcia przy obu końcach MOSFET-a i następuje proces zwiększania przepływającego przez niego prądu. W tym okresie strata MOSFET-u jest iloczynem napięcia i prądu, co nazywa się stratą przełączania. Zwykle strata przełączania jest znacznie większa niż strata przewodzenia, a im większa częstotliwość przełączania, tym większa strata. Iloczyn napięcia i prądu w chwili przewodzenia jest bardzo duży, co powoduje duże straty. Skrócenie czasu przełączania zmniejsza straty przy każdym przewodzeniu; zmniejszenie częstotliwości przełączania zmniejsza liczbę przełączeń w jednostce czasu. Obydwa te podejścia zmniejszają straty przełączania.

W porównaniu z tranzystorami bipolarnymi ogólnie uważa się, że do wytworzenia prądu nie jest wymagany żaden prądMOSFETzachowanie, o ile napięcie GS przekracza pewną wartość. Jest to łatwe do zrobienia, jednak potrzebujemy również szybkości. Jak widać w strukturze MOSFET-u, pomiędzy GS, GD występuje pasożytnicza pojemność, a sterowanie MOSFET-em polega w rzeczywistości na ładowaniu i rozładowywaniu pojemności. Ładowanie kondensatora wymaga prądu, ponieważ natychmiastowe ładowanie kondensatora można uznać za zwarcie, więc chwilowy prąd będzie wyższy. Pierwszą rzeczą, na którą należy zwrócić uwagę przy wyborze/projektowaniu sterownika MOSFET, jest wielkość chwilowego prądu zwarciowego, jaki można zapewnić.

Drugą rzeczą, na którą należy zwrócić uwagę, jest to, że napięcie bramki włączenia czasu, powszechnie stosowane w wysokiej klasy napędach NMOS, musi być większe niż napięcie źródła. Wysokiej klasy napęd MOSFET na napięciu źródła i napięciu drenu (VCC) jest taki sam, więc napięcie bramki niż VCC 4V lub 10V. jeśli w tym samym systemie, aby uzyskać większe napięcie niż VCC, musimy wyspecjalizować się w obwodzie wzmacniającym. Wiele sterowników silników ma zintegrowane pompy ładujące. Należy pamiętać, że należy wybrać odpowiednią pojemność zewnętrzną, aby uzyskać wystarczający prąd zwarciowy do napędzania MOSFET-u. 4V lub 10V to powszechnie używany MOSFET na napięcie, przy konstrukcji oczywiście trzeba mieć pewien margines. Im wyższe napięcie, tym większa prędkość w stanie włączenia i niższa rezystancja w stanie włączenia. Obecnie dostępne są również mniejsze tranzystory MOSFET o napięciu w stanie włączenia, stosowane w różnych dziedzinach, ale w systemie elektroniki samochodowej 12 V zwykle wystarcza napięcie w stanie włączenia 4 V. Najbardziej godną uwagi cechą tranzystorów MOSFET jest dobra charakterystyka przełączania, dlatego jest on szeroko stosowany w zapotrzebowanie na elektroniczne obwody przełączające, takie jak zasilacz impulsowy i napęd silnikowy, ale także ściemnianie oświetlenia. Środki przewodzące działające jak przełącznik, co jest równoznaczne z zamknięciem przełącznika. Charakterystyka NMOS, Vgs większa od określonej wartości, będzie przewodzić, odpowiednia do stosowania w przypadku, gdy źródło jest uziemione (napęd low-end), o ile bramka napięcie 4V lub 10V. Charakterystyka PMOS, przewodzi Vgs poniżej określonej wartości, nadaje się do stosowania w przypadku, gdy źródło jest podłączone do VCC (napęd high-end). Jednakże, chociaż PMOS może być z łatwością używany jako sterownik wysokiej klasy, NMOS jest zwykle używany w sterownikach wysokiej klasy ze względu na dużą rezystancję włączenia, wysoką cenę i niewielką liczbę typów zamienników.

Teraz MOSFET napędza aplikacje niskonapięciowe, gdy używany jest zasilacz 5 V, tym razem jeśli używasz tradycyjnej konstrukcji bieguna totemu, ze względu na spadek napięcia na tranzystorze o około 0,7 V, co skutkuje faktycznym dodaniem wartości końcowej do bramki na napięcie wynosi tylko 4,3 V. W tym momencie wybieramy nominalne napięcie bramki 4,5 V MOSFET-u ze względu na istnienie pewnych zagrożeń. Ten sam problem występuje w przypadku korzystania z zasilania 3 V lub innego źródła zasilania o niskim napięciu. W niektórych obwodach sterujących stosowane jest podwójne napięcie, gdzie sekcja logiczna wykorzystuje typowe napięcie cyfrowe 5 V lub 3,3 V, a sekcja mocy wykorzystuje napięcie 12 V lub nawet wyższe. Obydwa napięcia są połączone wspólną masą. Nakłada to wymóg stosowania obwodu, który umożliwia stronie niskiego napięcia skuteczne sterowanie MOSFET-em po stronie wysokiego napięcia, podczas gdy MOSFET po stronie wysokiego napięcia będzie napotykał te same problemy, o których mowa w punktach 1 i 2. We wszystkich trzech przypadkach Struktura słupa totemu nie jest w stanie spełnić wymagań wyjściowych, a wiele gotowych układów scalonych sterowników MOSFET nie wydaje się zawierać struktury ograniczającej napięcie bramki. Napięcie wejściowe nie jest wartością stałą, zmienia się w czasie lub innymi czynnikami. Ta zmiana powoduje, że napięcie sterujące dostarczane do MOSFET-u przez obwód PWM jest niestabilne. Aby zabezpieczyć MOSFET przed wysokimi napięciami bramki, wiele tranzystorów MOSFET ma wbudowane regulatory napięcia, które silnie ograniczają amplitudę napięcia bramki.

 

W tym przypadku, gdy dostarczone napięcie napędu przekroczy napięcie regulatora, spowoduje to duży pobór mocy statycznej. Jednocześnie, jeśli po prostu zastosujesz zasadę rezystorowego dzielnika napięcia w celu zmniejszenia napięcia bramki, wystąpi stosunkowo wysokie napięcie wejściowe, MOSFET działa dobrze, natomiast napięcie wejściowe jest zmniejszane, gdy napięcie bramki jest niewystarczające, aby spowodować niewystarczające pełne przewodzenie, zwiększając w ten sposób zużycie energii.

Stosunkowo powszechny obwód tutaj, tylko dla obwodu sterownika NMOS, aby przeprowadzić prostą analizę: Vl i Vh to odpowiednio zasilacz z niższej i wyższej półki, oba napięcia mogą być takie same, ale Vl nie powinno przekraczać Vh. Q1 i Q2 tworzą odwrócony słup totemowy, służący do uzyskania izolacji i jednocześnie zapewnienia, że ​​dwie lampy sterujące Q3 i Q4 nie będą włączone w tym samym czasie. R2 i R3 zapewniają napięcie odniesienia PWM, a zmieniając to odniesienie, można sprawić, że obwód będzie działał dobrze, a napięcie bramki nie będzie wystarczające, aby spowodować dokładne przewodzenie, zwiększając w ten sposób zużycie energii. R2 i R3 zapewniają napięcie odniesienia PWM, zmieniając to odniesienie, można pozwolić, aby obwód pracował w kształcie fali sygnału PWM w stosunkowo stromym i prostym położeniu. Q3 i Q4 służą do zapewnienia prądu napędu, ze względu na czas włączenia, Q3 i Q4 w stosunku do Vh i GND stanowią jedynie minimum spadku napięcia Vce, ten spadek napięcia wynosi zwykle około 0,3 V, znacznie mniej niż 0,7 V Vce R5 i R6 są rezystorami sprzężenia zwrotnego do próbkowania napięcia bramki, po pobraniu próbki napięcia napięcie bramki wykorzystywane jest jako rezystor sprzężenia zwrotnego do napięcia bramki, a napięcie próbki wykorzystywane jest do napięcia bramki. R5 i R6 to rezystory sprzężenia zwrotnego używane do próbkowania napięcia bramki, które jest następnie przepuszczane przez tranzystor Q5 w celu wytworzenia silnego ujemnego sprzężenia zwrotnego na podstawach Q1 i Q2, ograniczając w ten sposób napięcie bramki do wartości skończonej. Wartość tę można regulować za pomocą R5 i R6. Wreszcie R1 zapewnia ograniczenie prądu bazowego do Q3 i Q4, a R4 zapewnia ograniczenie prądu bramki do tranzystorów MOSFET, co jest ograniczeniem lodu Q3Q4. W razie potrzeby kondensator przyspieszający można podłączyć równolegle nad R4.                                         

Projektując urządzenia przenośne i produkty bezprzewodowe, poprawa wydajności produktu i wydłużenie czasu pracy baterii to dwa problemy, z którymi muszą się zmierzyć projektanci. Przetwornice DC-DC mają zalety wysokiej wydajności, wysokiego prądu wyjściowego i niskiego prądu spoczynkowego, które doskonale nadają się do zasilania urządzeń przenośnych urządzenia.

Przetwornice DC-DC mają zalety wysokiej wydajności, wysokiego prądu wyjściowego i niskiego prądu spoczynkowego, które doskonale nadają się do zasilania urządzeń przenośnych. Obecnie do głównych trendów rozwoju technologii projektowania przetwornic DC-DC zalicza się: technologię wysokiej częstotliwości: wraz ze wzrostem częstotliwości przełączania zmniejszają się także wymiary przetwornicy, znacznie zwiększa się gęstość mocy, a dynamika reakcja uległa poprawie. Mały

Częstotliwość przełączania przetwornicy DC-DC mocy wzrośnie do poziomu megaherców. Technologia niskiego napięcia wyjściowego: Wraz z ciągłym rozwojem technologii produkcji półprzewodników, mikroprocesorów i przenośnego sprzętu elektronicznego napięcie robocze staje się coraz niższe, co wymaga, aby przyszła przetwornica DC-DC mogła zapewnić niskie napięcie wyjściowe, aby dostosować się do mikroprocesora i przenośnego sprzętu elektronicznego, który wymaga przyszłego konwertera DC-DC, który może zapewnić niskie napięcie wyjściowe, aby dostosować się do mikroprocesora.

Wystarczające, aby zapewnić niskie napięcie wyjściowe w celu dostosowania do mikroprocesorów i przenośnego sprzętu elektronicznego. Te osiągnięcia technologiczne stawiają wyższe wymagania dotyczące projektowania obwodów chipowych zasilaczy. Przede wszystkim wraz ze wzrostem częstotliwości przełączania podnosi się wydajność elementów przełączających

Wysokie wymagania dotyczące wydajności elementu przełączającego i musi mieć odpowiedni obwód napędowy elementu przełączającego, aby zapewnić element przełączający w częstotliwości przełączania do poziomu megaherców normalnej pracy. Po drugie, w przypadku przenośnych urządzeń elektronicznych zasilanych bateryjnie napięcie robocze obwodu jest niskie (na przykład w przypadku baterii litowych).

Baterie litowe, na przykład, napięcie robocze 2,5 ~ 3,6 V), więc układ zasilania dla niższego napięcia.

MOSFET ma bardzo niską rezystancję włączenia i niskie zużycie energii, w obecnie popularnym, wysokowydajnym chipie DC-DC więcej MOSFET-u jako przełącznika zasilania. Jednak ze względu na dużą pojemność pasożytniczą tranzystorów MOSFET. Stawia to wyższe wymagania w zakresie projektowania obwodów sterowników lamp przełączających przy projektowaniu przetwornic DC-DC o wysokiej częstotliwości roboczej. Istnieją różne obwody logiczne CMOS i BiCMOS wykorzystujące strukturę wzmocnienia ładowania początkowego i obwody sterownika jako duże obciążenia pojemnościowe w konstrukcji niskonapięciowej ULSI. Układy te są w stanie poprawnie pracować w warunkach napięcia zasilania mniejszego niż 1V, a także mogą pracować w warunkach pojemności obciążenia 1 ~ 2pF. Częstotliwość może sięgać dziesiątek megabitów, a nawet setek megaherców. W tym artykule obwód wzmacniający ładowania początkowego został wykorzystany do zaprojektowania układu napędowego o dużej pojemności obciążeniowej, odpowiedniego dla obwodu sterującego przetwornika DC-DC o niskim napięciu i wysokiej częstotliwości przełączania. Niskie napięcie i PWM do sterowania wysokiej klasy tranzystorami MOSFET. Sygnał PWM o małej amplitudzie do sterowania wysokim napięciem bramki tranzystorów MOSFET.