Oryginalna podstawowa wiedza i zastosowanie MOSFET

A dlaczego tryb wyczerpaniaMOSFETynie są używane, nie zaleca się sięgania do sedna.

W przypadku tych dwóch tranzystorów MOSFET z trybem wzmocnienia częściej stosuje się NMOS. 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 najczęściej używany jest NMOS.

Pomiędzy trzema pinami MOSFET-u występuje pasożytnicza pojemność. Nie tego nam potrzeba, ale jest to spowodowane ograniczeniami procesu produkcyjnego. Istnienie pojemności pasożytniczej sprawia, że ​​jest to bardziej kłopotliwe przy projektowaniu lub wyborze obwodu sterującego, ale nie ma sposobu, aby tego uniknąć. Przedstawimy to szczegółowo później.

Pomiędzy drenem a źródłem znajduje się dioda pasożytnicza. Nazywa się to diodą korpusu. Dioda ta jest bardzo ważna przy sterowaniu obciążeniami indukcyjnymi (takimi jak silniki). Nawiasem mówiąc, dioda korpusu występuje tylko w jednym MOSFET-ie i zwykle nie można jej znaleźć w układzie scalonym.

 

2. Charakterystyka przewodzenia MOSFET-ów

Przewodzenie oznacza działanie jako przełącznik, co jest równoznaczne z zamknięciem przełącznika.

Cechą NMOS jest to, że włącza się, gdy Vgs jest większe niż określona wartość. Nadaje się do stosowania, gdy źródło jest uziemione (napęd low-end), o ile napięcie bramki osiąga 4 V lub 10 V.

Charakterystyka PMOS polega na tym, że włącza się, gdy Vgs jest mniejsze niż określona wartość, co jest odpowiednie w sytuacjach, gdy źródło jest podłączone do VCC (napęd wysokiej klasy). Jednakże, chociażPMOSmoże 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.

 

3. Utrata lampy przełącznika MOS

Niezależnie od tego, czy jest to NMOS, czy PMOS, po włączeniu występuje rezystancja włączenia, więc prąd będzie zużywał energię na tej rezystancji. Ta część zużytej energii nazywana jest stratą przewodzenia. Wybór MOSFET-u o małej rezystancji włączenia zmniejszy straty przewodzenia. Rezystancja współczesnych tranzystorów MOSFET małej mocy wynosi zazwyczaj około kilkudziesięciu miliomów, ale jest też kilka miliomów.

Kiedy MOSFET jest włączany i wyłączany, nie można go natychmiast zakończyć. Napięcie na MOS maleje, a przepływający prąd rośnie. W tym okresieMOSFET-ystrata jest iloczynem napięcia i prądu, co nazywa się stratą przełączania. Zwykle straty przełączania są znacznie większe niż straty przewodzenia, a im większa częstotliwość przełączania, tym większe straty.

Iloczyn napięcia i prądu w momencie przewodzenia jest bardzo duży, powodując duże straty. Skrócenie czasu przełączania może zmniejszyć straty podczas każdego przewodzenia; zmniejszenie częstotliwości przełączania może zmniejszyć liczbę przełączeń w jednostce czasu. Obie metody mogą zmniejszyć straty przełączania.

Kształt fali po włączeniu MOSFET-u. Można zauważyć, że iloczyn napięcia i prądu w momencie przewodzenia jest bardzo duży, a spowodowane przez niego straty również są bardzo duże. Skrócenie czasu przełączania może zmniejszyć straty podczas każdego przewodzenia; zmniejszenie częstotliwości przełączania może zmniejszyć liczbę przełączeń w jednostce czasu. Obie metody mogą zmniejszyć straty przełączania.

 

4. Sterownik MOSFET

W porównaniu z tranzystorami bipolarnymi ogólnie uważa się, że do włączenia MOSFET-u nie jest wymagany prąd, o ile napięcie GS jest wyższe niż pewna wartość. Jest to łatwe do zrobienia, ale potrzebujemy również szybkości.

W strukturze MOSFET-u można zauważyć, że pomiędzy GS i GD występuje pasożytnicza pojemność, a sterowanie MOSFET-em polega w rzeczywistości na ładowaniu i rozładowywaniu kondensatora. Ładowanie kondensatora wymaga prądu, ponieważ kondensator można uznać za zwarcie w momencie ładowania, więc chwilowy prąd będzie stosunkowo duży. Pierwszą rzeczą, na którą należy zwrócić uwagę przy wyborze/projektowaniu sterownika MOSFET, jest ilość chwilowego prądu zwarciowego, jaki może on zapewnić. ​

Drugą rzeczą, na którą należy zwrócić uwagę, jest to, że NMOS, który jest powszechnie używany do zaawansowanych zastosowań, wymaga, aby napięcie bramki było większe niż napięcie źródła po włączeniu. Gdy włączony jest MOSFET sterowany stroną górną, napięcie źródła jest takie samo, jak napięcie drenu (VCC), więc napięcie bramki jest w tym momencie o 4 V lub 10 V większe niż VCC. Jeśli chcesz uzyskać w tym samym systemie napięcie większe niż VCC, potrzebujesz specjalnego obwodu wzmacniającego. Wiele sterowników silników ma zintegrowane pompy ładujące. Należy zauważyć, że należy wybrać odpowiedni kondensator zewnętrzny, aby uzyskać wystarczający prąd zwarciowy do zasilania tranzystora MOSFET.

 

Wspomniane powyżej napięcie 4 V lub 10 V to napięcie włączenia powszechnie używanych tranzystorów MOSFET i oczywiście podczas projektowania należy uwzględnić pewien margines. Im wyższe napięcie, tym większa prędkość przewodzenia i mniejszy opór przewodzenia. Obecnie w różnych dziedzinach stosowane są tranzystory MOSFET o niższych napięciach przewodzenia, ale w samochodowych układach elektronicznych 12 V zazwyczaj wystarczające jest przewodnictwo 4 V.

 

Informacje na temat obwodu sterownika MOSFET i jego strat można znaleźć w dokumencie Microchip AN799 Dopasowując sterowniki MOSFET do tranzystorów MOSFET. Jest bardzo szczegółowy, więc nie będę pisać więcej.

 

Iloczyn napięcia i prądu w momencie przewodzenia jest bardzo duży, powodując duże straty. Skrócenie czasu przełączania może zmniejszyć straty podczas każdego przewodzenia; zmniejszenie częstotliwości przełączania może zmniejszyć liczbę przełączeń w jednostce czasu. Obie metody mogą zmniejszyć straty przełączania.

MOSFET jest rodzajem FET (drugi to JFET). Można go ustawić w trybie wzmocnienia lub wyczerpania, w kanale P lub w kanale N, w sumie 4 typy. Jednak w rzeczywistości używany jest tylko N-kanałowy MOSFET z trybem wzmocnienia. oraz MOSFET z kanałem P typu ulepszonego, więc NMOS lub PMOS zwykle odnoszą się do tych dwóch typów.

 

5. Obwód aplikacji MOSFET?

Najważniejszą cechą tranzystora MOSFET jest jego dobra charakterystyka przełączania, dlatego jest on szeroko stosowany w obwodach wymagających przełączników elektronicznych, takich jak zasilacze impulsowe i napędy silnikowe, a także przyciemnianie oświetlenia.

 

Dzisiejsze sterowniki MOSFET mają kilka specjalnych wymagań:

1. Aplikacja niskonapięciowa

W przypadku korzystania z zasilacza 5 V, jeśli w tym momencie używana jest tradycyjna konstrukcja z biegunem totemowym, ponieważ spadek napięcia na tranzystorze wynosi około 0,7 V, rzeczywiste napięcie końcowe przyłożone do bramki wynosi tylko 4,3 V. W tym momencie wybieramy nominalną moc bramki

Używanie MOSFET-u 4,5 V wiąże się z pewnym ryzykiem. Ten sam problem występuje również przy zastosowaniu zasilaczy 3V lub innych niskonapięciowych.

2. Szerokie zastosowanie napięcia

Napięcie wejściowe nie jest wartością stałą, będzie się zmieniać z czasem lub innymi czynnikami. Ta zmiana powoduje, że napięcie sterujące dostarczane przez obwód PWM do MOSFET-u jest niestabilne.

Aby zapewnić bezpieczeństwo tranzystorów MOSFET przy wysokich napięciach bramki, wiele tranzystorów MOSFET ma wbudowane regulatory napięcia, które silnie ograniczają amplitudę napięcia bramki. W takim przypadku, gdy dostarczone napięcie sterujące przekroczy napięcie lampy regulatora napięcia, spowoduje to duży pobór mocy statycznej.

Jednocześnie, jeśli po prostu zastosujesz zasadę podziału napięcia rezystora w celu zmniejszenia napięcia bramki, MOSFET będzie działał dobrze, gdy napięcie wejściowe będzie stosunkowo wysokie, ale gdy napięcie wejściowe zostanie zmniejszone, napięcie bramki będzie niewystarczające, powodując niepełne przewodzenie, zwiększając w ten sposób zużycie energii.

3. Zastosowanie podwójnego napięcia

W niektórych obwodach sterujących część logiczna wykorzystuje typowe napięcie cyfrowe 5 V lub 3,3 V, podczas gdy część zasilająca wykorzystuje napięcie 12 V lub nawet wyższe. Obydwa napięcia są podłączone do wspólnej masy.

Rodzi to potrzebę stosowania obwodu, w którym strona niskiego napięcia może skutecznie sterować MOSFET-em po stronie wysokiego napięcia. Jednocześnie MOSFET po stronie wysokiego napięcia również napotka problemy wymienione w punktach 1 i 2.

W tych trzech przypadkach struktura bieguna totemu nie jest w stanie spełnić wymagań wyjściowych, a wiele gotowych układów scalonych sterowników MOSFET nie zawiera struktur ograniczających napięcie bramki.

 

Zaprojektowałem więc stosunkowo ogólny obwód, aby spełnić te trzy potrzeby.

​

Obwód sterownika dla NMOS

Tutaj dokonam jedynie prostej analizy obwodu sterownika NMOS:

Vl i Vh to odpowiednio zasilacze z niższej i wyższej półki. Obydwa napięcia mogą być takie same, ale Vl nie powinno przekraczać Vh.

Q1 i Q2 tworzą odwrócony biegun totemu, aby osiągnąć izolację, zapewniając jednocześnie, że dwie lampy sterujące Q3 i Q4 nie włączą się w tym samym czasie.

R2 i R3 zapewniają napięcie odniesienia PWM. Zmieniając to odniesienie, obwód może pracować w położeniu, w którym kształt fali sygnału PWM jest stosunkowo stromy.

Q3 i Q4 służą do zapewnienia prądu napędu. Po włączeniu Q3 i Q4 mają jedynie minimalny spadek napięcia Vce w stosunku do Vh i GND. Ten spadek napięcia wynosi zwykle tylko około 0,3 V, czyli znacznie mniej niż Vce wynoszące 0,7 V.

R5 i R6 to rezystory sprzężenia zwrotnego używane do próbkowania napięcia bramki. Próbkowane napięcie generuje silne ujemne sprzężenie zwrotne do podstaw Q1 oraz Q2 do Q5, ograniczając w ten sposób napięcie bramki do ograniczonej wartości. Wartość tę można regulować za pomocą R5 i R6.

Wreszcie, R1 zapewnia bazowy limit prądu dla Q3 i Q4, a R4 zapewnia limit prądu bramki dla MOSFET-a, który jest limitem Ice Q3 i Q4. W razie potrzeby kondensator przyspieszający można podłączyć równolegle do R4.

Obwód ten zapewnia następujące funkcje:

1. Użyj napięcia niskiego napięcia i PWM do sterowania MOSFET-em górnej strony.

2. Użyj sygnału PWM o małej amplitudzie do sterowania tranzystorem MOSFET o wysokich wymaganiach dotyczących napięcia bramki.

3. Limit szczytowy napięcia bramki

4. Ograniczenia prądu wejściowego i wyjściowego

5. Stosując odpowiednie rezystory można uzyskać bardzo niski pobór mocy.

6. Sygnał PWM jest odwrócony. NMOS nie potrzebuje tej funkcji i można go rozwiązać, umieszczając falownik z przodu.

Podczas projektowania urządzeń przenośnych i produktów bezprzewodowych poprawa wydajności produktu i wydłużenie czasu pracy baterii to dwa problemy, z którymi muszą się zmierzyć projektanci. Przetwornice DC-DC mają zalety wysokiej wydajności, dużego prądu wyjściowego i niskiego prądu spoczynkowego, dzięki czemu doskonale nadają się do zasilania urządzeń przenośnych. Obecnie główne trendy w rozwoju technologii projektowania przetwornic DC-DC to: (1) Technologia wysokiej częstotliwości: wraz ze wzrostem częstotliwości przełączania zmniejsza się również rozmiar przetwornicy przełączającej, a także znacznie zwiększa się gęstość mocy, i poprawiono dynamikę reakcji. . Częstotliwość przełączania przetwornic DC-DC małej mocy wzrośnie do poziomu megaherców. (2) Technologia niskiego napięcia wyjściowego: Wraz z ciągłym rozwojem technologii produkcji półprzewodników napięcie robocze mikroprocesorów i przenośnych urządzeń elektronicznych staje się coraz niższe, co wymaga, aby przyszłe przetwornice DC-DC zapewniały niskie napięcie wyjściowe w celu dostosowania do mikroprocesorów. wymagania dotyczące procesorów i przenośnych urządzeń elektronicznych.

Rozwój tych technologii postawił wyższe wymagania w zakresie projektowania układów scalonych mocy. Po pierwsze, wraz ze wzrostem częstotliwości przełączania stawiane są wysokie wymagania wydajności elementów przełączających. Jednocześnie należy przewidzieć odpowiednie obwody sterujące elementami przełączającymi, aby zapewnić normalną pracę elementów przełączających przy częstotliwościach przełączania do MHz. Po drugie, w przypadku przenośnych urządzeń elektronicznych zasilanych bateryjnie napięcie robocze obwodu jest niskie (na przykładzie baterii litowych napięcie robocze wynosi 2,5 ~ 3,6 V), dlatego napięcie robocze układu zasilania jest niskie.

 

MOSFET ma bardzo niską rezystancję włączenia i zużywa mało energii. MOSFET jest często używany jako przełącznik zasilania w obecnie popularnych, wysokowydajnych układach DC-DC. Jednakże, ze względu na dużą pojemność pasożytniczą MOSFET-u, pojemność bramki lamp przełączających NMOS zazwyczaj sięga kilkudziesięciu pikofaradów. Stawia to wyższe wymagania w zakresie projektowania obwodu sterującego lampy przełączającej przetwornicy DC-DC o wysokiej częstotliwości roboczej.

W niskonapięciowych konstrukcjach ULSI istnieje wiele obwodów logicznych CMOS i BiCMOS wykorzystujących struktury wzmacniające bootstrap i obwody sterujące jako duże obciążenia pojemnościowe. Obwody te mogą normalnie pracować przy napięciu zasilania niższym niż 1 V i mogą pracować z częstotliwością kilkudziesięciu megaherców, a nawet setek megaherców przy pojemności obciążenia od 1 do 2 pF. W tym artykule wykorzystano obwód wzmacniający ładowania początkowego do zaprojektowania obwodu sterującego o dużej pojemności obciążeniowej, który jest odpowiedni dla przetwornic DC-DC o niskim napięciu i wysokiej częstotliwości przełączania. Obwód został zaprojektowany w oparciu o proces Samsung AHP615 BiCMOS i zweryfikowany za pomocą symulacji Hspice. Gdy napięcie zasilania wynosi 1,5 V, a pojemność obciążenia wynosi 60 pF, częstotliwość robocza może osiągnąć ponad 5 MHz.

​

Charakterystyka przełączania MOSFET

​

1. Charakterystyka statyczna

Jako element przełączający MOSFET pracuje również w dwóch stanach: wyłączony i włączony. Ponieważ MOSFET jest elementem sterowanym napięciem, jego stan pracy zależy głównie od napięcia bramki-źródła uGS.

 

Charakterystyka robocza jest następująca:

※ uGS＜napięcie włączenia UT: MOSFET pracuje w obszarze odcięcia, prąd dren-źródło iDS wynosi zasadniczo 0, napięcie wyjściowe uDS≈UDD, a MOSFET jest w stanie „wyłączony”.

※ uGS>Napięcie włączenia UT: MOSFET pracuje w obszarze przewodzenia, prąd dren-źródło iDS=UDD/(RD+rDS). Wśród nich rDS to rezystancja dren-źródło, gdy MOSFET jest włączony. Napięcie wyjściowe UDS=UDD?rDS/(RD+rDS), jeśli rDS＜＜RD, uDS≈0V, MOSFET jest w stanie „włączony”.

2. Charakterystyka dynamiczna

MOSFET również podlega procesowi przejścia podczas przełączania między stanami włączenia i wyłączenia, ale jego charakterystyka dynamiczna zależy głównie od czasu wymaganego do ładowania i rozładowania pojemności rozproszonej związanej z obwodem oraz akumulacji ładunku i rozładowywania, gdy sama lampa jest włączana i wyłączana Czas rozpraszania jest bardzo krótki.

Kiedy napięcie wejściowe ui zmienia się z wysokiego na niskie, a stan MOSFET zmienia się ze stanu włączenia do stanu wyłączenia, zasilacz UDD ładuje pojemność rozproszoną od CL do RD i stałą czasową ładowania τ1 = RDCL. Dlatego napięcie wyjściowe uo musi przejść przez pewne opóźnienie przed zmianą poziomu niskiego na wysoki; gdy napięcie wejściowe ui zmienia się z niskiego na wysokie, a stan MOSFET zmienia się ze stanu wyłączonego do stanu włączonego, ładunek na pojemności rozproszonej CL przechodzi przez rDS. Wyładowanie następuje ze stałą czasową rozładowania τ2≈rDSCL. Można zauważyć, że napięcie wyjściowe Uo również potrzebuje pewnego opóźnienia, zanim będzie mogło przejść do niskiego poziomu. Ponieważ jednak rDS jest znacznie mniejszy niż RD, czas konwersji od odcięcia do przewodzenia jest krótszy niż czas konwersji od przewodzenia do odcięcia.

Ponieważ rezystancja dren-źródło rDS tranzystora MOSFET po jego włączeniu jest znacznie większa niż rezystancja nasycenia rCES tranzystora, a zewnętrzna rezystancja drenu RD jest również większa niż rezystancja kolektora RC tranzystora, czas ładowania i rozładowania MOSFET jest dłuższy, co sprawia, że ​​MOSFET ma mniejszą prędkość przełączania niż w przypadku tranzystora. Jednakże w obwodach CMOS, ponieważ obwód ładowania i obwód rozładowywania są obwodami o niskiej rezystancji, procesy ładowania i rozładowywania są stosunkowo szybkie, co skutkuje dużą szybkością przełączania obwodu CMOS.