Наконт таго, чаму рэжым знясіленняМАП-транзістарыне выкарыстоўваюцца, не рэкамендуецца разбірацца ў сутнасці.
Для гэтых двух MOSFET з рэжымам паляпшэння часцей выкарыстоўваецца NMOS. Прычына ў тым, што супраціўленне ўключэння невялікае і лёгкае ў вырабе. Такім чынам, NMOS звычайна выкарыстоўваецца ў імпульсных крыніцах сілкавання і рухавіках. У наступным увядзенні ў асноўным выкарыстоўваецца NMOS.
Існуе паразітная ёмістасць паміж трыма кантактамі MOSFET. Гэта не тое, што нам трэба, але гэта выклікана абмежаваннямі вытворчага працэсу. Існаванне паразітнай ёмістасці стварае больш праблем пры распрацоўцы або выбары схемы прывада, але пазбегнуць гэтага немагчыма. Падрабязней мы пазнаёмімся з ім пазней.
Паміж сцёкам і вытокам знаходзіцца паразітны дыёд. Гэта называецца корпусным дыёдам. Гэты дыёд вельмі важны пры ўключэнні індуктыўных нагрузак (напрыклад, рухавікоў). Дарэчы, корпусны дыёд існуе толькі ў адным MOSFET і звычайна яго няма ўнутры мікрасхемы інтэгральнай схемы.
2. Характарыстыкі праводнасці MOSFET
Праводзіць азначае дзейнічаць як выключальнік, што эквівалентна замкнёнаму выключальніку.
Характарыстыка NMOS заключаецца ў тым, што ён уключаецца, калі Vgs перавышае пэўнае значэнне. Ён падыходзіць для выкарыстання, калі крыніца заземлена (нізкі прывад), калі напружанне на засаўцы дасягае 4 В або 10 В.
Характарыстыкі PMOS заключаюцца ў тым, што ён уключаецца, калі Vgs менш пэўнага значэння, што падыходзіць для сітуацый, калі крыніца падключана да VCC (прывад высокага класа). Аднак хоцьPMOSможа быць лёгка выкарыстаны ў якасці драйвера высокага класа, NMOS звычайна выкарыстоўваецца ў драйверах высокага класа з-за вялікага супраціву ўключэння, высокай цаны і некалькіх тыпаў замены.
3. Страты пераключальнай трубкі MOS
Няхай гэта будзе NMOS або PMOS, пасля яго ўключэння ўзнікае супраціў уключэння, таму ток будзе спажываць энергію на гэтым супраціўленні. Гэтая частка спажыванай энергіі называецца стратай праводнасці. Выбар МОП-транзістара з невялікім супрацівам уключэння паменшыць страты на праводнасць. Сённяшні маламагутны МОП-транзістар звычайна складае каля дзясяткаў міліомаў, а ёсць і некалькі міліомаў.
Калі MOSFET уключаецца і выключаецца, гэта не павінна быць завершана імгненна. Напружанне на MOS мае працэс памяншэння, а бягучы ток - працэс павелічэння. У гэты перыяд стMOSFETстрата - гэта прадукт напружання і току, які называецца стратай пры пераключэнні. Звычайна страты пры пераключэнні значна большыя, чым страты пры праводнасці, і чым вышэй частата пераключэння, тым большыя страты.
Прадукт напружання і току ў момант праводнасці вельмі вялікі, што выклікае вялікія страты. Скарачэнне часу пераключэння можа паменшыць страты падчас кожнага правядзення; памяншэнне частаты пераключэння можа паменшыць колькасць пераключэнняў у адзінку часу. Абодва метаду могуць паменшыць страты пры пераключэнні.
Форма сігналу, калі MOSFET уключаны. Можна заўважыць, што здабытак напругі і току ў момант праводнасці вельмі вялікі, і выкліканыя страты таксама вельмі вялікія. Памяншэнне часу пераключэння можа паменшыць страты падчас кожнага правядзення; памяншэнне частаты пераключэння можа паменшыць колькасць пераключэнняў у адзінку часу. Абодва метаду могуць паменшыць страты пры пераключэнні.
4. Драйвер MOSFET
У параўнанні з біпалярнымі транзістарамі, звычайна лічыцца, што для ўключэння MOSFET не патрабуецца ток, пакуль напружанне GS вышэй пэўнага значэння. Гэта лёгка зрабіць, але нам таксама патрэбна хуткасць.
У структуры MOSFET відаць, што існуе паразітная ёмістасць паміж GS і GD, і рухаючай сілай MOSFET з'яўляецца фактычна зарад і разрад кандэнсатара. Для зарадкі кандэнсатара патрабуецца ток, таму што кандэнсатар можна разглядаць як кароткае замыканне ў момант зарадкі, таму імгненны ток будзе адносна вялікім. Першае, на што трэба звярнуць увагу пры выбары/праектаванні драйвера MOSFET, - гэта велічыня імгненнага току кароткага замыкання, які ён можа забяспечыць.
Другое, на што варта звярнуць увагу, - гэта тое, што NMOS, які звычайна выкарыстоўваецца для высокакласнага кіравання, патрабуе, каб напружанне засаўкі было большым, чым напружанне крыніцы пры ўключэнні. Калі МАП-транзістар з высокім узроўнем кіравання ўключаны, напружанне крыніцы такое ж, як і напружанне сцёку (VCC), таму напружанне засаўкі ў гэты час на 4 або 10 В больш, чым VCC. Калі вы хочаце атрымаць напружанне, большае за VCC у той жа сістэме, вам патрэбна спецыяльная схема павышэння. Многія драйверы матораў маюць убудаваныя зарадныя помпы. Варта адзначыць, што трэба выбраць адпаведны знешні кандэнсатар, каб атрымаць дастатковы ток кароткага замыкання для кіравання MOSFET.
4 В або 10 В, згаданыя вышэй, з'яўляюцца напругай уключэння звычайна выкарыстоўваных MOSFET, і, вядома, пэўны запас павінен быць дазволены падчас праектавання. І чым вышэй напружанне, тым хутчэй хуткасць праводнасці і меншае супраціўленне праводнасці. Цяпер у розных галінах выкарыстоўваюцца MOSFET з меншымі напружаннямі праводнасці, але ў аўтамабільных электронных сістэмах 12 В звычайна дастаткова праводнасці 4 В.
Каб даведацца пра схему драйвера MOSFET і яе страты, звярніцеся да Microchip AN799, якая адпавядае драйверам MOSFET і MOSFET. Гэта вельмі падрабязна, таму я не буду пісаць больш.
Прадукт напружання і току ў момант праводнасці вельмі вялікі, што выклікае вялікія страты. Памяншэнне часу пераключэння можа паменшыць страты падчас кожнага правядзення; памяншэнне частаты пераключэння можа паменшыць колькасць пераключэнняў у адзінку часу. Абодва метаду могуць паменшыць страты пры пераключэнні.
MOSFET - гэта тып FET (іншы - JFET). Яго можна перавесці ў рэжым паляпшэння або знясілення, P-канал або N-канал, усяго 4 тыпы. Аднак фактычна выкарыстоўваецца толькі N-канальны MOSFET у рэжыме паляпшэння. і P-канальны MOSFET пашыранага тыпу, таму NMOS або PMOS звычайна адносяцца да гэтых двух тыпаў.
5. Прыкладная схема MOSFET?
Найбольш важнай характарыстыкай MOSFET з'яўляюцца яго добрыя характарыстыкі пераключэння, таму ён шырока выкарыстоўваецца ў схемах, якія патрабуюць электронных перамыкачоў, такіх як імпульсныя крыніцы сілкавання і прывады рухавікоў, а таксама для зацямнення асвятлення.
Сённяшнія драйверы MOSFET маюць некалькі асаблівых патрабаванняў:
1. Прымяненне нізкага напружання
Пры выкарыстанні крыніцы харчавання 5 В, калі ў гэты час выкарыстоўваецца традыцыйная структура татэма, паколькі транзістар be мае падзенне напружання каля 0,7 В, фактычнае канчатковае напружанне, якое падаецца на засаўку, складае толькі 4,3 В. У гэты час мы выбіраем намінальную магутнасць засаўкі
Існуе пэўная рызыка пры выкарыстанні MOSFET 4,5 В. Такая ж праблема таксама ўзнікае пры выкарыстанні 3V або іншых нізкавольтных крыніц харчавання.
2. Шырокае прымяненне напружання
Уваходнае напружанне не з'яўляецца фіксаваным значэннем, яно будзе змяняцца з часам або іншымі фактарамі. Гэта змяненне прыводзіць да таго, што кіруючае напружанне, якое падаецца ланцугом ШІМ на MOSFET, становіцца нестабільным.
Для таго, каб МАП-транзістары былі бяспечнымі пры высокіх напружаннях на засаўцы, многія МАП-транзістары маюць убудаваныя рэгулятары напружання для прымусовага абмежавання амплітуды напружання на засаўцы. У гэтым выпадку, калі дадзенае кіруючае напружанне перавышае напружанне трубкі рэгулятара напружання, гэта прывядзе да вялікага статычнага спажывання энергіі.
У той жа час, калі вы проста выкарыстоўваеце прынцып дзялення напружання рэзістара, каб паменшыць напружанне на засаўцы, MOSFET будзе добра працаваць, калі ўваходнае напружанне адносна высокае, але калі ўваходнае напружанне зніжана, напружанне на засаўцы будзе недастатковым, выклікаючы няпоўная праводнасць, што павялічвае спажыванне энергіі.
3. Падвойнае напружанне
У некаторых схемах кіравання лагічная частка выкарыстоўвае тыповае лічбавае напружанне 5 В або 3,3 В, а сілавая частка выкарыстоўвае напружанне 12 В або нават вышэй. Два напружання падключаюцца да агульнай зямлі.
Гэта выклікае патрабаванне выкарыстоўваць схему, каб нізкавольтны бок мог эфектыўна кіраваць MOSFET на высокім напружанні. У той жа час MOSFET на баку высокага напружання таксама сутыкнецца з праблемамі, згаданымі ў 1 і 2.
У гэтых трох выпадках структура татэмнага слупа не можа задаволіць патрабаванні да вываду, і многія стандартныя мікрасхемы драйвераў MOSFET, падобна, не ўключаюць структуры абмежавання напружання на засаўцы.
Такім чынам, я распрацаваў адносна агульную схему, каб задаволіць гэтыя тры патрэбы.
Схема драйвера для nmos
Тут я зраблю толькі просты аналіз схемы драйвера NMOS:
Vl і Vh - гэта блокі харчавання нізкага і высокага класа адпаведна. Абодва напружання могуць быць аднолькавымі, але Vl не павінна перавышаць Vh.
Q1 і Q2 утвараюць перавернуты татэмны слуп для дасягнення ізаляцыі, адначасова гарантуючы, што дзве завадныя трубкі Q3 і Q4 не ўключаюцца адначасова.
R2 і R3 забяспечваюць апорнае напружанне ШІМ. Змяняючы гэты эталон, схема можа працаваць у становішчы, дзе форма сігналу ШІМ адносна крутая.
Q3 і Q4 выкарыстоўваюцца для забеспячэння току прывада. Пры ўключэнні Q3 і Q4 маюць толькі мінімальнае падзенне напружання Vce адносна Vh і GND. Гэта падзенне напружання звычайна складае ўсяго каля 0,3 В, што значна ніжэй, чым Vce 0,7 В.
R5 і R6 - гэта рэзістары зваротнай сувязі, якія выкарыстоўваюцца для выбаркі напружання засаўкі. Выбранае напружанне стварае моцную адмоўную зваротную сувязь з базамі Q1 і Q2 па Q5, такім чынам абмяжоўваючы напружанне засаўкі абмежаваным значэннем. Гэта значэнне можна рэгуляваць з дапамогай R5 і R6.
Нарэшце, R1 забяспечвае ліміт базавага току для Q3 і Q4, а R4 забяспечвае ліміт току засаўкі для MOSFET, які з'яўляецца мяжой Ice для Q3 і Q4. Пры неабходнасці паралельна R4 можна падключыць паскаральны кандэнсатар.
Гэтая схема забяспечвае наступныя магчымасці:
1. Выкарыстоўвайце нізкае напружанне і ШІМ для кіравання MOSFET высокага боку.
2. Выкарыстоўвайце ШІМ-сігнал малой амплітуды для кіравання MOSFET з высокімі патрабаваннямі да напружання засаўкі.
3. Пікавы ліміт напружання засаўкі
4. Межы ўваходнага і выхаднога току
5. Выкарыстоўваючы адпаведныя рэзістары, можна дасягнуць вельмі нізкага энергаспажывання.
6. Сігнал ШІМ інвертуецца. NMOS не патрабуе гэтай функцыі, і яе можна вырашыць, размясціўшы інвертар спераду.
Пры распрацоўцы партатыўных прылад і бесправадных прадуктаў дызайнерам неабходна сутыкнуцца з двума праблемамі, з якімі трэба сутыкнуцца: павышэнне прадукцыйнасці прадукту і падаўжэнне тэрміну службы батарэі. Пераўтваральнікі DC-DC маюць такія перавагі, як высокая эфектыўнасць, вялікі выхадны ток і нізкі ток спакою, што робіць іх вельмі прыдатнымі для харчавання партатыўных прылад. У цяперашні час асноўнымі тэндэнцыямі ў развіцці тэхналогіі канструкцыі пераўтваральнікаў пастаяннага току з'яўляюцца: (1) Высокачашчынная тэхналогія: па меры павелічэння частаты пераключэння памер пераўтваральніка таксама памяншаецца, шчыльнасць магутнасці таксама значна павялічваецца, і дынамічная рэакцыя паляпшаецца. . Частата пераключэння маламагутных DC-DC пераўтваральнікаў вырасце да ўзроўню мегагерц. (2) Тэхналогія нізкага выхаднога напружання: з бесперапынным развіццём тэхналогіі вытворчасці паўправаднікоў працоўнае напружанне мікрапрацэсараў і партатыўных электронных прылад становіцца ўсё ніжэй і ніжэй, што патрабуе будучых пераўтваральнікаў пастаяннага току ў пастаянны, каб забяспечваць нізкае выхадное напружанне для адаптацыі да мікрапрацэсараў. патрабаванні да працэсараў і партатыўных электронных прылад.
Развіццё гэтых тэхналогій вылучыла больш высокія патрабаванні да распрацоўкі схем сілавых мікрасхем. Перш за ўсё, паколькі частата пераключэння працягвае павялічвацца, высокія патрабаванні прад'яўляюцца да прадукцыйнасці перамыкаючых элементаў. У той жа час павінны быць прадугледжаны адпаведныя схемы прывада пераключаючых элементаў, каб гарантаваць нармальную працу пераключаючых элементаў на частотах пераключэння да МГц. Па-другое, для партатыўных электронных прылад з харчаваннем ад батарэй працоўнае напружанне ланцуга нізкае (у якасці прыкладу бяруць літыевыя батарэі, працоўнае напружанне складае 2,5~3,6 В), такім чынам, працоўнае напружанне мікрасхемы харчавання нізкае.
MOSFET мае вельмі нізкае супраціўленне ўключэння і спажывае мала энергіі. MOSFET часта выкарыстоўваецца ў якасці выключальніка сілкавання ў папулярных у цяперашні час высокаэфектыўных мікрасхемах DC-DC. Аднак з-за вялікай паразітнай ёмістасці МОП-транзістара ёмістасць засаўкі пераключаючых трубак NMOS звычайна дасягае дзясяткаў пікафарад. Гэта высоўвае больш высокія патрабаванні да распрацоўкі схемы прывада пераключальнай трубкі пераўтваральніка пастаяннага току ў пастаянны з высокай працоўнай частатой.
У нізкавольтных канструкцыях ULSI існуе мноства лагічных схем CMOS і BiCMOS, якія выкарыстоўваюць узмацняльныя структуры пачатковай загрузкі і схемы прывада ў якасці вялікіх ёмістых нагрузак. Гэтыя схемы могуць нармальна працаваць з напругай крыніцы харчавання ніжэй за 1 В і могуць працаваць на частаце ў дзесяткі мегагерц ці нават сотні мегагерц з ёмістасцю нагрузкі ад 1 да 2 пФ. У гэтым артыкуле выкарыстоўваецца пачатковая схема павышэння для распрацоўкі схемы прывада з вялікай ёмістасцю нагрузкі, якая падыходзіць для павышаючых пераўтваральнікаў пастаяннага току з нізкім напружаннем і высокай частатой пераключэння. Схема распрацавана на аснове працэсу Samsung AHP615 BiCMOS і праверана мадэляваннем Hspice. Пры напрузе харчавання 1,5 В і ёмістасці нагрузкі 60 пФ працоўная частата можа дасягаць больш за 5 МГц.
Пераключальныя характарыстыкі MOSFET
1. Статычныя характарыстыкі
У якасці перамыкаючага элемента MOSFET таксама працуе ў двух станах: выключана або ўключана. Паколькі MOSFET з'яўляецца кампанентам, які кіруецца напругай, яго працоўны стан у асноўным вызначаецца напругай затвор-выток uGS.
Працоўныя характарыстыкі наступныя:
※ uGS＜напружанне ўключэння UT: МАП-транзістар працуе ў зоне адключэння, ток уцечкі-вытоку iDS у асноўным роўны 0, выхадное напружанне uDS≈UDD, а МАП-транзістар знаходзіцца ў «выключаным» стане.
※ uGS>Напружанне ўключэння UT: MOSFET працуе ў вобласці праводнасці, ток уцёк-выток iDS=UDD/(RD+rDS). Сярод іх rDS - гэта супраціўленне сток-выток, калі MOSFET уключаны. Выхадная напруга UDS=UDD?rDS/(RD+rDS), калі rDS＜＜RD, uDS≈0В, MOSFET знаходзіцца ва ўключаным стане.
2. Дынамічныя характарыстыкі
MOSFET таксама мае працэс пераходу пры пераключэнні паміж уключаным і выключаным станамі, але яго дынамічныя характарыстыкі ў асноўным залежаць ад часу, неабходнага для зарадкі і разрадкі блукаючай ёмістасці, звязанай з ланцугом, а таксама ад назапашвання і разраду зарада, калі сама трубка ўключана і выключана Час рассейвання вельмі малы.
Калі ўваходнае напружанне ui змяняецца з высокага на нізкае і MOSFET змяняецца з уключанага стану на выключаны, крыніца харчавання UDD зараджае паразитную ёмістасць CL праз RD і канстанту часу зарадкі τ1=RDCL. Такім чынам, выхадное напружанне uo павінна прайсці праз пэўную затрымку, перш чым змяніцца з нізкага ўзроўню на высокі; калі уваходнае напружанне ui змяняецца з нізкага на высокае і MOSFET змяняецца з выключанага стану на ўключаны, зарад на блукаючай ёмістасці CL праходзіць праз rDS. Разрад адбываецца з пастаяннай часу разраду τ2≈rDSCL. Можна заўважыць, што выхадное напружанне Uo таксама мае патрэбу ў пэўнай затрымцы, перш чым яно зможа перайсці на нізкі ўзровень. Але паколькі rDS значна меншы, чым RD, час пераўтварэння ад адсечкі да праводнасці карацейшы, чым час пераўтварэння ад праводнасці да адсечкі.
Паколькі супраціўленне сток-выток rDS MOSFET, калі ён уключаны, значна большае, чым супраціўленне насычэння rCES транзістара, а знешняе супраціўленне сток RD таксама больш, чым супраціўленне калектара RC транзістара, час зарадкі і разрадкі МАП-транзістара даўжэйшы, таму хуткасць пераключэння МОП-транзістара ніжэй, чым у транзістара. Аднак у схемах CMOS, паколькі ланцуг зарадкі і ланцуг разрадкі з'яўляюцца ланцугамі з нізкім супрацівам, працэсы зарадкі і разрадкі адносна хуткія, што прыводзіць да высокай хуткасці пераключэння ланцуга CMOS.
Час публікацыі: 15 красавіка 2024 г
