MOSFET original grundläggande kunskap och tillämpning

När det gäller varför utarmningslägeMOSFETinte används, det rekommenderas inte att gå till botten med det.

För dessa två MOSFET-enheter i förbättringsläge är NMOS vanligare. Anledningen är att på-motståndet är litet och lätt att tillverka. Därför används NMOS i allmänhet i växling av strömförsörjning och motordrivningstillämpningar. I följande introduktion används NMOS mest.

Det finns en parasitisk kapacitans mellan de tre stiften på MOSFET. Detta är inte vad vi behöver, utan orsakas av begränsningar i tillverkningsprocessen. Förekomsten av parasitisk kapacitans gör det mer besvärligt när man designar eller väljer en drivkrets, men det finns inget sätt att undvika det. Vi kommer att presentera det i detalj senare.

Det finns en parasitisk diod mellan avloppet och källan. Detta kallas kroppsdioden. Denna diod är mycket viktig vid drivning av induktiva belastningar (som motorer). Förresten, kroppsdioden finns bara i en enda MOSFET och finns vanligtvis inte inuti ett integrerat kretschip.

2. MOSFET-ledningsegenskaper

Ledande medel fungerar som en omkopplare, vilket motsvarar att omkopplaren är stängd.

Kännetecknande för NMOS är att den slås på när Vgs är större än ett visst värde. Den är lämplig för användning när källan är jordad (low-end-drivenhet), så länge som gate-spänningen når 4V eller 10V.

Kännetecken för PMOS är att den slås på när Vgs är mindre än ett visst värde, vilket är lämpligt för situationer där källan är ansluten till VCC (high-end drive). Dock, även omPMOSkan enkelt användas som en avancerad drivrutin, NMOS används vanligtvis i avancerade drivrutiner på grund av stort motstånd, högt pris och få ersättningstyper.

3. MOS-omkopplarrörsförlust

Oavsett om det är NMOS eller PMOS, finns det ett på-motstånd efter att det har slagits på, så strömmen kommer att förbruka energi på detta motstånd. Denna del av energin som förbrukas kallas ledningsförlust. Att välja en MOSFET med ett litet på-motstånd kommer att minska ledningsförlusterna. Dagens lågeffekt MOSFET på-resistans är i allmänhet runt tiotals milliohm, och det finns också flera milliohm.

När MOSFET slås på och av får den inte slutföras omedelbart. Spänningen över MOS har en minskande process, och den flytande strömmen har en ökande process. Under denna period harMOSFET'sförlust är produkten av spänning och ström, vilket kallas kopplingsförlust. Vanligtvis är kopplingsförlusterna mycket större än ledningsförlusterna, och ju snabbare kopplingsfrekvensen är, desto större blir förlusterna.

Produkten av spänning och ström vid ledningsögonblicket är mycket stor, vilket orsakar stora förluster. Att förkorta omkopplingstiden kan minska förlusten under varje ledning; minskning av omkopplingsfrekvensen kan minska antalet omkopplare per tidsenhet. Båda metoderna kan minska växlingsförlusterna.

Vågformen när MOSFET är påslagen. Det kan ses att produkten av spänning och ström vid ledningsögonblicket är mycket stor, och förlusten som orsakas är också mycket stor. Att minska omkopplingstiden kan minska förlusten under varje ledning; minskning av omkopplingsfrekvensen kan minska antalet omkopplare per tidsenhet. Båda metoderna kan minska växlingsförlusterna.

4. MOSFET-drivrutin

Jämfört med bipolära transistorer tror man allmänt att ingen ström krävs för att slå på en MOSFET, så länge som GS-spänningen är högre än ett visst värde. Detta är lätt att göra, men vi behöver också snabbhet.

Det kan ses i strukturen av MOSFET att det finns en parasitisk kapacitans mellan GS och GD, och drivningen av MOSFET är faktiskt laddningen och urladdningen av kondensatorn. Att ladda kondensatorn kräver en ström, eftersom kondensatorn kan betraktas som en kortslutning vid laddningsögonblicket, så den momentana strömmen blir relativt stor. Det första man bör vara uppmärksam på när man väljer/designer en MOSFET-drivrutin är mängden momentan kortslutningsström den kan ge. .

Det andra att notera är att NMOS, som vanligtvis används för avancerad körning, behöver gate-spänningen vara större än källspänningen när den slås på. När den högsidesdrivna MOSFET-enheten är påslagen är källspänningen densamma som drain-spänningen (VCC), så gate-spänningen är 4V eller 10V högre än VCC vid denna tidpunkt. Om du vill få en spänning större än VCC i samma system behöver du en speciell boostkrets. Många motorförare har integrerade laddpumpar. Det bör noteras att en lämplig extern kondensator bör väljas för att erhålla tillräcklig kortslutningsström för att driva MOSFET.

4V eller 10V som nämns ovan är startspänningen för vanliga MOSFET:er, och naturligtvis måste en viss marginal tillåtas under design. Och ju högre spänning, desto snabbare ledningshastighet och desto mindre ledningsmotstånd. Nu finns det MOSFETs med mindre ledningsspänningar som används inom olika områden, men i 12V bilelektroniksystem räcker i allmänhet 4V ledning.

För MOSFET-drivrutinkretsen och dess förluster, se Microchips AN799 Matching MOSFET-drivrutiner till MOSFETs. Det är väldigt detaljerat, så jag kommer inte skriva mer.

Produkten av spänning och ström vid ledningsögonblicket är mycket stor, vilket orsakar stora förluster. Att minska omkopplingstiden kan minska förlusten under varje ledning; minskning av omkopplingsfrekvensen kan minska antalet omkopplare per tidsenhet. Båda metoderna kan minska växlingsförlusterna.

MOSFET är en typ av FET (den andra är JFET). Den kan göras till förbättringsläge eller utarmningsläge, P-kanal eller N-kanal, totalt 4 typer. Endast N-kanals MOSFET i förbättringsläge används faktiskt. och P-kanals MOSFET av förbättringstyp, så NMOS eller PMOS refererar vanligtvis till dessa två typer.

5. MOSFET applikationskrets?

Den viktigaste egenskapen hos MOSFET är dess goda kopplingsegenskaper, så den används i stor utsträckning i kretsar som kräver elektroniska strömbrytare, såsom växling av strömförsörjning och motordrift, samt belysningsdimning.

Dagens MOSFET-drivrutiner har flera speciella krav:

1. Lågspänningstillämpning

Vid användning av en 5V strömförsörjning, om en traditionell totempolstruktur används vid denna tidpunkt, eftersom transistorn har ett spänningsfall på cirka 0,7V, är den faktiska slutspänningen som appliceras på grinden endast 4,3V. Vid denna tidpunkt väljer vi den nominella gateeffekten

Det finns en viss risk när man använder en 4,5V MOSFET. Samma problem uppstår även vid användning av 3V eller andra lågspänningsaggregat.

2. Bred spänningstillämpning

Inspänningen är inte ett fast värde, den kommer att förändras med tiden eller andra faktorer. Denna förändring gör att drivspänningen som tillhandahålls av PWM-kretsen till MOSFET blir instabil.

För att göra MOSFET-enheter säkra under höga gate-spänningar har många MOSFET-enheter inbyggda spänningsregulatorer för att kraftfullt begränsa amplituden på gate-spänningen. I detta fall, när den tillhandahållna drivspänningen överstiger spänningen i spänningsregulatorröret, kommer det att orsaka stor statisk strömförbrukning.

Samtidigt, om du helt enkelt använder principen för resistorspänningsdelning för att minska gate-spänningen, kommer MOSFET:n att fungera bra när inspänningen är relativt hög, men när inspänningen minskas kommer gate-spänningen att vara otillräcklig, vilket orsakar ofullständig ledning, vilket ökar strömförbrukningen.

3. Dubbel spänningstillämpning

I vissa styrkretsar använder den logiska delen en typisk 5V eller 3,3V digital spänning, medan kraftdelen använder en spänning på 12V eller ännu högre. De två spänningarna är anslutna till en gemensam jord.

Detta ställer krav på att använda en krets så att lågspänningssidan effektivt kan styra MOSFET på högspänningssidan. Samtidigt kommer MOSFET på högspänningssidan också att möta de problem som nämns i 1 och 2.

I dessa tre fall kan totempolstrukturen inte uppfylla utgångskraven, och många vanliga MOSFET-drivrutiner tycks inte inkludera gatespänningsbegränsande strukturer.

Så jag designade en relativt allmän krets för att möta dessa tre behov.

Drivrutin för NMOS

Här kommer jag bara att göra en enkel analys av NMOS-drivrutinkretsen:

Vl och Vh är low-end respektive high-end strömförsörjning. De två spänningarna kan vara samma, men Vl bör inte överstiga Vh.

Q1 och Q2 bildar en inverterad totempåle för att uppnå isolering samtidigt som man säkerställer att de två drivrören Q3 och Q4 inte slås på samtidigt.

R2 och R3 tillhandahåller PWM-spänningsreferensen. Genom att ändra denna referens kan kretsen drivas i ett läge där PWM-signalvågformen är relativt brant.

Q3 och Q4 används för att tillhandahålla drivström. När de är påslagna har Q3 och Q4 endast ett minsta spänningsfall på Vce i förhållande till Vh och GND. Detta spänningsfall är vanligtvis bara cirka 0,3V, vilket är mycket lägre än Vce på 0,7V.

R5 och R6 är återkopplingsmotstånd, som används för att sampla gate-spänningen. Den samplade spänningen genererar en stark negativ återkoppling till baserna Q1 och Q2 till Q5, vilket begränsar grindspänningen till ett begränsat värde. Detta värde kan justeras genom R5 och R6.

Slutligen tillhandahåller R1 basströmgränsen för Q3 och Q4, och R4 tillhandahåller grindströmgränsen för MOSFET, vilket är gränsen för isen för Q3 och Q4. Vid behov kan en accelerationskondensator kopplas parallellt med R4.

Denna krets tillhandahåller följande funktioner:

1. Använd lågsidans spänning och PWM för att driva högsidans MOSFET.

2. Använd en PWM-signal med liten amplitud för att driva en MOSFET med höga krav på grindspänning.

3. Toppgräns för grindspänning

4. Ingångs- och utgångsströmgränser

5. Genom att använda lämpliga motstånd kan mycket låg strömförbrukning uppnås.

6. PWM-signalen inverteras. NMOS behöver inte denna funktion och kan lösas genom att placera en växelriktare framför.

När man designar bärbara enheter och trådlösa produkter är förbättring av produktprestanda och förlängd batteritid två problem som designers måste möta. DC-DC-omvandlare har fördelarna med hög effektivitet, stor utström och låg viloström, vilket gör dem mycket lämpliga för att driva bärbara enheter. För närvarande är huvudtrenderna i utvecklingen av DC-DC-omvandlardesignteknik: (1) Högfrekvensteknik: När omkopplingsfrekvensen ökar, minskas också storleken på omvandlaren, effekttätheten ökar också kraftigt, och den dynamiska responsen förbättras. . Omkopplingsfrekvensen för lågeffekt DC-DC-omvandlare kommer att stiga till megahertznivån. (2) Teknik för låg utspänning: Med den kontinuerliga utvecklingen av halvledartillverkningsteknologi blir driftsspänningen för mikroprocessorer och bärbara elektroniska enheter lägre och lägre, vilket kräver framtida DC-DC-omvandlare för att ge låg utspänning för att anpassa sig till mikroprocessorer. krav på processorer och bärbara elektroniska enheter.

Utvecklingen av dessa teknologier har ställt högre krav på utformningen av kraftkretsar. Först och främst, när omkopplingsfrekvensen fortsätter att öka, ställs höga krav på prestanda hos omkopplingselement. Samtidigt måste motsvarande drivkretsar för kopplingselement tillhandahållas för att säkerställa att kopplingselementen fungerar normalt vid kopplingsfrekvenser upp till MHz. För det andra, för batteridrivna bärbara elektroniska enheter, är kretsens arbetsspänning låg (med litiumbatterier som ett exempel är arbetsspänningen 2,5 ~ 3,6V), därför är arbetsspänningen för strömkretsen låg.

MOSFET har mycket lågt motstånd och förbrukar låg energi. MOSFET används ofta som en strömbrytare i för närvarande populära högeffektiva DC-DC-chips. På grund av den stora parasitiska kapacitansen hos MOSFET är dock grindkapacitansen för NMOS-omkopplingsrör i allmänhet så hög som tiotals picofarads. Detta ställer högre krav på konstruktionen av högfrekventa DC-DC-omvandlare omkopplingsrörsdrivkretsar.

I lågspännings-ULSI-konstruktioner finns det en mängd olika CMOS- och BiCMOS-logikkretsar som använder bootstrap-förstärkningsstrukturer och drivkretsar som stora kapacitiva belastningar. Dessa kretsar kan fungera normalt med en strömförsörjningsspänning lägre än 1V och kan arbeta med en frekvens på tiotals megahertz eller till och med hundratals megahertz med en belastningskapacitans på 1 till 2pF. Den här artikeln använder en bootstrap-förstärkningskrets för att designa en drivkrets med drivkapacitet med stor belastningskapacitans som är lämplig för DC-DC-omvandlare med lågspänning och hög switchfrekvens. Kretsen är designad baserad på Samsung AHP615 BiCMOS-process och verifierad av Hspice-simulering. När matningsspänningen är 1,5V och belastningskapacitansen är 60pF, kan driftfrekvensen nå mer än 5MHz.

MOSFET-omkopplingsegenskaper

1. Statiska egenskaper

Som ett omkopplingselement fungerar MOSFET också i två lägen: av eller på. Eftersom MOSFET är en spänningsstyrd komponent, bestäms dess arbetsläge huvudsakligen av gate-source-spänningen uGS.

Arbetsegenskaperna är som följer:

※ uGS＜startspänning UT: MOSFET arbetar i avstängningsområdet, drain-source-strömmen iDS är i princip 0, utspänningen uDS≈UDD, och MOSFET är i "av"-tillstånd.

※ uGS>Turn-on spänning UT: MOSFET fungerar i ledningsområdet, drain-source ström iDS=UDD/(RD+rDS). Bland dem är rDS drain-source-resistansen när MOSFET är påslagen. Utspänningen UDS=UDD?rDS/(RD+rDS), om rDS＜＜RD, uDS≈0V, är MOSFET i tillståndet "på".

2. Dynamiska egenskaper

MOSFET har också en övergångsprocess när man växlar mellan på och av tillstånd, men dess dynamiska egenskaper beror huvudsakligen på den tid som krävs för att ladda och ladda ur strökapacitansen relaterad till kretsen, och laddningsackumuleringen och urladdningen när själva röret är på och av Förlusttiden är mycket liten.

När inspänningen ui ändras från hög till låg och MOSFET:en ändras från tillståndet till avslaget, laddar strömförsörjningen UDD strökapacitansen CL genom RD, och laddningstidskonstanten τ1=RDCL. Därför måste utspänningen uo gå igenom en viss fördröjning innan den ändras från låg nivå till hög nivå; när inspänningen ui ändras från låg till hög och MOSFET ändras från av-tillstånd till på-tillstånd, passerar laddningen på strökapacitansen CL genom rDS Urladdning sker med en urladdningstidskonstant τ2≈rDSCL. Det kan ses att utspänningen Uo också behöver en viss fördröjning innan den kan övergå till en låg nivå. Men eftersom rDS är mycket mindre än RD, är omvandlingstiden från cut-off till ledning kortare än omvandlingstiden från ledning till cut-off.

Eftersom drain-source-resistansen rDS för MOSFET när den är påslagen är mycket större än mättnadsresistansen rCES för transistorn, och det externa drain-resistansen RD också är större än transistorns kollektorresistans RC, är laddnings- och urladdningstiden av MOSFET är längre, vilket gör MOSFET. Omkopplingshastigheten är lägre än för en transistor. Men i CMOS-kretsar, eftersom laddningskretsen och urladdningskretsen båda är lågresistanskretsar, är laddnings- och urladdningsprocesserna relativt snabba, vilket resulterar i en hög omkopplingshastighet för CMOS-kretsen.