MOSFET original asosiy bilimlari va qo'llanilishi

Nima uchun tükenme rejimiga kelsakMOSFETlarishlatilmaydi, uning tubiga tushish tavsiya etilmaydi.

Ushbu ikkita takomillashtirish rejimidagi MOSFETlar uchun NMOS ko'proq qo'llaniladi. Buning sababi shundaki, qarshilik kichik va ishlab chiqarish oson. Shuning uchun NMOS odatda elektr ta'minoti va vosita haydovchi ilovalarini almashtirishda qo'llaniladi. Quyidagi kirish qismida NMOS asosan ishlatiladi.

MOSFET ning uchta pinlari o'rtasida parazitar sig'im mavjud. Bu bizga kerak bo'lgan narsa emas, balki ishlab chiqarish jarayonidagi cheklovlar tufayli yuzaga keladi. Parazit sig'imning mavjudligi haydovchi sxemasini loyihalash yoki tanlashda uni yanada qiyinlashtiradi, ammo undan qochishning hech qanday usuli yo'q. Keyinchalik batafsil tanishtiramiz.

Drenaj va manba o'rtasida parazit diod mavjud. Bu tana diyoti deb ataladi. Bu diod induktiv yuklarni (motorlar kabi) haydashda juda muhimdir. Aytgancha, korpus diodi faqat bitta MOSFETda mavjud va odatda integral mikrosxemalar chipida topilmaydi.

 

2. MOSFET o'tkazuvchanlik xususiyatlari

Supero'tkazuvchilar kalit vazifasini bajaradigan ma'noni anglatadi, bu kalitning yopilishiga teng.

NMOSning o'ziga xos xususiyati shundaki, u Vgs ma'lum bir qiymatdan kattaroq bo'lganda yoqiladi. Eshik kuchlanishi 4V yoki 10V ga yetgan ekan, u manba tuproqli (past-end haydovchi) foydalanish uchun javob beradi.

PMOS ning xarakteristikalari shundaki, u Vgs ma'lum bir qiymatdan past bo'lganda yoqiladi, bu manba VCC (yuqori darajali haydovchi) ga ulangan holatlar uchun mos keladi. Biroq, garchiPMOSyuqori darajadagi haydovchi sifatida osongina ishlatilishi mumkin, NMOS odatda katta qarshilik, yuqori narx va bir nechta almashtirish turlari tufayli yuqori darajadagi drayverlarda qo'llaniladi.

 

3. MOS kaliti trubkasi yo'qolishi

NMOS yoki PMOS bo'ladimi, u yoqilgandan keyin qarshilik mavjud, shuning uchun oqim bu qarshilik uchun energiya sarflaydi. Iste'mol qilinadigan energiyaning bu qismi o'tkazuvchanlikni yo'qotish deb ataladi. Kichik qarshilikka ega MOSFETni tanlash o'tkazuvchanlik yo'qotishlarini kamaytiradi. Bugungi kam quvvatli MOSFET qarshiligi odatda o'nlab milliohm atrofida va bir necha milliohm ham bor.

MOSFET yoqilgan va o'chirilgan bo'lsa, u darhol tugallanmasligi kerak. MOSdagi kuchlanish pasayish jarayoniga ega, oqim esa ortib borayotgan jarayonga ega. Bu davrda,MOSFETlaryo'qotish kuchlanish va oqimning mahsulotidir, bu kommutatsiya yo'qolishi deb ataladi. Odatda kommutatsiya yo'qotishlari o'tkazuvchanlik yo'qotishlaridan ancha katta bo'ladi va kommutatsiya chastotasi qanchalik tez bo'lsa, yo'qotishlar shunchalik katta bo'ladi.

O'tkazilish momentidagi kuchlanish va oqim mahsuloti juda katta bo'lib, katta yo'qotishlarga olib keladi. Kommutatsiya vaqtini qisqartirish har bir o'tkazuvchanlik vaqtida yo'qotishni kamaytirishi mumkin; kommutatsiya chastotasini kamaytirish vaqt birligidagi kalitlar sonini kamaytirishi mumkin. Ikkala usul ham kommutatsiya yo'qotishlarini kamaytirishi mumkin.

MOSFET yoqilganda to'lqin shakli. Ko'rinib turibdiki, kuchlanish va oqimning o'tkazuvchanlik momentidagi mahsuloti juda katta, va yo'qotish ham juda katta. Kommutatsiya vaqtini qisqartirish har bir o'tkazuvchanlik vaqtida yo'qotishni kamaytirishi mumkin; kommutatsiya chastotasini kamaytirish vaqt birligidagi kalitlar sonini kamaytirishi mumkin. Ikkala usul ham kommutatsiya yo'qotishlarini kamaytirishi mumkin.

 

4. MOSFET drayveri

Bipolyar tranzistorlar bilan solishtirganda, odatda, GS kuchlanishi ma'lum bir qiymatdan yuqori bo'lsa, MOSFETni yoqish uchun hech qanday oqim kerak emas deb hisoblashadi. Buni qilish oson, lekin bizga tezlik ham kerak.

MOSFET strukturasida GS va GD o'rtasida parazitar sig'im mavjudligini ko'rish mumkin va MOSFETning harakatlanishi aslida kondansatörning zaryadlanishi va zaryadsizlanishi hisoblanadi. Kondensatorni zaryad qilish uchun oqim kerak bo'ladi, chunki kondansatkichni zaryadlash vaqtida qisqa tutashuv deb hisoblash mumkin, shuning uchun lahzali oqim nisbatan katta bo'ladi. MOSFET drayverini tanlashda/loyihalashda e'tibor berish kerak bo'lgan birinchi narsa - u ta'minlay oladigan lahzali qisqa tutashuv oqimining miqdori. .

E'tiborga olish kerak bo'lgan ikkinchi narsa shundaki, odatda yuqori darajadagi haydash uchun ishlatiladigan NMOS yoqilganda eshik kuchlanishi manba kuchlanishidan kattaroq bo'lishi kerak. Yuqori tomondan boshqariladigan MOSFET yoqilganda, manba kuchlanishi drenaj kuchlanishi (VCC) bilan bir xil bo'ladi, shuning uchun eshik kuchlanishi hozirgi vaqtda VCC dan 4V yoki 10V kattaroqdir. Xuddi shu tizimda VCC dan kattaroq kuchlanishni olishni istasangiz, sizga maxsus kuchaytiruvchi sxema kerak bo'ladi. Ko'pgina motor drayverlari o'rnatilgan zaryad nasoslariga ega. Shuni ta'kidlash kerakki, MOSFETni boshqarish uchun etarli qisqa tutashuv oqimini olish uchun tegishli tashqi kondansatör tanlanishi kerak.

 

Yuqorida aytib o'tilgan 4V yoki 10V keng tarqalgan bo'lib foydalaniladigan MOSFETlarni yoqish kuchlanishidir va, albatta, dizayn paytida ma'lum bir chegaraga ruxsat berish kerak. Va kuchlanish qanchalik baland bo'lsa, o'tkazuvchanlik tezligi tezroq va o'tkazuvchanlik qarshiligi qanchalik kichik bo'ladi. Endi turli sohalarda kichikroq o'tkazuvchanlik kuchlanishiga ega MOSFETlar mavjud, ammo 12V avtomobil elektron tizimlarida odatda 4V o'tkazuvchanlik etarli.

 

MOSFET drayveri sxemasi va uning yo'qotishlari uchun Microchip-ning AN799 MOSFET drayverlarini MOSFET-larga moslashtirishga qarang. Bu juda batafsil, shuning uchun men boshqa yozmayman.

 

O'tkazilish momentidagi kuchlanish va oqim mahsuloti juda katta bo'lib, katta yo'qotishlarga olib keladi. Kommutatsiya vaqtini qisqartirish har bir o'tkazuvchanlik vaqtida yo'qotishni kamaytirishi mumkin; kommutatsiya chastotasini kamaytirish vaqt birligidagi kalitlar sonini kamaytirishi mumkin. Ikkala usul ham kommutatsiya yo'qotishlarini kamaytirishi mumkin.

MOSFET - bu FET turi (ikkinchisi - JFET). U yaxshilash rejimiga yoki tugatish rejimiga, P-kanal yoki N-kanalga, jami 4 xilga aylantirilishi mumkin. Biroq, faqat takomillashtirish rejimi N-kanal MOSFET aslida ishlatiladi. va takomillashtirish tipidagi P-kanal MOSFET, shuning uchun NMOS yoki PMOS odatda ushbu ikki turga tegishli.

 

5. MOSFET dastur sxemasi?

MOSFET ning eng muhim xususiyati uning yaxshi kommutatsiya xususiyatlaridir, shuning uchun u elektr quvvat manbalari va motor drayverlarini almashtirish kabi elektron kalitlarga muhtoj bo'lgan sxemalarda keng qo'llaniladi, shuningdek yorug'likning xiralashishi.

 

Bugungi MOSFET drayverlari bir nechta maxsus talablarga ega:

1. Past kuchlanishli dastur

5V quvvat manbaidan foydalanganda, agar bu vaqtda an'anaviy totem qutbli struktura ishlatilsa, tranzistorda taxminan 0,7V kuchlanish pasayishi bo'lganligi sababli, darvozaga qo'llaniladigan haqiqiy yakuniy kuchlanish faqat 4,3V ni tashkil qiladi. Ayni paytda biz nominal eshik kuchini tanlaymiz

4,5V MOSFETdan foydalanganda ma'lum bir xavf mavjud. Xuddi shu muammo 3V yoki boshqa past kuchlanishli quvvat manbalaridan foydalanganda ham paydo bo'ladi.

2. Keng kuchlanishli dastur

Kirish kuchlanishi sobit qiymat emas, u vaqt yoki boshqa omillar bilan o'zgaradi. Ushbu o'zgarish PWM pallasida MOSFETga taqdim etilgan haydash kuchlanishining beqaror bo'lishiga olib keladi.

MOSFET-larni yuqori kuchlanish ostida xavfsiz qilish uchun, ko'plab MOSFET-larda eshik kuchlanishining amplitudasini majburan cheklash uchun o'rnatilgan voltaj regulyatorlari mavjud. Bunday holda, taqdim etilgan haydash kuchlanishi kuchlanish regulyatori trubasining kuchlanishidan oshib ketganda, bu katta statik quvvat sarfiga olib keladi.

Shu bilan birga, agar siz eshik kuchlanishini kamaytirish uchun shunchaki qarshilik kuchlanishini bo'linish printsipidan foydalansangiz, MOSFET kirish kuchlanishi nisbatan yuqori bo'lganda yaxshi ishlaydi, lekin kirish kuchlanishi pasayganda, eshik kuchlanishi etarli bo'lmaydi, bu esa to'liq bo'lmagan o'tkazuvchanlik, shu bilan quvvat sarfini oshiradi.

3. Ikki kuchlanishli dastur

Ba'zi nazorat qilish davrlarida mantiqiy qism odatiy 5V yoki 3,3V raqamli kuchlanishdan foydalanadi, quvvat qismi esa 12V yoki undan yuqori kuchlanishdan foydalanadi. Ikki kuchlanish umumiy yerga ulangan.

Bu past kuchlanishli tomon MOSFETni yuqori voltli tomondan samarali boshqarishi uchun kontaktlarning zanglashiga olib borish talabini oshiradi. Shu bilan birga, yuqori kuchlanish tomonidagi MOSFET ham 1 va 2-bandlarda ko'rsatilgan muammolarga duch keladi.

Ushbu uchta holatda, totem qutb strukturasi chiqish talablariga javob bera olmaydi va ko'plab tayyor MOSFET drayveri IClari eshik kuchlanishini cheklovchi tuzilmalarni o'z ichiga olmaydi.

 

Shunday qilib, men ushbu uchta ehtiyojni qondirish uchun nisbatan umumiy sxemani ishlab chiqdim.

.

NMOS uchun haydovchi sxemasi

Bu erda men NMOS drayveri sxemasini oddiy tahlil qilaman:

Vl va Vh mos ravishda past va yuqori quvvat manbalaridir. Ikki kuchlanish bir xil bo'lishi mumkin, lekin Vl Vh dan oshmasligi kerak.

Q1 va Q2 ikkita haydovchi trubkasi Q3 va Q4 bir vaqtning o'zida yoqilmasligini ta'minlash uchun izolyatsiyaga erishish uchun teskari totem qutbini hosil qiladi.

R2 va R3 PWM kuchlanish ma'lumotnomasini beradi. Ushbu ma'lumotnomani o'zgartirib, kontaktlarning zanglashiga olib, PWM signali to'lqin shakli nisbatan tik bo'lgan holatda ishlashi mumkin.

Q3 va Q4 haydovchi oqimini ta'minlash uchun ishlatiladi. Yoqilganda, Q3 va Q4 faqat Vh va GND ga nisbatan Vce ning minimal kuchlanish pasayishiga ega. Bu kuchlanishning pasayishi odatda atigi 0,3 V ni tashkil qiladi, bu Vce 0,7 V dan ancha past.

R5 va R6 teskari aloqa rezistorlari bo'lib, eshik kuchlanishini namuna olish uchun ishlatiladi. Namuna olingan kuchlanish Q1 va Q2 dan Q5 gacha bo'lgan bazalarga kuchli salbiy teskari aloqa hosil qiladi, shuning uchun eshik kuchlanishini cheklangan qiymat bilan cheklaydi. Bu qiymat R5 va R6 orqali sozlanishi mumkin.

Nihoyat, R1 Q3 va Q4 uchun asosiy oqim chegarasini ta'minlaydi va R4 Q3 va Q4 muzining chegarasi bo'lgan MOSFET uchun eshik oqimi chegarasini ta'minlaydi. Agar kerak bo'lsa, tezlashtirish kondensatori R4 ga parallel ravishda ulanishi mumkin.

Ushbu sxema quyidagi xususiyatlarni ta'minlaydi:

1. Yuqori tomondagi MOSFETni boshqarish uchun past kuchlanish va PWM dan foydalaning.

2. Yuqori eshik kuchlanish talablari bilan MOSFETni boshqarish uchun kichik amplitudali PWM signalidan foydalaning.

3. Darvoza kuchlanishining eng yuqori chegarasi

4. Kirish va chiqish oqimi chegaralari

5. Tegishli rezistorlar yordamida juda kam quvvat sarfiga erishish mumkin.

6. PWM signali teskari. NMOS bu xususiyatga muhtoj emas va inverterni oldida joylashtirish orqali hal qilinishi mumkin.

Portativ qurilmalar va simsiz mahsulotlarni loyihalashda mahsulot unumdorligini oshirish va batareyaning ishlash muddatini uzaytirish dizaynerlar duch kelishi kerak bo'lgan ikkita muammodir. DC-DC konvertorlari yuqori samaradorlik, katta chiqish oqimi va past sokin oqimning afzalliklariga ega, bu ularni portativ qurilmalarni quvvatlantirish uchun juda mos keladi. Hozirgi vaqtda DC-DC konvertorni loyihalash texnologiyasini rivojlantirishning asosiy tendentsiyalari quyidagilardir: (1) Yuqori chastotali texnologiya: Kommutatsiya chastotasi oshishi bilan kommutatsiya konvertorining hajmi ham kamayadi, quvvat zichligi ham sezilarli darajada oshadi, va dinamik javob yaxshilanadi. . Kam quvvatli DC-DC konvertorlarining kommutatsiya chastotasi megahertz darajasiga ko'tariladi. (2) Past chiqish kuchlanish texnologiyasi: Yarimo'tkazgich ishlab chiqarish texnologiyasining uzluksiz rivojlanishi bilan mikroprotsessorlar va portativ elektron qurilmalarning ish kuchlanishi pasayib bormoqda, bu esa kelajakdagi DC-DC konvertorlarini mikroprotsessorlarga moslashish uchun past chiqish kuchlanishini ta'minlashni talab qiladi. protsessorlar va portativ elektron qurilmalar uchun talablar.

Ushbu texnologiyalarning rivojlanishi quvvat chiplarining sxemalarini loyihalash uchun yuqori talablarni qo'ydi. Avvalo, kommutatsiya chastotasi o'sishda davom etar ekan, kommutatsiya elementlarining ishlashiga yuqori talablar qo'yiladi. Shu bilan birga, kommutatsiya elementlarining MGts gacha bo'lgan kommutatsiya chastotalarida normal ishlashini ta'minlash uchun mos keladigan kommutatsiya elementi qo'zg'alish davrlarini ta'minlash kerak. Ikkinchidan, akkumulyator bilan ishlaydigan ko'chma elektron qurilmalar uchun kontaktlarning zanglashiga olib keladigan ish kuchlanishi past (lityum batareyalarni misol qilib olsak, ish kuchlanishi 2,5 ~ 3,6 V), shuning uchun quvvat chipining ish kuchlanishi past.

 

MOSFET juda past qarshilikka ega va kam energiya sarflaydi. MOSFET ko'pincha hozirda mashhur yuqori samarali DC-DC chiplarida quvvat kaliti sifatida ishlatiladi. Biroq, MOSFET ning katta parazit sig'imi tufayli, NMOS kommutatsiya quvurlarining eshik sig'imi odatda o'nlab pikofaradlargacha yuqori. Bu yuqori ish chastotali DC-DC konvertorli kommutatsiya trubkasi qo'zg'aysan pallasini loyihalash uchun yuqori talablarni qo'yadi.

Past kuchlanishli ULSI konstruksiyalarida katta sig'imli yuklar sifatida yuklash kuchaytirgich tuzilmalari va haydovchi davrlarini ishlatadigan turli CMOS va BiCMOS mantiqiy sxemalari mavjud. Ushbu sxemalar 1V dan past quvvat manbai kuchlanishida normal ishlashi mumkin va yuk sig'imi 1 dan 2pF gacha bo'lgan o'nlab megaherts yoki hatto yuzlab megagerts chastotasida ishlashi mumkin. Ushbu maqola past kuchlanishli, yuqori kommutatsiya chastotasini kuchaytiruvchi DC-DC konvertorlari uchun mos bo'lgan katta yuk sig'imli qo'zg'aysan qobiliyatiga ega bo'lgan qo'zg'aysan pallasini loyihalash uchun yuklash chizig'ini kuchaytirish sxemasidan foydalanadi. Sxema Samsung AHP615 BiCMOS jarayoni asosida ishlab chiqilgan va Hspice simulyatsiyasi bilan tasdiqlangan. Besleme zo'riqishida 1,5V va yuk sig'imi 60pF bo'lsa, ish chastotasi 5 MGts dan oshishi mumkin.

.

MOSFET o'tish xususiyatlari

.

1. Statik xarakteristikalar

Kommutatsiya elementi sifatida MOSFET ham ikkita holatda ishlaydi: o'chirilgan yoki yoqilgan. MOSFET kuchlanish bilan boshqariladigan komponent bo'lganligi sababli, uning ish holati asosan uGS gate-manba kuchlanishi bilan belgilanadi.

 

Ishlash xususiyatlari quyidagilardan iborat:

※ uGS＜yoqilish kuchlanishi UT: MOSFET uzilish zonasida ishlaydi, drenaj manbai oqimi iDS asosan 0, chiqish kuchlanishi uDS≈UDD va MOSFET "o'chirilgan" holatda.

※ uGS>Ochish kuchlanishi UT: MOSFET o'tkazuvchanlik hududida ishlaydi, oqim manbai oqimi iDS=UDD/(RD+rDS). Ularning orasida rDS - MOSFET yoqilganda drenaj manbasining qarshiligi. Chiqish kuchlanishi UDS=UDD?rDS/(RD+rDS), agar rDS＜＜RD, uDS≈0V bo'lsa, MOSFET "yoqilgan" holatda.

2. Dinamik xarakteristikalar

MOSFET, shuningdek, yoqish va o'chirish holatlari o'rtasida o'tish jarayoniga ega, ammo uning dinamik xususiyatlari, asosan, kontaktlarning zanglashiga olib keladigan sig'imini zaryad qilish va tushirish uchun zarur bo'lgan vaqtga, shuningdek, trubaning o'zi yoqilgan va o'chirilganida zaryadning to'planishi va zaryadsizlanishiga bog'liq. Chiqarish vaqti juda kichik.

Kirish voltaji ui yuqoridan pastgacha o'zgarganda va MOSFET yoqilgan holatdan o'chirilgan holatga o'tganda, quvvat manbai UDD RD orqali CL yo'qolgan sig'imini zaryad qiladi va zaryadlash vaqti doimiysi t1=RDCL. Shuning uchun, chiqish kuchlanishi uo past darajadan yuqori darajaga o'tishdan oldin ma'lum bir kechikishdan o'tishi kerak; kirish voltaji ui pastdan yuqoriga o'zgarganda va MOSFET o'chirilgan holatdan yoqilgan holatga o'zgarganda, adashgan sig'imdagi CL zaryadi rDS orqali o'tadi Deşarj t2≈rDSCL zaryadsizlanish vaqti bilan sodir bo'ladi. Ko'rinib turibdiki, chiqish kuchlanishi Uo ham past darajaga o'tishdan oldin ma'lum bir kechikish kerak. Ammo rDS RD dan ancha kichik bo'lganligi sababli, kesishdan o'tkazishgacha bo'lgan konvertatsiya vaqti o'tkazuvchanlikdan kesishgacha bo'lgan konvertatsiya vaqtidan qisqaroq.

MOSFET yoqilganda drenaj manbasining qarshiligi rDS tranzistorning to'yinganlik qarshiligi rCES dan ancha katta va tashqi drenaj qarshiligi RD ham tranzistorning kollektor qarshiligi RC dan kattaroq bo'lgani uchun, zaryadlash va zaryadlash vaqti. MOSFET ning uzunligi uzoqroq bo'lib, MOSFET ni tashkil qiladi Kommutatsiya tezligi tranzistornikiga qaraganda pastroq. Biroq, CMOS davrlarida, zaryadlash davri va tushirish davri ikkalasi ham past qarshilikli davrlar bo'lgani uchun, zaryadlash va tushirish jarayonlari nisbatan tezdir, bu esa CMOS davri uchun yuqori kommutatsiya tezligiga olib keladi.