Coneixements bàsics originals i aplicació MOSFET

Pel que fa al mode d'esgotamentMOSFETno s'utilitzen, no es recomana arribar al fons.

Per a aquests dos MOSFET en mode de millora, NMOS s'utilitza més habitualment. El motiu és que la resistència a l'encesa és petita i fàcil de fabricar. Per tant, NMOS s'utilitza generalment en aplicacions d'alimentació de commutació i accionament de motors. A la següent introducció, s'utilitza principalment NMOS.

Hi ha una capacitat parasitària entre els tres pins del MOSFET. Això no és el que necessitem, sinó que es deu a les limitacions del procés de fabricació. L'existència de la capacitat paràsita fa que sigui més problemàtic a l'hora de dissenyar o seleccionar un circuit d'accionament, però no hi ha manera d'evitar-ho. Ho presentarem amb detall més endavant.

Hi ha un díode paràsit entre el desguàs i la font. Això s'anomena díode corporal. Aquest díode és molt important quan es condueixen càrregues inductives (com ara motors). Per cert, el díode corporal només existeix en un sol MOSFET i normalment no es troba dins d'un xip de circuit integrat.

 

2. Característiques de conducció del MOSFET

Conduir vol dir actuar com un interruptor, que equival a que l'interruptor estigui tancat.

La característica de NMOS és que s'activarà quan Vgs sigui superior a un valor determinat. És adequat per al seu ús quan la font està connectada a terra (unitat de gamma baixa), sempre que la tensió de la porta arribi a 4V o 10V.

Les característiques de PMOS són que s'activarà quan Vgs sigui inferior a un valor determinat, la qual cosa és adequada per a situacions en què la font està connectada a VCC (unitat de gamma alta). Tanmateix, encara quePMOSes pot utilitzar fàcilment com a controlador de gamma alta, NMOS s'utilitza generalment en controladors de gamma alta a causa de la gran resistència, el preu elevat i els pocs tipus de substitució.

 

3. Pèrdua del tub de l'interruptor MOS

Tant si es tracta de NMOS com de PMOS, hi ha una resistència activada després d'encendre-la, de manera que el corrent consumirà energia amb aquesta resistència. Aquesta part de l'energia consumida s'anomena pèrdua de conducció. L'elecció d'un MOSFET amb una petita resistència a l'encesa reduirà les pèrdues de conducció. La resistència actual de MOSFET de baixa potència és generalment al voltant de desenes de miliohms, i també hi ha diversos miliohms.

Quan el MOSFET està encès i apagat, no s'ha de completar a l'instant. La tensió a través del MOS té un procés decreixent i el corrent que flueix té un procés creixent. Durant aquest període, elMOSFETLa pèrdua és el producte de la tensió i el corrent, que s'anomena pèrdua de commutació. En general, les pèrdues de commutació són molt més grans que les pèrdues de conducció, i com més ràpida és la freqüència de commutació, més grans són les pèrdues.

El producte de tensió i corrent en el moment de la conducció és molt gran, provocant grans pèrdues. Escurçar el temps de commutació pot reduir la pèrdua durant cada conducció; reduir la freqüència de commutació pot reduir el nombre d'interruptors per unitat de temps. Tots dos mètodes poden reduir les pèrdues de commutació.

La forma d'ona quan el MOSFET està encès. Es pot veure que el producte de tensió i corrent en el moment de la conducció és molt gran, i la pèrdua causada també és molt gran. La reducció del temps de commutació pot reduir la pèrdua durant cada conducció; reduir la freqüència de commutació pot reduir el nombre d'interruptors per unitat de temps. Tots dos mètodes poden reduir les pèrdues de commutació.

 

4. Controlador MOSFET

En comparació amb els transistors bipolars, generalment es creu que no es requereix cap corrent per encendre un MOSFET, sempre que la tensió GS sigui superior a un determinat valor. Això és fàcil de fer, però també necessitem velocitat.

Es pot veure a l'estructura del MOSFET que hi ha una capacitat parasitària entre GS i GD, i la conducció del MOSFET és en realitat la càrrega i descàrrega del condensador. La càrrega del condensador requereix un corrent, perquè el condensador es pot considerar un curtcircuit en el moment de la càrrega, de manera que el corrent instantani serà relativament gran. El primer que cal prestar atenció a l'hora de seleccionar/dissenyar un controlador MOSFET és la quantitat de corrent de curtcircuit instantani que pot proporcionar. ​

La segona cosa a tenir en compte és que NMOS, que s'utilitza habitualment per a la conducció de gamma alta, necessita que la tensió de la porta sigui més gran que la tensió de la font quan està activada. Quan s'activa el MOSFET de la part alta, la tensió de la font és la mateixa que la tensió de drenatge (VCC), de manera que la tensió de la porta és 4V o 10V més gran que VCC en aquest moment. Si voleu obtenir una tensió més gran que VCC al mateix sistema, necessiteu un circuit de reforç especial. Molts controladors de motor tenen bombes de càrrega integrades. Cal tenir en compte que s'ha de seleccionar un condensador extern adequat per obtenir un corrent de curtcircuit suficient per conduir el MOSFET.

 

Els 4V o 10V esmentats anteriorment són la tensió d'encesa dels MOSFET d'ús habitual i, per descomptat, cal permetre un cert marge durant el disseny. I com més gran sigui la tensió, més ràpida serà la velocitat de conducció i menor serà la resistència de conducció. Ara hi ha MOSFET amb tensions de conducció més petites que s'utilitzen en diferents camps, però en els sistemes electrònics d'automoció de 12 V, generalment, la conducció de 4 V és suficient.

 

Per al circuit del controlador MOSFET i les seves pèrdues, consulteu els controladors MOSFET AN799 que coincideixen amb els MOSFET de Microchip. És molt detallat, així que no escriuré més.

 

El producte de tensió i corrent en el moment de la conducció és molt gran, provocant grans pèrdues. La reducció del temps de commutació pot reduir la pèrdua durant cada conducció; reduir la freqüència de commutació pot reduir el nombre d'interruptors per unitat de temps. Tots dos mètodes poden reduir les pèrdues de commutació.

MOSFET és un tipus de FET (l'altre és JFET). Es pot convertir en mode de millora o mode d'esgotament, canal P o canal N, un total de 4 tipus. Tanmateix, només s'utilitza realment el MOSFET de canal N en mode de millora. i MOSFET de canal P de tipus millora, de manera que NMOS o PMOS solen referir-se a aquests dos tipus.

 

5. Circuit d'aplicació MOSFET?

La característica més significativa del MOSFET són les seves bones característiques de commutació, de manera que s'utilitza àmpliament en circuits que requereixen interruptors electrònics, com ara fonts d'alimentació de commutació i accionaments de motor, així com atenuació de la il·luminació.

 

Els controladors MOSFET actuals tenen diversos requisits especials:

1. Aplicació de baixa tensió

Quan s'utilitza una font d'alimentació de 5 V, si en aquest moment s'utilitza una estructura de tòtem tradicional, ja que el transistor té una caiguda de tensió d'uns 0,7 V, la tensió final real aplicada a la porta és només de 4,3 V. En aquest moment, escollim la potència nominal de la porta

Hi ha un cert risc quan s'utilitza un MOSFET de 4,5 V. El mateix problema també es produeix quan s'utilitza 3V o altres fonts d'alimentació de baixa tensió.

2. Amplia aplicació de tensió

La tensió d'entrada no és un valor fix, canviarà amb el temps o altres factors. Aquest canvi fa que la tensió de conducció proporcionada pel circuit PWM al MOSFET sigui inestable.

Per tal de garantir que els MOSFET siguin segurs amb altes tensions de porta, molts MOSFET tenen reguladors de tensió integrats per limitar força l'amplitud de la tensió de la porta. En aquest cas, quan la tensió de conducció proporcionada supera la tensió del tub regulador de tensió, provocarà un gran consum d'energia estàtica.

Al mateix temps, si simplement utilitzeu el principi de divisió de tensió de resistència per reduir la tensió de la porta, el MOSFET funcionarà bé quan la tensió d'entrada sigui relativament alta, però quan es redueixi la tensió d'entrada, la tensió de la porta serà insuficient, provocant conducció incompleta, augmentant així el consum d'energia.

3. Aplicació de doble voltatge

En alguns circuits de control, la part lògica utilitza una tensió digital típica de 5 V o 3,3 V, mentre que la part de potència utilitza una tensió de 12 V o fins i tot superior. Les dues tensions estan connectades a una terra comú.

Això planteja el requisit d'utilitzar un circuit perquè el costat de baixa tensió pugui controlar eficaçment el MOSFET al costat d'alta tensió. Al mateix temps, el MOSFET del costat d'alta tensió també s'enfrontarà als problemes esmentats a 1 i 2.

En aquests tres casos, l'estructura del pol tòtem no pot complir els requisits de sortida, i molts circuits integrats de controlador MOSFET disponibles no semblen incloure estructures limitadores de tensió de la porta.

 

Així que vaig dissenyar un circuit relativament general per cobrir aquestes tres necessitats.

​

Circuit controlador per a NMOS

Aquí només faré una anàlisi senzilla del circuit del controlador NMOS:

Vl i Vh són les fonts d'alimentació de gamma baixa i alta, respectivament. Les dues tensions poden ser iguals, però Vl no ha de superar Vh.

Q1 i Q2 formen un tòtem invertit per aconseguir l'aïllament alhora que s'assegura que els dos tubs conductors Q3 i Q4 no s'encenen al mateix temps.

R2 i R3 proporcionen la referència de tensió PWM. En canviar aquesta referència, el circuit es pot operar en una posició on la forma d'ona del senyal PWM sigui relativament pronunciada.

Q3 i Q4 s'utilitzen per proporcionar corrent d'accionament. Quan estan activats, Q3 i Q4 només tenen una caiguda de tensió mínima de Vce en relació amb Vh i GND. Aquesta caiguda de tensió sol ser només d'uns 0,3 V, que és molt inferior al Vce de 0,7 V.

R5 i R6 són resistències de retroalimentació, utilitzades per mostrejar la tensió de la porta. La tensió mostrejada genera una forta retroalimentació negativa a les bases de Q1 i Q2 a Q5, limitant així la tensió de la porta a un valor limitat. Aquest valor es pot ajustar mitjançant R5 i R6.

Finalment, R1 proporciona el límit de corrent base per a Q3 i Q4, i R4 proporciona el límit de corrent de porta per al MOSFET, que és el límit del gel de Q3 i Q4. Si cal, es pot connectar un condensador d'acceleració en paral·lel a R4.

Aquest circuit ofereix les següents característiques:

1. Utilitzeu la tensió del costat baix i el PWM per impulsar el MOSFET del costat alt.

2. Utilitzeu un senyal PWM de petita amplitud per conduir un MOSFET amb requisits d'alta tensió de porta.

3. Límit pic de tensió de porta

4. Límits de corrent d'entrada i sortida

5. Mitjançant l'ús de resistències adequades, es pot aconseguir un consum d'energia molt baix.

6. El senyal PWM està invertit. NMOS no necessita aquesta característica i es pot resoldre col·locant un inversor al davant.

Quan es dissenyen dispositius portàtils i productes sense fil, la millora del rendiment del producte i l'allargament de la durada de la bateria són dos problemes que els dissenyadors han d'afrontar. Els convertidors DC-DC tenen els avantatges d'una alta eficiència, un gran corrent de sortida i un baix corrent de repòs, el que els fa molt adequats per alimentar dispositius portàtils. Actualment, les principals tendències en el desenvolupament de la tecnologia de disseny del convertidor DC-DC són: (1) Tecnologia d'alta freqüència: a mesura que augmenta la freqüència de commutació, la mida del convertidor de commutació també es redueix, la densitat de potència també augmenta molt, i es millora la resposta dinàmica. . La freqüència de commutació dels convertidors DC-DC de baixa potència augmentarà al nivell de megahertz. (2) Tecnologia de baixa tensió de sortida: amb el desenvolupament continu de la tecnologia de fabricació de semiconductors, la tensió de funcionament dels microprocessadors i dispositius electrònics portàtils és cada cop més baixa, cosa que requereix que els futurs convertidors DC-DC proporcionin una tensió de sortida baixa per adaptar-se als microprocessadors. requisits per a processadors i dispositius electrònics portàtils.

El desenvolupament d'aquestes tecnologies ha plantejat requisits més elevats per al disseny de circuits de xip de potència. En primer lloc, a mesura que la freqüència de commutació continua augmentant, es fan requisits elevats sobre el rendiment dels elements de commutació. Al mateix temps, s'han de proporcionar els circuits d'accionament dels elements de commutació corresponents per garantir que els elements de commutació funcionin normalment a freqüències de commutació de fins a MHz. En segon lloc, per als dispositius electrònics portàtils alimentats amb bateries, la tensió de treball del circuit és baixa (prenent com a exemple les bateries de liti, la tensió de treball és de 2,5 ~ 3,6 V), per tant, la tensió de treball del xip d'alimentació és baixa.

 

MOSFET té una resistència molt baixa i consumeix poca energia. MOSFET s'utilitza sovint com a interruptor d'alimentació en xips DC-DC d'alta eficiència actualment populars. No obstant això, a causa de la gran capacitat parasitària del MOSFET, la capacitat de la porta dels tubs de commutació NMOS és generalment tan alta com desenes de picofarads. Això planteja requisits més elevats per al disseny d'un circuit d'accionament de tub de commutació del convertidor DC-DC d'alta freqüència de funcionament.

En els dissenys ULSI de baixa tensió, hi ha una varietat de circuits lògics CMOS i BiCMOS que utilitzen estructures d'impuls d'arrencada i circuits d'accionament com a grans càrregues capacitives. Aquests circuits poden funcionar normalment amb una tensió d'alimentació inferior a 1V, i poden funcionar a una freqüència de desenes de megahertz o fins i tot centenars de megahertz amb una capacitat de càrrega d'1 a 2pF. Aquest article utilitza un circuit d'impuls d'arrencada per dissenyar un circuit d'accionament amb capacitat d'accionament de gran capacitat de càrrega que sigui adequat per a convertidors DC-DC de baixa tensió i d'alta freqüència de commutació. El circuit està dissenyat basant-se en el procés Samsung AHP615 BiCMOS i verificat per simulació Hspice. Quan la tensió de subministrament és d'1,5 V i la capacitat de càrrega és de 60 pF, la freqüència de funcionament pot arribar a més de 5 MHz.

​

Característiques de commutació MOSFET

​

1. Característiques estàtiques

Com a element de commutació, MOSFET també funciona en dos estats: apagat o activat. Com que MOSFET és un component controlat per tensió, el seu estat de treball està determinat principalment per la tensió de la font de la porta uGS.

 

Les característiques de treball són les següents:

※ uGS＜tensió d'encesa UT: MOSFET funciona a l'àrea de tall, el corrent de la font de drenatge iDS és bàsicament 0, la tensió de sortida uDS≈UDD i el MOSFET està en estat "apagat".

※ uGS>Tensió d'encesa UT: MOSFET funciona a la regió de conducció, corrent de drenatge iDS=UDD/(RD+rDS). Entre ells, rDS és la resistència de la font de drenatge quan el MOSFET està encès. La tensió de sortida UDS=UDD?rDS/(RD+rDS), si rDS＜＜RD, uDS≈0V, el MOSFET està en l'estat "activat".

2. Característiques dinàmiques

El MOSFET també té un procés de transició quan es canvia entre els estats d'encesa i apagat, però les seves característiques dinàmiques depenen principalment del temps necessari per carregar i descarregar la capacitat dispersa relacionada amb el circuit, i l'acumulació i descàrrega de càrrega quan el tub està encès i apagat. El temps de dissipació és molt petit.

Quan la tensió d'entrada ui canvia d'alta a baixa i el MOSFET canvia de l'estat encès a l'estat apagat, la font d'alimentació UDD carrega la capacitat dispersa CL a través de RD i la constant de temps de càrrega τ1 = RDCL. Per tant, la tensió de sortida uo ha de passar per un cert retard abans de canviar de nivell baix a nivell alt; quan la tensió d'entrada ui canvia de baixa a alta i el MOSFET canvia de l'estat apagat a l'estat encès, la càrrega de la capacitat dispersa CL passa per rDS La descàrrega es produeix amb una constant de temps de descàrrega τ2≈rDSCL. Es pot veure que la tensió de sortida Uo també necessita un cert retard abans que pugui passar a un nivell baix. Però com que rDS és molt més petit que RD, el temps de conversió de tall a conducció és més curt que el temps de conversió de conducció a tall.

Com que la resistència de la font de drenatge rDS del MOSFET quan està encès és molt més gran que la resistència de saturació rCES del transistor, i la resistència de drenatge externa RD també és més gran que la resistència del col·lector RC del transistor, el temps de càrrega i descàrrega del MOSFET és més llarg, fent que el MOSFET La velocitat de commutació és menor que la d'un transistor. Tanmateix, als circuits CMOS, com que el circuit de càrrega i el circuit de descàrrega són circuits de baixa resistència, els processos de càrrega i descàrrega són relativament ràpids, donant lloc a una velocitat de commutació elevada per al circuit CMOS.