Coñecementos e aplicacións básicas orixinais de MOSFET

En canto ao modo de esgotamentoMOSFETnon se usan, non se recomenda chegar ao fondo.

Para estes dous MOSFET en modo de mellora, úsase máis habitualmente NMOS. O motivo é que a resistencia á activación é pequena e fácil de fabricar. Polo tanto, o NMOS úsase xeralmente en aplicacións de fonte de alimentación conmutada e accionamento de motor. Na seguinte introdución, úsase principalmente NMOS.

Hai unha capacitancia parasitaria entre os tres pinos do MOSFET. Isto non é o que necesitamos, pero é causado polas limitacións do proceso de fabricación. A existencia de capacitancia parasitaria fai que sexa máis problemático ao deseñar ou seleccionar un circuíto de accionamento, pero non hai forma de evitalo. Presentarémolo en detalle máis adiante.

Hai un díodo parasito entre o drenaxe e a fonte. Isto chámase díodo corporal. Este díodo é moi importante cando se manexan cargas indutivas (como motores). Por certo, o díodo do corpo só existe nun único MOSFET e normalmente non se atopa dentro dun chip de circuíto integrado.

 

2. Características de condución do MOSFET

Conducir significa actuar como un interruptor, o que equivale a que o interruptor está pechado.

A característica de NMOS é que se activará cando Vgs sexa superior a un determinado valor. É axeitado para o seu uso cando a fonte está conectada a terra (unidade de gama baixa), sempre que a tensión da porta alcance 4V ou 10V.

As características de PMOS son que se activará cando Vgs sexa inferior a un determinado valor, o que é axeitado para situacións nas que a fonte está conectada a VCC (unidade de gama alta). Porén, aínda quePMOSpódese usar facilmente como controlador de gama alta, NMOS adoita usarse en controladores de gama alta debido á gran resistencia, prezo elevado e poucos tipos de substitución.

 

3. Perda do tubo do interruptor MOS

Tanto se se trata de NMOS como de PMOS, hai unha resistencia activa despois de acendela, polo que a corrente consumirá enerxía nesta resistencia. Esta parte da enerxía consumida denomínase perda de condución. Elixir un MOSFET cunha pequena resistencia de activación reducirá as perdas de condución. A resistencia actual de MOSFET de baixa potencia é xeralmente arredor de decenas de miliohmios, e tamén hai varios miliohmios.

Cando o MOSFET está acendido e apagado, non debe completarse ao instante. A tensión a través do MOS ten un proceso decrecente e a corrente que flúe ten un proceso crecente. Durante este período, oMOSFETa perda é o produto da tensión e da corrente, que se denomina perda de conmutación. Normalmente as perdas de conmutación son moito maiores que as perdas de condución, e canto máis rápida sexa a frecuencia de conmutación, maiores serán as perdas.

O produto da tensión e da corrente no momento da condución é moi grande, provocando grandes perdas. Acurtar o tempo de conmutación pode reducir a perda durante cada condución; reducir a frecuencia de conmutación pode reducir o número de conmutadores por unidade de tempo. Ambos métodos poden reducir as perdas de conmutación.

A forma de onda cando o MOSFET está acendido. Pódese ver que o produto da tensión e da corrente no momento da condución é moi grande, e a perda causada tamén é moi grande. Reducir o tempo de conmutación pode reducir a perda durante cada condución; reducir a frecuencia de conmutación pode reducir o número de conmutadores por unidade de tempo. Ambos métodos poden reducir as perdas de conmutación.

 

4. Controlador MOSFET

En comparación cos transistores bipolares, en xeral crese que non é necesaria ningunha corrente para acender un MOSFET, sempre que a tensión GS sexa superior a un determinado valor. Isto é fácil de facer, pero tamén necesitamos velocidade.

Pódese ver na estrutura do MOSFET que hai unha capacitancia parasitaria entre GS e GD, e a condución do MOSFET é en realidade a carga e descarga do capacitor. A carga do capacitor require unha corrente, porque o capacitor pode considerarse un curtocircuíto no momento da carga, polo que a corrente instantánea será relativamente grande. O primeiro que hai que prestar atención ao seleccionar/deseñar un controlador MOSFET é a cantidade de corrente de curtocircuíto instantánea que pode proporcionar. .

A segunda cousa a ter en conta é que NMOS, que se usa habitualmente para a condución de gama alta, necesita que a tensión da porta sexa maior que a tensión da fonte cando se acende. Cando o MOSFET impulsado polo lado alto está acendido, a tensión da fonte é a mesma que a tensión de drenaxe (VCC), polo que a tensión da porta é 4V ou 10V maior que VCC neste momento. Se queres obter unha tensión maior que VCC no mesmo sistema, necesitas un circuíto de refuerzo especial. Moitos controladores de motores teñen bombas de carga integradas. Nótese que se debe seleccionar un capacitor externo adecuado para obter unha corrente de curtocircuíto suficiente para controlar o MOSFET.

 

Os 4V ou 10V mencionados anteriormente é a tensión de aceso dos MOSFET de uso común e, por suposto, hai que permitir unha certa marxe durante o deseño. E canto maior sexa a tensión, máis rápida será a velocidade de condución e menor será a resistencia de condución. Agora hai MOSFET con voltaxes de condución máis pequenas que se usan en diferentes campos, pero nos sistemas electrónicos de automoción de 12 V, xeralmente a condución de 4 V é suficiente.

 

Para o circuíto de controladores MOSFET e as súas perdas, consulte os controladores de MOSFET AN799 de Microchip que coinciden con os MOSFET. Está moi detallado, así que non vou escribir máis.

 

O produto da tensión e da corrente no momento da condución é moi grande, provocando grandes perdas. Reducir o tempo de conmutación pode reducir a perda durante cada condución; reducir a frecuencia de conmutación pode reducir o número de conmutadores por unidade de tempo. Ambos métodos poden reducir as perdas de conmutación.

MOSFET é un tipo de FET (o outro é JFET). Pódese facer en modo de mellora ou modo de esgotamento, canle P ou canle N, un total de 4 tipos. Non obstante, só se usa realmente un MOSFET de canle N en modo de mellora. e MOSFET de canle P de tipo de mellora, polo que NMOS ou PMOS adoitan referirse a estes dous tipos.

 

5. Circuíto de aplicación MOSFET?

A característica máis significativa do MOSFET son as súas boas características de conmutación, polo que é amplamente utilizado en circuítos que requiren interruptores electrónicos, como fontes de alimentación conmutadas e unidades de motores, así como atenuación da iluminación.

 

Os controladores MOSFET actuais teñen varios requisitos especiais:

1. Aplicación de baixa tensión

Cando se usa unha fonte de alimentación de 5 V, se se usa unha estrutura tradicional de tótem neste momento, xa que o transistor ten unha caída de tensión duns 0,7 V, a tensión final real aplicada á porta é só de 4,3 V. Neste momento, escollemos a potencia nominal da porta

Hai certo risco ao usar un MOSFET de 4,5 V. O mesmo problema tamén ocorre cando se usan fontes de alimentación de 3V ou outras de baixa tensión.

2. Ampla aplicación de tensión

A tensión de entrada non é un valor fixo, cambiará co tempo ou outros factores. Este cambio fai que a tensión de condución proporcionada polo circuíto PWM ao MOSFET sexa inestable.

Para que os MOSFET sexan seguros baixo altas tensións de porta, moitos MOSFET teñen reguladores de voltaxe integrados para limitar forzadamente a amplitude da tensión de porta. Neste caso, cando a tensión de condución proporcionada supera a tensión do tubo regulador de tensión, provocará un gran consumo de enerxía estática.

Ao mesmo tempo, se simplemente usa o principio da división da tensión da resistencia para reducir a tensión da porta, o MOSFET funcionará ben cando a tensión de entrada sexa relativamente alta, pero cando a tensión de entrada se reduce, a tensión da porta será insuficiente, causando condución incompleta, aumentando así o consumo de enerxía.

3. Aplicación de dobre tensión

Nalgúns circuítos de control, a parte lóxica usa unha tensión dixital típica de 5 V ou 3,3 V, mentres que a parte de potencia usa unha tensión de 12 V ou incluso superior. As dúas tensións están conectadas a unha masa común.

Isto xera un requisito para usar un circuíto para que o lado de baixa tensión poida controlar eficazmente o MOSFET no lado de alta tensión. Ao mesmo tempo, o MOSFET do lado de alta tensión tamén se enfrontará aos problemas mencionados nos puntos 1 e 2.

Nestes tres casos, a estrutura do tótem non pode cumprir os requisitos de saída e moitos CI controladores MOSFET dispoñibles non parecen incluír estruturas limitadoras de voltaxe de porta.

 

Así que deseñei un circuíto relativamente xeral para satisfacer estas tres necesidades.

.

Circuito controlador para NMOS

Aquí só farei unha análise sinxela do circuíto do controlador NMOS:

Vl e Vh son as fontes de alimentación de gama baixa e alta respectivamente. As dúas tensións poden ser iguais, pero Vl non debe exceder Vh.

Q1 e Q2 forman un tótem invertido para lograr o illamento ao tempo que se garante que os dous tubos de condución Q3 e Q4 non se acendan ao mesmo tempo.

R2 e R3 proporcionan a referencia de tensión PWM. Ao cambiar esta referencia, o circuíto pódese operar nunha posición onde a forma de onda do sinal PWM é relativamente pronunciada.

Q3 e Q4 utilízanse para proporcionar corrente de accionamento. Cando están acendidos, Q3 e Q4 só teñen unha caída de tensión mínima de Vce en relación a Vh e GND. Esta caída de tensión adoita ser só duns 0,3 V, que é moito menor que o Vce de 0,7 V.

R5 e R6 son resistencias de retroalimentación, usadas para mostrar a tensión da porta. A tensión mostrada xera unha forte retroalimentación negativa ás bases de Q1 e Q2 a través de Q5, limitando así a tensión de porta a un valor limitado. Este valor pódese axustar a través de R5 e R6.

Finalmente, R1 proporciona o límite de corrente base para Q3 e Q4, e R4 proporciona o límite de corrente de porta para o MOSFET, que é o límite do xeo de Q3 e Q4. Se é necesario, pódese conectar un condensador de aceleración en paralelo a R4.

Este circuíto ofrece as seguintes características:

1. Use a tensión do lado baixo e PWM para impulsar o MOSFET do lado alto.

2. Use un sinal PWM de pequena amplitude para conducir un MOSFET con requisitos de alta tensión de porta.

3. Límite de pico da tensión de porta

4. Límites de corrente de entrada e saída

5. Mediante o uso de resistencias adecuadas, pódese conseguir un consumo de enerxía moi baixo.

6. O sinal PWM está invertido. NMOS non precisa desta función e pódese resolver colocando un inversor diante.

Ao deseñar dispositivos portátiles e produtos sen fíos, mellorar o rendemento do produto e prolongar a duración da batería son dous problemas aos que deben enfrontarse os deseñadores. Os conversores DC-DC teñen as vantaxes dunha alta eficiencia, unha gran corrente de saída e unha baixa corrente de reposo, polo que son moi axeitados para alimentar dispositivos portátiles. Na actualidade, as principais tendencias no desenvolvemento da tecnoloxía de deseño do conversor DC-DC son: (1) Tecnoloxía de alta frecuencia: a medida que aumenta a frecuencia de conmutación, o tamaño do conversor de conmutación tamén se reduce, a densidade de potencia tamén aumenta moito. e mellora a resposta dinámica. . A frecuencia de conmutación dos conversores DC-DC de baixa potencia aumentará ata o nivel de megahercios. (2) Tecnoloxía de baixa tensión de saída: co desenvolvemento continuo da tecnoloxía de fabricación de semicondutores, a tensión de funcionamento dos microprocesadores e dos dispositivos electrónicos portátiles é cada vez máis baixa, o que require que os futuros conversores DC-DC proporcionen baixa tensión de saída para adaptarse aos microprocesadores. requisitos para procesadores e dispositivos electrónicos portátiles.

O desenvolvemento destas tecnoloxías presentou requisitos máis elevados para o deseño de circuítos de chips de potencia. En primeiro lugar, a medida que a frecuencia de conmutación segue aumentando, impóñense altos requisitos sobre o rendemento dos elementos de conmutación. Ao mesmo tempo, deben proporcionarse os circuítos de accionamento dos elementos de conmutación correspondentes para garantir que os elementos de conmutación funcionen normalmente a frecuencias de conmutación de ata MHz. En segundo lugar, para os dispositivos electrónicos portátiles alimentados por batería, a tensión de traballo do circuíto é baixa (tomando como exemplo as baterías de litio, a tensión de traballo é de 2,5 ~ 3,6 V), polo tanto, a tensión de traballo do chip de potencia é baixa.

 

O MOSFET ten unha resistencia moi baixa e consome baixa enerxía. MOSFET úsase a miúdo como interruptor de alimentación nos chips DC-DC de alta eficiencia actualmente populares. Non obstante, debido á gran capacidade parasitaria do MOSFET, a capacidade de porta dos tubos de conmutación NMOS é xeralmente tan alta como decenas de picofaradios. Isto presenta requisitos máis elevados para o deseño de circuítos de condución de tubos de conmutación do conversor DC-DC de alta frecuencia de funcionamento.

Nos deseños ULSI de baixa tensión, hai unha variedade de circuítos lóxicos CMOS e BiCMOS que utilizan estruturas de impulso de arranque e circuítos de accionamento como grandes cargas capacitivas. Estes circuítos poden funcionar normalmente cunha tensión de alimentación inferior a 1 V, e poden funcionar a unha frecuencia de decenas de megahercios ou mesmo centos de megahercios cunha capacidade de carga de 1 a 2 pF. Este artigo utiliza un circuíto de refuerzo de arranque para deseñar un circuíto de accionamento con capacidade de accionamento de gran capacidade de carga que sexa adecuado para conversores DC-DC de alta frecuencia de conmutación de baixa tensión. O circuíto está deseñado baseándose no proceso Samsung AHP615 BiCMOS e verificado pola simulación Hspice. Cando a tensión de alimentación é de 1,5 V e a capacidade de carga é de 60 pF, a frecuencia de funcionamento pode alcanzar máis de 5 MHz.

.

Características de conmutación MOSFET

.

1. Características estáticas

Como elemento de conmutación, MOSFET tamén funciona en dous estados: apagado ou acendido. Dado que o MOSFET é un compoñente controlado por voltaxe, o seu estado de traballo está determinado principalmente pola tensión da fonte de porta uGS.

 

As características de traballo son as seguintes:

※ uGS＜tensión de aceso UT: o MOSFET funciona na zona de corte, a corrente da fonte de drenaxe iDS é basicamente 0, a tensión de saída uDS≈UDD e o MOSFET está no estado "desactivado".

※ uGS>Tensión de encendido UT: MOSFET funciona na rexión de condución, corrente de fonte de drenaxe iDS=UDD/(RD+rDS). Entre eles, rDS é a resistencia da fonte de drenaxe cando se acende o MOSFET. A tensión de saída UDS=UDD?rDS/(RD+rDS), se rDS＜＜RD, uDS≈0V, o MOSFET está no estado "on".

2. Características dinámicas

O MOSFET tamén ten un proceso de transición ao cambiar entre os estados de acendido e apagado, pero as súas características dinámicas dependen principalmente do tempo necesario para cargar e descargar a capacitancia perdida relacionada co circuíto, e da acumulación e descarga de carga cando o propio tubo está acendido e apagado. O tempo de disipación é moi pequeno.

Cando a tensión de entrada ui cambia de alta a baixa e o MOSFET cambia do estado encendido ao estado apagado, a fonte de alimentación UDD carga a capacidade perdida CL a través de RD e a constante de tempo de carga τ1=RDCL. Polo tanto, a tensión de saída uo debe pasar por un certo atraso antes de cambiar de nivel baixo a nivel alto; cando a tensión de entrada ui cambia de baixa a alta e o MOSFET cambia do estado apagado ao estado activado, a carga da capacitancia perdida CL pasa por rDS A descarga prodúcese cunha constante de tempo de descarga τ2≈rDSCL. Pódese ver que a tensión de saída Uo tamén necesita un certo atraso antes de que poida pasar a un nivel baixo. Pero como rDS é moito menor que RD, o tempo de conversión de corte a condución é máis curto que o tempo de conversión de condución a corte.

Dado que a resistencia da fonte de drenaxe rDS do MOSFET cando está acendido é moito maior que a resistencia de saturación rCES do transistor, e a resistencia do drenaxe externa RD tamén é maior que a resistencia do colector RC do transistor, o tempo de carga e descarga do MOSFET é máis longo, facendo que o MOSFET A velocidade de conmutación é menor que a dun transistor. Non obstante, nos circuítos CMOS, xa que o circuíto de carga e o circuíto de descarga son ambos circuítos de baixa resistencia, os procesos de carga e descarga son relativamente rápidos, o que resulta nunha alta velocidade de conmutación para o circuíto CMOS.