MOSFET originele basiskennis en toepassing

Wat betreft de reden waarom de uitputtingsmodusMOSFET'sniet worden gebruikt, wordt het niet aanbevolen om dit tot op de bodem uit te zoeken.

Voor deze twee MOSFET's met verbeterde modus wordt NMOS vaker gebruikt. De reden is dat de aan-weerstand klein is en gemakkelijk te vervaardigen. Daarom wordt NMOS over het algemeen gebruikt in toepassingen voor schakelende voeding en motoraandrijving. In de volgende inleiding wordt meestal NMOS gebruikt.

Er is een parasitaire capaciteit tussen de drie pinnen van de MOSFET. Dit is niet wat we nodig hebben, maar wordt veroorzaakt door beperkingen in het productieproces. Het bestaan van parasitaire capaciteit maakt het lastiger bij het ontwerpen of selecteren van een aandrijfcircuit, maar er is geen manier om dit te vermijden. We zullen het later in detail introduceren.

Er bevindt zich een parasitaire diode tussen de drain en de source. Dit wordt de lichaamsdiode genoemd. Deze diode is erg belangrijk bij het aansturen van inductieve belastingen (zoals motoren). Overigens bestaat de lichaamsdiode alleen in een enkele MOSFET en wordt deze meestal niet aangetroffen in een chip met geïntegreerde schakelingen.

2. MOSFET-geleidingskarakteristieken

Geleidend betekent dat het fungeert als een schakelaar, wat overeenkomt met het sluiten van de schakelaar.

Het kenmerk van NMOS is dat het wordt ingeschakeld als Vgs groter is dan een bepaalde waarde. Het is geschikt voor gebruik wanneer de bron geaard is (low-end drive), zolang de gate-spanning 4V of 10V bereikt.

De kenmerken van PMOS zijn dat deze wordt ingeschakeld wanneer Vgs kleiner is dan een bepaalde waarde, wat geschikt is voor situaties waarin de bron is aangesloten op VCC (high-end drive). Echter, hoewelPMOSkan gemakkelijk worden gebruikt als een high-end driver, NMOS wordt meestal gebruikt in high-end drivers vanwege de grote aan-weerstand, de hoge prijs en de weinige vervangingstypes.

3. Verlies van MOS-schakelaarbuis

Of het nu NMOS of PMOS is, er is een aan-weerstand nadat deze is ingeschakeld, dus de stroom zal energie op deze weerstand verbruiken. Dit deel van de verbruikte energie wordt geleidingsverlies genoemd. Het kiezen van een MOSFET met een kleine aan-weerstand zal de geleidingsverliezen verminderen. De huidige MOSFET-aan-weerstand met laag vermogen ligt over het algemeen rond de tientallen milli-ohm, en er zijn ook enkele milli-ohm.

Wanneer de MOSFET wordt in- en uitgeschakeld, mag deze niet onmiddellijk worden voltooid. De spanning over de MOS heeft een afnemend proces en de vloeiende stroom heeft een toenemend proces. Gedurende deze periode heeft deMOSFET'sverlies is het product van spanning en stroom, dit wordt schakelverlies genoemd. Meestal zijn schakelverliezen veel groter dan geleidingsverliezen, en hoe sneller de schakelfrequentie, hoe groter de verliezen.

Het product van spanning en stroom op het moment van geleiding is erg groot en veroorzaakt grote verliezen. Het verkorten van de schakeltijd kan het verlies tijdens elke geleiding verminderen; het verminderen van de schakelfrequentie kan het aantal schakelaars per tijdseenheid verminderen. Beide methoden kunnen schakelverliezen verminderen.

De golfvorm wanneer de MOSFET is ingeschakeld. Het is duidelijk dat het product van spanning en stroom op het moment van geleiding erg groot is, en dat het veroorzaakte verlies ook erg groot is. Het verkorten van de schakeltijd kan het verlies tijdens elke geleiding verminderen; het verminderen van de schakelfrequentie kan het aantal schakelaars per tijdseenheid verminderen. Beide methoden kunnen schakelverliezen verminderen.

4. MOSFET-stuurprogramma

Vergeleken met bipolaire transistors wordt algemeen aangenomen dat er geen stroom nodig is om een MOSFET in te schakelen, zolang de GS-spanning hoger is dan een bepaalde waarde. Dit is gemakkelijk te doen, maar we hebben ook snelheid nodig.

Aan de structuur van de MOSFET is te zien dat er een parasitaire capaciteit bestaat tussen GS en GD, en dat de aansturing van de MOSFET feitelijk het laden en ontladen van de condensator is. Voor het opladen van de condensator is stroom nodig, omdat de condensator op het moment van opladen als kortsluiting kan worden beschouwd en de momentane stroom relatief groot zal zijn. Het eerste waar u op moet letten bij het selecteren/ontwerpen van een MOSFET-driver is de hoeveelheid onmiddellijke kortsluitstroom die deze kan leveren.

Het tweede ding om op te merken is dat NMOS, dat vaak wordt gebruikt voor high-end aansturing, nodig heeft dat de poortspanning groter is dan de bronspanning wanneer deze is ingeschakeld. Wanneer de high-side aangedreven MOSFET wordt ingeschakeld, is de source-spanning hetzelfde als de drain-spanning (VCC), dus de gate-spanning is op dit moment 4V of 10V groter dan VCC. Als je in hetzelfde systeem een spanning groter dan VCC wilt krijgen, heb je een speciaal boostcircuit nodig. Veel motorrijders hebben geïntegreerde laadpompen. Opgemerkt moet worden dat een geschikte externe condensator moet worden geselecteerd om voldoende kortsluitstroom te verkrijgen om de MOSFET aan te sturen.

De hierboven genoemde 4V of 10V is de inschakelspanning van veelgebruikte MOSFET's, en uiteraard moet er tijdens het ontwerp een bepaalde marge worden toegestaan. En hoe hoger de spanning, hoe sneller de geleidingssnelheid en hoe kleiner de geleidingsweerstand. Nu zijn er MOSFET's met kleinere geleidingsspanningen die op verschillende gebieden worden gebruikt, maar in elektronische systemen van 12 V in de automobielsector is 4 V-geleiding over het algemeen voldoende.

Voor het MOSFET-stuurcircuit en de verliezen ervan verwijzen wij u naar Microchip's AN799 Matching MOSFET Drivers to MOSFETs. Het is zeer gedetailleerd, dus ik zal niet meer schrijven.

MOSFET is een type FET (de andere is JFET). Het kan worden gemaakt in de verbeteringsmodus of uitputtingsmodus, P-kanaal of N-kanaal, in totaal 4 typen. Er wordt echter feitelijk alleen gebruik gemaakt van een N-kanaal MOSFET met een verbeterde modus. en P-kanaal MOSFET van het versterkingstype, dus NMOS of PMOS verwijzen meestal naar deze twee typen.

5. MOSFET-toepassingscircuit?

Het belangrijkste kenmerk van MOSFET zijn de goede schakeleigenschappen. Daarom wordt het veel gebruikt in circuits die elektronische schakelaars vereisen, zoals schakelende voedingen en motoraandrijvingen, maar ook voor het dimmen van verlichting.

De huidige MOSFET-drivers hebben verschillende speciale vereisten:

1. Laagspanningstoepassing

Bij gebruik van een 5V-voeding en als op dit moment een traditionele totempaalstructuur wordt gebruikt, is de werkelijke eindspanning die op de poort wordt toegepast slechts 4,3 V, aangezien de transistor een spanningsval heeft van ongeveer 0,7 V. Op dit moment kiezen we het nominale poortvermogen

Er bestaat een zeker risico bij het gebruik van een 4,5V MOSFET. Hetzelfde probleem doet zich ook voor bij gebruik van 3V- of andere laagspanningsvoedingen.

2. Toepassing op brede spanning

De ingangsspanning is geen vaste waarde; deze zal in de loop van de tijd of door andere factoren veranderen. Deze verandering zorgt ervoor dat de stuurspanning die door het PWM-circuit aan de MOSFET wordt geleverd, onstabiel is.

Om MOSFET's veilig te maken onder hoge poortspanningen, hebben veel MOSFET's ingebouwde spanningsregelaars om de amplitude van de poortspanning krachtig te beperken. In dit geval, wanneer de geleverde stuurspanning de spanning van de spanningsregelaarbuis overschrijdt, zal dit een groot statisch energieverbruik veroorzaken.

Tegelijkertijd, als je eenvoudigweg het principe van weerstandsspanningsverdeling gebruikt om de poortspanning te verlagen, zal de MOSFET goed werken als de ingangsspanning relatief hoog is, maar als de ingangsspanning wordt verlaagd, zal de poortspanning onvoldoende zijn, waardoor onvolledige geleiding, waardoor het stroomverbruik toeneemt.

3. Toepassing met dubbele spanning

In sommige stuurcircuits gebruikt het logische gedeelte een typische digitale spanning van 5V of 3,3V, terwijl het vermogensgedeelte een spanning van 12V of zelfs hoger gebruikt. De twee spanningen zijn verbonden met een gemeenschappelijke aarde.

Dit brengt de eis met zich mee om een circuit te gebruiken zodat de laagspanningszijde de MOSFET aan de hoogspanningszijde effectief kan besturen. Tegelijkertijd zal de MOSFET aan de hoogspanningszijde ook te maken krijgen met de in 1 en 2 genoemde problemen.

In deze drie gevallen kan de totempaalstructuur niet aan de uitgangsvereisten voldoen, en veel kant-en-klare MOSFET-driver-IC's lijken geen poortspanningsbeperkende structuren te bevatten.

Daarom ontwierp ik een relatief algemeen circuit om aan deze drie behoeften te voldoen.

Stuurcircuit voor NMOS

Hier zal ik alleen een eenvoudige analyse van het NMOS-stuurcircuit uitvoeren:

Vl en Vh zijn respectievelijk de low-end en high-end voedingen. De twee spanningen kunnen hetzelfde zijn, maar Vl mag Vh niet overschrijden.

Q1 en Q2 vormen een omgekeerde totempaal om isolatie te bereiken en er tegelijkertijd voor te zorgen dat de twee aandrijfbuizen Q3 en Q4 niet tegelijkertijd worden ingeschakeld.

R2 en R3 leveren de PWM-spanningsreferentie. Door deze referentie te wijzigen, kan het circuit worden gebruikt in een positie waarin de PWM-signaalgolfvorm relatief steil is.

Q3 en Q4 worden gebruikt om aandrijfstroom te leveren. Wanneer ze zijn ingeschakeld, hebben Q3 en Q4 slechts een minimale spanningsval van Vce ten opzichte van Vh en GND. Deze spanningsval bedraagt doorgaans slechts ongeveer 0,3 V, wat veel lager is dan de Vce van 0,7 V.

R5 en R6 zijn feedbackweerstanden, die worden gebruikt om de poortspanning te meten. De bemonsterde spanning genereert een sterke negatieve feedback naar de bases van Q1 en Q2 tot en met Q5, waardoor de poortspanning tot een beperkte waarde wordt beperkt. Deze waarde kan worden aangepast via R5 en R6.

Ten slotte levert R1 de basisstroomlimiet voor Q3 en Q4, en R4 levert de poortstroomlimiet voor de MOSFET, wat de limiet is van het ijs van Q3 en Q4. Indien nodig kan parallel aan R4 een versnellingscondensator worden aangesloten.

Dit circuit biedt de volgende functies:

1. Gebruik lage spanning en PWM om de hoge MOSFET aan te sturen.

2. Gebruik een PWM-signaal met kleine amplitude om een MOSFET aan te sturen met hoge poortspanningsvereisten.

3. Pieklimiet van poortspanning

4. Ingangs- en uitgangsstroomlimieten

5. Door geschikte weerstanden te gebruiken, kan een zeer laag stroomverbruik worden bereikt.

6. Het PWM-signaal is omgekeerd. NMOS heeft deze functie niet nodig en kan worden opgelost door een omvormer ervoor te plaatsen.

Bij het ontwerpen van draagbare apparaten en draadloze producten zijn het verbeteren van de productprestaties en het verlengen van de levensduur van de batterij twee problemen waarmee ontwerpers rekening moeten houden. DC-DC-converters hebben de voordelen van een hoog rendement, een grote uitgangsstroom en een lage ruststroom, waardoor ze zeer geschikt zijn voor het voeden van draagbare apparaten. Momenteel zijn de belangrijkste trends in de ontwikkeling van de ontwerptechnologie van DC-DC-omzetters: (1) Hoogfrequente technologie: naarmate de schakelfrequentie toeneemt, wordt ook de omvang van de schakelomzetter kleiner en wordt de vermogensdichtheid ook aanzienlijk vergroot; en de dynamische respons is verbeterd. . De schakelfrequentie van DC-DC-converters met laag vermogen zal stijgen tot het megahertz-niveau. (2) Technologie met lage uitgangsspanning: Met de voortdurende ontwikkeling van de productietechnologie voor halfgeleiders wordt de bedrijfsspanning van microprocessors en draagbare elektronische apparaten steeds lager, waardoor toekomstige DC-DC-converters een lage uitgangsspanning moeten leveren om zich aan te passen aan microprocessors. vereisten voor processors en draagbare elektronische apparaten.

De ontwikkeling van deze technologieën heeft hogere eisen gesteld aan het ontwerp van stroomchipcircuits. Ten eerste worden er, naarmate de schakelfrequentie steeds hoger wordt, hoge eisen gesteld aan de prestaties van schakelelementen. Tegelijkertijd moeten overeenkomstige stuurcircuits voor schakelelementen worden aangebracht om ervoor te zorgen dat de schakelelementen normaal werken bij schakelfrequenties tot MHz. Ten tweede is voor draagbare elektronische apparaten die op batterijen werken de werkspanning van het circuit laag (als we bijvoorbeeld lithiumbatterijen nemen, is de werkspanning 2,5 ~ 3,6 V), daarom is de werkspanning van de powerchip laag.

MOSFET heeft een zeer lage aan-weerstand en verbruikt weinig energie. MOSFET wordt vaak gebruikt als stroomschakelaar in momenteel populaire DC-DC-chips met hoog rendement. Vanwege de grote parasitaire capaciteit van MOSFET is de poortcapaciteit van NMOS-schakelbuizen echter over het algemeen zo hoog als tientallen picofarads. Dit stelt hogere eisen aan het ontwerp van een DC-DC-omzetter met hoge bedrijfsfrequentie en schakelende buisaandrijfcircuits.

In laagspannings-ULSI-ontwerpen is er een verscheidenheid aan logische CMOS- en BiCMOS-circuits die gebruik maken van bootstrap-booststructuren en aandrijfcircuits als grote capacitieve belastingen. Deze circuits kunnen normaal werken met een voedingsspanning lager dan 1V, en kunnen werken op een frequentie van tientallen megahertz of zelfs honderden megahertz met een belastingscapaciteit van 1 tot 2pF. Dit artikel maakt gebruik van een bootstrap-boostcircuit om een aandrijfcircuit te ontwerpen met een grote belastingscapaciteit, dat geschikt is voor DC-DC-omzetters met lage spanning en hoge schakelfrequentie. Het circuit is ontworpen op basis van het Samsung AHP615 BiCMOS-proces en geverifieerd door Hspice-simulatie. Wanneer de voedingsspanning 1,5 V is en de belastingscapaciteit 60 pF, kan de werkfrequentie meer dan 5 MHz bereiken.

MOSFET-schakelkarakteristieken

1. Statische kenmerken

Als schakelelement werkt MOSFET bovendien in twee toestanden: uit of aan. Omdat MOSFET een spanningsgestuurde component is, wordt de werkstatus ervan voornamelijk bepaald door de poortbronspanning uGS.

De werkkenmerken zijn als volgt:

※ uGS＜inschakelspanning UT: MOSFET werkt in het afsnijgebied, de drain-source-stroom iDS is in principe 0, de uitgangsspanning uDS≈UDD, en de MOSFET bevindt zich in de "uit"-status.

※ uGS>Inschakelspanning UT: MOSFET werkt in het geleidingsgebied, drain-source-stroom iDS=UDD/(RD+rDS). Onder hen is rDS de drain-source-weerstand wanneer de MOSFET is ingeschakeld. De uitgangsspanning UDS=UDD?rDS/(RD+rDS), als rDS=＜＜RD, uDS≈0V, bevindt de MOSFET zich in de "aan"-status.

2. Dynamische kenmerken

MOSFET heeft ook een overgangsproces bij het schakelen tussen aan- en uit-toestanden, maar de dynamische kenmerken ervan hangen voornamelijk af van de tijd die nodig is om de strooicapaciteit die verband houdt met het circuit op te laden en te ontladen, en de ladingsaccumulatie en ontlading wanneer de buis zelf aan en uit is. De dissipatietijd is zeer klein.

Wanneer de ingangsspanning ui van hoog naar laag verandert en de MOSFET van de aan- naar de uit-status verandert, laadt de voeding UDD de parasitaire capaciteit CL tot en met RD op, en de laadtijdconstante τ1=RDCL. Daarom moet de uitgangsspanning uo een bepaalde vertraging doorlopen voordat deze van een laag niveau naar een hoog niveau verandert; wanneer de ingangsspanning ui verandert van laag naar hoog en de MOSFET verandert van de uit-toestand naar de aan-toestand, gaat de lading op de parasitaire capaciteit CL door rDS. Ontlading vindt plaats met een ontladingstijdconstante τ2≈rDSCL. Te zien is dat de uitgangsspanning Uo ook een bepaalde vertraging nodig heeft voordat deze naar een laag niveau kan overgaan. Maar omdat rDS veel kleiner is dan RD, is de conversietijd van cut-off naar geleiding korter dan de conversietijd van geleiding naar cut-off.

Omdat de drain-source-weerstand rDS van de MOSFET, wanneer deze is ingeschakeld, veel groter is dan de verzadigingsweerstand rCES van de transistor, en de externe drain-weerstand RD ook groter is dan de collectorweerstand RC van de transistor, is de laad- en ontlaadtijd van de MOSFET is langer, waardoor de MOSFET een lagere schakelsnelheid heeft dan die van een transistor. Omdat bij CMOS-circuits het laadcircuit en het ontlaadcircuit beide circuits met lage weerstand zijn, zijn de laad- en ontlaadprocessen echter relatief snel, wat resulteert in een hoge schakelsnelheid voor het CMOS-circuit.