MOSFET orihinal na pangunahing kaalaman at aplikasyon

Kung bakit depletion modeMga MOSFETay hindi ginagamit, hindi inirerekomenda na makarating sa ilalim nito.

Para sa dalawang enhancement-mode na MOSFET na ito, mas karaniwang ginagamit ang NMOS. Ang dahilan ay ang on-resistance ay maliit at madaling gawin. Samakatuwid, ang NMOS ay karaniwang ginagamit sa pagpapalit ng power supply at mga application ng motor drive. Sa sumusunod na pagpapakilala, ang NMOS ay kadalasang ginagamit.

Mayroong isang parasitic capacitance sa pagitan ng tatlong pin ng MOSFET. Hindi ito ang kailangan natin, ngunit sanhi ng mga limitasyon sa proseso ng pagmamanupaktura. Ang pagkakaroon ng parasitic capacitance ay ginagawang mas mahirap kapag nagdidisenyo o pumipili ng isang drive circuit, ngunit walang paraan upang maiwasan ito. Ipapakilala namin ito nang detalyado sa ibang pagkakataon.

Mayroong parasitic diode sa pagitan ng drain at source. Ito ay tinatawag na body diode. Napakahalaga ng diode na ito kapag nagmamaneho ng mga inductive load (tulad ng mga motor). Sa pamamagitan ng paraan, ang body diode ay umiiral lamang sa isang MOSFET at karaniwang hindi matatagpuan sa loob ng isang integrated circuit chip.

 

2. Mga katangian ng pagpapadaloy ng MOSFET

Ang pagsasagawa ay nangangahulugan ng pagkilos bilang isang switch, na katumbas ng switch na sarado.

Ang katangian ng NMOS ay mag-o-on ito kapag ang Vgs ay mas malaki kaysa sa isang tiyak na halaga. Ito ay angkop para sa paggamit kapag ang pinagmulan ay pinagbabatayan (low-end drive), hangga't ang boltahe ng gate ay umabot sa 4V o 10V.

Ang mga katangian ng PMOS ay na ito ay mag-o-on kapag ang Vgs ay mas mababa sa isang tiyak na halaga, na angkop para sa mga sitwasyon kung saan ang pinagmulan ay konektado sa VCC (high-end drive). Gayunpaman, bagamanPMOSay madaling gamitin bilang isang high-end na driver, ang NMOS ay kadalasang ginagamit sa mga high-end na driver dahil sa malaking on-resistance, mataas na presyo, at kakaunting uri ng kapalit.

 

3. MOS switch tube pagkawala

Kung ito ay NMOS o PMOS, mayroong isang on-resistance pagkatapos itong i-on, kaya ang kasalukuyang ay kumonsumo ng enerhiya sa resistensyang ito. Ang bahaging ito ng enerhiyang natupok ay tinatawag na conduction loss. Ang pagpili ng MOSFET na may maliit na on-resistance ay magbabawas sa mga pagkalugi sa pagpapadaloy. Ang low-power na MOSFET on-resistance ngayon ay karaniwang nasa sampu-sampung milliohms, at mayroon ding ilang milliohms.

Kapag ang MOSFET ay naka-on at naka-off, hindi ito dapat makumpleto kaagad. Ang boltahe sa buong MOS ay may bumababa na proseso, at ang dumadaloy na kasalukuyang ay may tumataas na proseso. Sa panahong ito, angng MOSFETAng pagkawala ay ang produkto ng boltahe at kasalukuyang, na tinatawag na pagkawala ng paglipat. Karaniwan ang mga pagkalugi sa paglipat ay mas malaki kaysa sa mga pagkalugi sa pagpapadaloy, at kung mas mabilis ang dalas ng paglipat, mas malaki ang mga pagkalugi.

Ang produkto ng boltahe at kasalukuyang sa sandali ng pagpapadaloy ay napakalaki, na nagiging sanhi ng malaking pagkalugi. Ang pag-ikli sa oras ng paglipat ay maaaring mabawasan ang pagkawala sa bawat pagpapadaloy; ang pagbabawas ng dalas ng paglipat ay maaaring mabawasan ang bilang ng mga switch sa bawat yunit ng oras. Ang parehong mga pamamaraan ay maaaring mabawasan ang mga pagkalugi sa paglipat.

Ang waveform kapag naka-on ang MOSFET. Ito ay makikita na ang produkto ng boltahe at kasalukuyang sa sandali ng pagpapadaloy ay napakalaki, at ang pagkawala na dulot ay napakalaki din. Ang pagbabawas ng oras ng paglipat ay maaaring mabawasan ang pagkawala sa bawat pagpapadaloy; ang pagbabawas ng dalas ng paglipat ay maaaring mabawasan ang bilang ng mga switch sa bawat yunit ng oras. Ang parehong mga pamamaraan ay maaaring mabawasan ang mga pagkalugi sa paglipat.

 

4. MOSFET driver

Kung ikukumpara sa mga bipolar transistors, karaniwang pinaniniwalaan na walang kasalukuyang kinakailangan upang i-on ang isang MOSFET, hangga't ang boltahe ng GS ay mas mataas kaysa sa isang tiyak na halaga. Madali itong gawin, ngunit kailangan din natin ng bilis.

Makikita sa istraktura ng MOSFET na mayroong isang parasitic capacitance sa pagitan ng GS at GD, at ang pagmamaneho ng MOSFET ay talagang ang singil at paglabas ng kapasitor. Ang pag-charge sa kapasitor ay nangangailangan ng isang kasalukuyang, dahil ang kapasitor ay maaaring ituring bilang isang maikling circuit sa sandali ng pagsingil, kaya ang madalian na kasalukuyang ay magiging medyo malaki. Ang unang bagay na dapat bigyang-pansin kapag pumipili/nagdidisenyo ng MOSFET driver ay ang dami ng instant na short-circuit current na maibibigay nito. ang

Ang pangalawang bagay na dapat tandaan ay ang NMOS, na karaniwang ginagamit para sa high-end na pagmamaneho, ay nangangailangan ng boltahe ng gate na mas malaki kaysa sa source boltahe kapag naka-on. Kapag ang high-side driven na MOSFET ay naka-on, ang source voltage ay kapareho ng drain voltage (VCC), kaya ang boltahe ng gate ay 4V o 10V na mas malaki kaysa sa VCC sa ngayon. Kung gusto mong makakuha ng boltahe na mas malaki kaysa sa VCC sa parehong sistema, kailangan mo ng espesyal na boost circuit. Maraming mga driver ng motor ang may pinagsamang charge pump. Dapat pansinin na ang isang naaangkop na panlabas na kapasitor ay dapat mapili upang makakuha ng sapat na short-circuit kasalukuyang upang himukin ang MOSFET.

 

Ang 4V o 10V na nabanggit sa itaas ay ang turn-on na boltahe ng mga karaniwang ginagamit na MOSFET, at siyempre ang isang tiyak na margin ay kailangang pahintulutan sa panahon ng disenyo. At kung mas mataas ang boltahe, mas mabilis ang bilis ng pagpapadaloy at mas maliit ang paglaban sa pagpapadaloy. Ngayon ay may mga MOSFET na may mas maliliit na conduction voltage na ginagamit sa iba't ibang larangan, ngunit sa 12V automotive electronic system, sa pangkalahatan ay sapat na ang 4V conduction.

 

Para sa MOSFET driver circuit at sa mga pagkalugi nito, mangyaring sumangguni sa Microchip's AN799 Matching MOSFET Drivers to MOSFETs. Napaka-detalyado nito, kaya hindi na ako magsusulat pa.

 

Ang produkto ng boltahe at kasalukuyang sa sandali ng pagpapadaloy ay napakalaki, na nagiging sanhi ng malaking pagkalugi. Ang pagbabawas ng oras ng paglipat ay maaaring mabawasan ang pagkawala sa bawat pagpapadaloy; ang pagbabawas ng dalas ng paglipat ay maaaring mabawasan ang bilang ng mga switch sa bawat yunit ng oras. Ang parehong mga pamamaraan ay maaaring mabawasan ang mga pagkalugi sa paglipat.

Ang MOSFET ay isang uri ng FET (ang isa ay JFET). Maaari itong gawing enhancement mode o depletion mode, P-channel o N-channel, na may kabuuang 4 na uri. Gayunpaman, ang enhancement-mode na N-channel MOSFET lang ang aktwal na ginagamit. at enhancement-type P-channel MOSFET, kaya ang NMOS o PMOS ay karaniwang tumutukoy sa dalawang uri na ito.

 

5. MOSFET application circuit?

Ang pinakamahalagang katangian ng MOSFET ay ang magagandang katangian nito sa paglipat, kaya malawak itong ginagamit sa mga circuit na nangangailangan ng mga electronic switch, tulad ng pagpapalit ng mga power supply at motor drive, pati na rin ang pagdidilim ng ilaw.

 

Ang mga driver ng MOSFET ngayon ay may ilang mga espesyal na kinakailangan:

1. Mababang boltahe na aplikasyon

Kapag gumagamit ng 5V power supply, kung ang tradisyonal na totem pole structure ay ginagamit sa oras na ito, dahil ang transistor ay may boltahe na drop na humigit-kumulang 0.7V, ang aktwal na huling boltahe na inilapat sa gate ay 4.3V lamang. Sa oras na ito, pipiliin namin ang nominal na kapangyarihan ng gate

Mayroong tiyak na panganib kapag gumagamit ng 4.5V MOSFET. Ang parehong problema ay nangyayari din kapag gumagamit ng 3V o iba pang mga low-voltage power supply.

2. Malawak na aplikasyon ng boltahe

Ang input boltahe ay hindi isang nakapirming halaga, ito ay magbabago sa oras o iba pang mga kadahilanan. Ang pagbabagong ito ay nagiging sanhi ng boltahe sa pagmamaneho na ibinigay ng PWM circuit sa MOSFET upang maging hindi matatag.

Upang gawing ligtas ang mga MOSFET sa ilalim ng matataas na boltahe ng gate, maraming MOSFET ang may built-in na regulator ng boltahe upang piliting limitahan ang amplitude ng boltahe ng gate. Sa kasong ito, kapag ang ibinigay na boltahe sa pagmamaneho ay lumampas sa boltahe ng boltahe regulator tube, ito ay magdudulot ng malaking static na pagkonsumo ng kuryente.

Kasabay nito, kung gagamitin mo lang ang prinsipyo ng paghahati ng boltahe ng risistor upang bawasan ang boltahe ng gate, gagana nang maayos ang MOSFET kapag medyo mataas ang boltahe ng input, ngunit kapag nabawasan ang boltahe ng input, hindi sapat ang boltahe ng gate, na nagiging sanhi ng hindi kumpletong pagpapadaloy, sa gayon ay tumataas ang pagkonsumo ng kuryente.

3. Dual boltahe na aplikasyon

Sa ilang control circuit, ang logic na bahagi ay gumagamit ng tipikal na 5V o 3.3V digital na boltahe, habang ang power part ay gumagamit ng boltahe na 12V o mas mataas pa. Ang dalawang boltahe ay konektado sa isang karaniwang lupa.

Nagtataas ito ng pangangailangan na gumamit ng circuit upang ang mababang boltahe na bahagi ay epektibong makontrol ang MOSFET sa mataas na boltahe na bahagi. Kasabay nito, haharapin din ng MOSFET sa high-voltage side ang mga problemang binanggit sa 1 at 2.

Sa tatlong mga kaso na ito, hindi matutugunan ng istraktura ng totem pole ang mga kinakailangan sa output, at maraming mga off-the-shelf na MOSFET driver IC ang mukhang hindi kasama ang mga istrukturang naglilimita sa boltahe ng gate.

 

Kaya nagdisenyo ako ng medyo pangkalahatang circuit upang matugunan ang tatlong pangangailangang ito.

ang

Driver circuit para sa NMOS

Dito gagawa lamang ako ng isang simpleng pagsusuri ng circuit ng driver ng NMOS:

Ang Vl at Vh ay ang low-end at high-end na power supply ayon sa pagkakabanggit. Ang dalawang boltahe ay maaaring magkapareho, ngunit ang Vl ay hindi dapat lumampas sa Vh.

Ang Q1 at Q2 ay bumubuo ng isang baligtad na poste ng totem upang makamit ang paghihiwalay habang tinitiyak na ang dalawang tubo ng driver na Q3 at Q4 ay hindi bumukas nang sabay.

Ang R2 at R3 ay nagbibigay ng sanggunian ng boltahe ng PWM. Sa pamamagitan ng pagbabago ng reference na ito, ang circuit ay maaaring patakbuhin sa isang posisyon kung saan ang PWM signal waveform ay medyo matarik.

Q3 at Q4 ay ginagamit upang magbigay ng kasalukuyang drive. Kapag naka-on, ang Q3 at Q4 ay mayroon lamang isang minimum na pagbaba ng boltahe ng Vce na may kaugnayan sa Vh at GND. Ang pagbaba ng boltahe na ito ay karaniwang halos 0.3V lamang, na mas mababa kaysa sa Vce na 0.7V.

Ang R5 at R6 ay mga resistor ng feedback, na ginagamit upang i-sample ang boltahe ng gate. Ang naka-sample na boltahe ay bumubuo ng isang malakas na negatibong feedback sa mga base ng Q1 at Q2 hanggang Q5, kaya nililimitahan ang boltahe ng gate sa isang limitadong halaga. Maaaring iakma ang halagang ito sa pamamagitan ng R5 at R6.

Sa wakas, ang R1 ay nagbibigay ng batayang kasalukuyang limitasyon para sa Q3 at Q4, at ang R4 ay nagbibigay ng kasalukuyang limitasyon ng gate para sa MOSFET, na siyang limitasyon ng Yelo ng Q3 at Q4. Kung kinakailangan, ang isang acceleration capacitor ay maaaring konektado sa parallel sa R4.

Ang circuit na ito ay nagbibigay ng mga sumusunod na tampok:

1. Gumamit ng low-side voltage at PWM para himukin ang high-side MOSFET.

2. Gumamit ng maliit na amplitude na PWM signal para magmaneho ng MOSFET na may mataas na mga kinakailangan sa boltahe ng gate.

3. Peak na limitasyon ng boltahe ng gate

4. Input at output kasalukuyang mga limitasyon

5. Sa pamamagitan ng paggamit ng naaangkop na mga resistors, napakababang paggamit ng kuryente ay maaaring makamit.

6. Ang PWM signal ay baligtad. Hindi kailangan ng NMOS ang feature na ito at maaaring malutas sa pamamagitan ng paglalagay ng inverter sa harap.

Kapag nagdidisenyo ng mga portable na device at wireless na produkto, ang pagpapahusay sa performance ng produkto at pagpapahaba ng buhay ng baterya ay dalawang isyung kailangang harapin ng mga designer. Ang mga DC-DC converter ay may mga bentahe ng mataas na kahusayan, malaking output current, at mababang quiescent current, na ginagawang napaka-angkop para sa pagpapagana ng mga portable na device. Sa kasalukuyan, ang mga pangunahing uso sa pagbuo ng teknolohiya ng disenyo ng DC-DC converter ay: (1) High-frequency na teknolohiya: Habang tumataas ang dalas ng paglipat, ang laki ng switching converter ay nababawasan din, ang density ng kapangyarihan ay tumataas din nang malaki, at ang dynamic na tugon ay pinabuting. . Ang dalas ng paglipat ng mga low-power na DC-DC converter ay tataas sa antas ng megahertz. (2) Low output voltage technology: Sa patuloy na pag-unlad ng semiconductor manufacturing technology, ang operating voltage ng microprocessors at portable electronic device ay bumababa, na nangangailangan ng hinaharap na DC-DC converter na magbigay ng mababang output voltage para umangkop sa mga microprocessor. mga kinakailangan para sa mga processor at portable na electronic device.

Ang pag-unlad ng mga teknolohiyang ito ay naglagay ng mas mataas na mga kinakailangan para sa disenyo ng mga power chip circuit. Una sa lahat, habang patuloy na tumataas ang dalas ng paglipat, mataas na mga kinakailangan ang inilalagay sa pagganap ng mga elemento ng paglipat. Kasabay nito, dapat magbigay ng kaukulang switching element drive circuit upang matiyak na gumagana nang normal ang switching elements sa mga switching frequency hanggang MHz. Pangalawa, para sa mga portable na electronic device na pinapagana ng baterya, mababa ang gumaganang boltahe ng circuit (kumukuha ng mga lithium batteries bilang isang halimbawa, ang gumaganang boltahe ay 2.5~3.6V), samakatuwid, mababa ang gumaganang boltahe ng power chip.

 

Ang MOSFET ay may napakababang on-resistance at kumokonsumo ng mababang enerhiya. Ang MOSFET ay kadalasang ginagamit bilang power switch sa kasalukuyang sikat na high-efficiency DC-DC chips. Gayunpaman, dahil sa malaking parasitic capacitance ng MOSFET, ang gate capacitance ng NMOS switching tubes ay karaniwang kasing taas ng sampu-sampung picofarads. Ito ay naglalagay ng mas mataas na mga kinakailangan para sa disenyo ng mataas na operating frequency DC-DC converter switching tube drive circuit.

Sa mababang boltahe na mga disenyo ng ULSI, mayroong iba't ibang CMOS at BiCMOS logic circuit na gumagamit ng mga bootstrap boost structure at drive circuit bilang malalaking capacitive load. Ang mga circuit na ito ay maaaring gumana nang normal na may boltahe ng power supply na mas mababa sa 1V, at maaaring gumana sa dalas ng sampu-sampung megahertz o kahit na daan-daang megahertz na may kapasidad ng pagkarga na 1 hanggang 2pF. Gumagamit ang artikulong ito ng bootstrap boost circuit para magdisenyo ng drive circuit na may malaking load capacitance drive capability na angkop para sa mababang boltahe, mataas na switching frequency boost DC-DC converter. Idinisenyo ang circuit batay sa proseso ng Samsung AHP615 BiCMOS at na-verify ng Hspice simulation. Kapag ang supply boltahe ay 1.5V at ang load capacitance ay 60pF, ang operating frequency ay maaaring umabot ng higit sa 5MHz.

ang

Mga katangian ng paglipat ng MOSFET

ang

1. Mga static na katangian

Bilang isang switching element, gumagana din ang MOSFET sa dalawang estado: naka-off o naka-on. Dahil ang MOSFET ay isang component na kinokontrol ng boltahe, ang estado ng pagtatrabaho nito ay pangunahing tinutukoy ng gate-source voltage uGS.

 

Ang mga katangian ng pagtatrabaho ay ang mga sumusunod:

※ uGS＜turn-on voltage UT: Gumagana ang MOSFET sa cut-off area, ang drain-source current na iDS ay karaniwang 0, ang output voltage uDS≈UDD, at ang MOSFET ay nasa "off" na estado.

※ uGS>I-on ang boltahe UT: Gumagana ang MOSFET sa rehiyon ng pagpapadaloy, kasalukuyang pinagmumulan ng drain iDS=UDD/(RD+rDS). Kabilang sa mga ito, ang rDS ay ang drain-source resistance kapag naka-on ang MOSFET. Ang output voltage UDS=UDD?rDS/(RD+rDS), kung rDS＜＜RD, uDS≈0V, ang MOSFET ay nasa "on" na estado.

2. Mga dinamikong katangian

Ang MOSFET ay mayroon ding proseso ng paglipat kapag lumilipat sa pagitan ng on at off na mga estado, ngunit ang mga dynamic na katangian nito ay pangunahing nakadepende sa oras na kinakailangan upang singilin at i-discharge ang stray capacitance na nauugnay sa circuit, at ang accumulation at discharge ng charge kapag ang tube mismo ay naka-on at naka-off Ang oras ng pagwawaldas ay napakaliit.

Kapag ang input voltage ui ay nagbago mula sa mataas hanggang sa mababa at ang MOSFET ay nagbabago mula sa on state patungo sa off state, sinisingil ng power supply UDD ang stray capacitance na CL hanggang RD, at ang charging time constant ay τ1=RDCL. Samakatuwid, ang output boltahe uo ay kailangang dumaan sa isang tiyak na pagkaantala bago magbago mula sa mababang antas patungo sa mataas na antas; kapag ang input boltahe ui ay nagbago mula sa mababa hanggang mataas at ang MOSFET ay nagbabago mula sa off state patungo sa on state, ang charge sa stray capacitance na CL ay dumadaan sa rDS Discharge ay nangyayari sa isang discharge time constant na τ2≈rDSCL. Makikita na ang output voltage Uo ay nangangailangan din ng isang tiyak na pagkaantala bago ito maaaring lumipat sa isang mababang antas. Ngunit dahil ang rDS ay mas maliit kaysa sa RD, ang oras ng conversion mula sa cut-off patungo sa conduction ay mas maikli kaysa sa conversion time mula sa conduction hanggang cut-off.

Dahil ang drain-source resistance rDS ng MOSFET kapag ito ay naka-on ay mas malaki kaysa sa saturation resistance rCES ng transistor, at ang panlabas na drain resistance na RD ay mas malaki rin kaysa sa collector resistance RC ng transistor, ang oras ng pag-charge at pagdiskarga. ng MOSFET ay mas mahaba, ginagawa ang MOSFET Ang bilis ng paglipat ay mas mababa kaysa sa transistor. Gayunpaman, sa mga CMOS circuit, dahil ang charging circuit at ang discharging circuit ay parehong low-resistance circuit, medyo mabilis ang charging at discharging process, na nagreresulta sa mataas na switching speed para sa CMOS circuit.