Għarfien bażiku oriġinali MOSFET u applikazzjoni

Fir-rigward għaliex il-mod ta 'tnaqqisMOSFETsmhumiex użati, mhux rakkomandat li tasal fil-qiegħ tagħha.

Għal dawn iż-żewġ MOSFETs tal-modalità ta 'titjib, NMOS jintuża aktar komunement. Ir-raġuni hija li l-on-reżistenza hija żgħira u faċli biex timmanifattura. Għalhekk, NMOS ġeneralment jintuża fl-iswiċċjar tal-provvista tal-enerġija u l-applikazzjonijiet tas-sewqan tal-mutur. Fl-introduzzjoni li ġejja, NMOS jintuża l-aktar.

Hemm kapaċità parassitika bejn it-tliet pins tal-MOSFET. Dan mhuwiex dak li għandna bżonn, iżda huwa kkawżat minn limitazzjonijiet tal-proċess tal-manifattura. L-eżistenza ta 'capacitance parassitika tagħmilha aktar idejqek meta tiddisinja jew tagħżel ċirkwit tas-sewqan, iżda m'hemm l-ebda mod kif tevitaha. Se nintroduċuha fid-dettall aktar tard.

Hemm dajowd parassitiku bejn il-fossa u s-sors. Dan jissejjaħ id-dijodu tal-ġisem. Dan id-dijodu huwa importanti ħafna meta ssuq tagħbijiet induttivi (bħal muturi). Mill-mod, id-dijodu tal-ġisem jeżisti biss f'MOSFET wieħed u ġeneralment ma jinstabx ġewwa ċippa ta 'ċirkwit integrat.

 

2. Karatteristiċi tal-konduzzjoni MOSFET

Li tmexxi tfisser li taġixxi bħala swiċċ, li huwa ekwivalenti għall-iswiċċ li jkun magħluq.

Il-karatteristika ta 'NMOS hija li se jinxtegħel meta Vgs ikun akbar minn ċertu valur. Huwa adattat għall-użu meta s-sors ikun ertjat (drive low-end), sakemm il-vultaġġ tal-bieb jilħaq 4V jew 10V.

Il-karatteristiċi tal-PMOS huma li se jinxtegħel meta Vgs ikun inqas minn ċertu valur, li huwa adattat għal sitwazzjonijiet fejn is-sors ikun imqabbad ma 'VCC (drive high-end). Madankollu, għalkemmPMOSjista 'jintuża faċilment bħala sewwieq high-end, NMOS normalment jintuża f'sewwieqa high-end minħabba reżistenza kbira fuq, prezz għoli, u ftit tipi ta' sostituzzjoni.

 

3. Telf tat-tubu tal-iswiċċ MOS

Kemm jekk huwiex NMOS jew PMOS, hemm reżistenza fuq wara li tinxtegħel, għalhekk il-kurrent se jikkonsma l-enerġija fuq din ir-reżistenza. Din il-parti tal-enerġija kkunsmata tissejjaħ telf tal-konduzzjoni. L-għażla ta 'MOSFET b'reżistenza żgħira se tnaqqas it-telf tal-konduzzjoni. Ir-reżistenza fuq MOSFET ta 'enerġija baxxa tal-lum hija ġeneralment madwar għexieren ta' milliohms, u hemm ukoll diversi milliohms.

Meta l-MOSFET jinxtegħel u jintefa, m'għandux jitlesta istantanjament. Il-vultaġġ madwar il-MOS għandu proċess li jonqos, u l-kurrent li jiċċirkola għandu proċess li qed jiżdied. Matul dan il-perjodu, il-MOSFET'sit-telf huwa l-prodott tal-vultaġġ u l-kurrent, li jissejjaħ telf ta 'swiċċjar. Normalment it-telf tal-bdil huwa ħafna akbar mit-telf tal-konduzzjoni, u iktar ma tkun mgħaġġla l-frekwenza tal-bidla, akbar ikun it-telf.

Il-prodott tal-vultaġġ u l-kurrent fil-mument tal-konduzzjoni huwa kbir ħafna, u jikkawża telf kbir. It-tqassir tal-ħin tal-bidla jista 'jnaqqas it-telf matul kull konduzzjoni; it-tnaqqis tal-frekwenza tal-iswiċċjar jista 'jnaqqas in-numru ta' swiċċijiet għal kull unità ta 'ħin. Iż-żewġ metodi jistgħu jnaqqsu t-telf tal-bidla.

Il-forma tal-mewġ meta l-MOSFET ikun mixgħul. Jista 'jidher li l-prodott tal-vultaġġ u l-kurrent fil-mument tal-konduzzjoni huwa kbir ħafna, u t-telf ikkawżat huwa wkoll kbir ħafna. It-tnaqqis tal-ħin tal-bidla jista 'jnaqqas it-telf matul kull konduzzjoni; it-tnaqqis tal-frekwenza tal-iswiċċjar jista 'jnaqqas in-numru ta' swiċċijiet għal kull unità ta 'ħin. Iż-żewġ metodi jistgħu jnaqqsu t-telf tal-bidla.

 

4. sewwieq MOSFET

Meta mqabbel ma 'transisters bipolari, huwa ġeneralment maħsub li l-ebda kurrent mhu meħtieġ biex jinxtegħel MOSFET, sakemm il-vultaġġ GS ikun ogħla minn ċertu valur. Dan huwa faċli li tagħmel, iżda għandna bżonn ukoll veloċità.

Jista 'jidher fl-istruttura tal-MOSFET li hemm kapaċità parassitika bejn GS u GD, u s-sewqan tal-MOSFET huwa fil-fatt il-ħlas u l-iskariku tal-kapaċitatur. L-iċċarġjar tal-kapaċitatur jeħtieġ kurrent, minħabba li l-kapaċitatur jista 'jitqies bħala ċirkwit qasir fil-mument tal-iċċarġjar, għalhekk il-kurrent istantanju jkun relattivament kbir. L-ewwel ħaġa li għandek tagħti attenzjoni meta tagħżel/iddisinja sewwieq MOSFET hija l-ammont ta 'kurrent istantanju ta' short-circuit li jista 'jipprovdi. ​

It-tieni ħaġa li wieħed jinnota hija li NMOS, li huwa komunement użat għal sewqan high-end, jeħtieġ li l-vultaġġ tal-bieb ikun akbar mill-vultaġġ tas-sors meta jinxtegħel. Meta l-MOSFET misjuq fuq in-naħa għolja jinxtegħel, il-vultaġġ tas-sors huwa l-istess bħall-vultaġġ tad-drain (VCC), għalhekk il-vultaġġ tal-bieb huwa 4V jew 10V akbar minn VCC f'dan il-ħin. Jekk trid tikseb vultaġġ akbar minn VCC fl-istess sistema, għandek bżonn ta 'ċirkwit ta' spinta speċjali. Ħafna sewwieqa tal-muturi għandhom pompi ta 'ċarġ integrati. Għandu jiġi nnutat li kapaċitur estern xieraq għandu jintgħażel biex jikseb kurrent ta 'short-circuit biżżejjed biex isuq il-MOSFET.

 

Il-4V jew 10V imsemmija hawn fuq hija l-vultaġġ mixgħul ta 'MOSFETs użati komunement, u naturalment ċertu marġini jeħtieġ li jkun permess waqt id-disinn. U iktar ma jkun għoli l-vultaġġ, iktar ikun mgħaġġel il-veloċità tal-konduzzjoni u iżgħar tkun ir-reżistenza tal-konduzzjoni. Issa hemm MOSFETs b'vultaġġi ta 'konduzzjoni iżgħar użati f'oqsma differenti, iżda f'sistemi elettroniċi tal-karozzi 12V, ġeneralment konduzzjoni 4V hija biżżejjed.

 

Għaċ-ċirkwit tas-sewwieq MOSFET u t-telf tiegħu, jekk jogħġbok irreferi għal Sewwieqa MOSFET ta 'Tqabbil AN799 ta' Microchip għal MOSFETs. Huwa dettaljat ħafna, għalhekk mhux se nikteb aktar.

 

Il-prodott tal-vultaġġ u l-kurrent fil-mument tal-konduzzjoni huwa kbir ħafna, u jikkawża telf kbir. It-tnaqqis tal-ħin tal-bidla jista 'jnaqqas it-telf matul kull konduzzjoni; it-tnaqqis tal-frekwenza tal-iswiċċjar jista 'jnaqqas in-numru ta' swiċċijiet għal kull unità ta 'ħin. Iż-żewġ metodi jistgħu jnaqqsu t-telf tal-bidla.

MOSFET huwa tip ta 'FET (l-ieħor huwa JFET). Jista 'jsir f'mod ta' titjib jew mod ta 'tnaqqis, P-channel jew N-channel, total ta' 4 tipi. Madankollu, fil-fatt jintuża biss MOSFET tal-kanal N tal-mod ta 'titjib. u titjib tat-tip P-channel MOSFET, għalhekk NMOS jew PMOS normalment jirreferu għal dawn iż-żewġ tipi.

 

5. Ċirkwit ta 'applikazzjoni MOSFET?

L-aktar karatteristika sinifikanti ta 'MOSFET hija l-karatteristiċi ta' swiċċjar tajba tagħha, għalhekk hija użata ħafna f'ċirkwiti li jeħtieġu swiċċijiet elettroniċi, bħal swiċċijiet ta 'provvisti ta' enerġija u drives tal-muturi, kif ukoll dimming tad-dawl.

 

Is-sewwieqa MOSFET tal-lum għandhom diversi rekwiżiti speċjali:

1. Applikazzjoni ta 'vultaġġ baxx

Meta tuża provvista ta 'enerġija ta' 5V, jekk tintuża struttura tradizzjonali ta 'totem pole f'dan iż-żmien, peress li t-transistor be għandu tnaqqis fil-vultaġġ ta' madwar 0.7V, il-vultaġġ finali attwali applikat għall-bieb huwa biss 4.3V. F'dan iż-żmien, nagħżlu l-qawwa nominali tal-bieb

Hemm ċertu riskju meta tuża MOSFET 4.5V. L-istess problema sseħħ ukoll meta tuża 3V jew provvisti oħra ta 'enerġija ta' vultaġġ baxx.

2. Applikazzjoni ta 'vultaġġ wiesa'

Il-vultaġġ tad-dħul mhuwiex valur fiss, se jinbidel maż-żmien jew fatturi oħra. Din il-bidla tikkawża li l-vultaġġ tas-sewqan ipprovdut miċ-ċirkwit PWM lill-MOSFET ikun instabbli.

Sabiex il-MOSFETs ikunu sikuri taħt vultaġġi għolja tal-bieb, ħafna MOSFETs għandhom regolaturi tal-vultaġġ inkorporati biex jillimitaw bil-qawwa l-amplitudni tal-vultaġġ tal-bieb. F'dan il-każ, meta l-vultaġġ tas-sewqan ipprovdut jaqbeż il-vultaġġ tat-tubu tar-regolatur tal-vultaġġ, jikkawża konsum ta 'enerġija statika kbira.

Fl-istess ħin, jekk sempliċement tuża l-prinċipju tad-diviżjoni tal-vultaġġ tar-reżistenza biex tnaqqas il-vultaġġ tal-bieb, il-MOSFET jaħdem tajjeb meta l-vultaġġ tad-dħul ikun relattivament għoli, iżda meta l-vultaġġ tad-dħul jitnaqqas, il-vultaġġ tal-bieb ikun insuffiċjenti, u jikkawża konduzzjoni mhux kompluta, u b'hekk iżżid il-konsum tal-enerġija.

3. Applikazzjoni ta 'vultaġġ doppju

F'xi ċirkwiti ta 'kontroll, il-parti loġika tuża vultaġġ diġitali tipiku ta' 5V jew 3.3V, filwaqt li l-parti tal-enerġija tuża vultaġġ ta '12V jew saħansitra ogħla. Iż-żewġ vultaġġi huma konnessi ma 'art komuni.

Dan iqajjem rekwiżit li jintuża ċirkwit sabiex in-naħa ta 'vultaġġ baxx tkun tista' tikkontrolla b'mod effettiv il-MOSFET fuq in-naħa ta 'vultaġġ għoli. Fl-istess ħin, il-MOSFET fuq in-naħa ta 'vultaġġ għoli se jiffaċċja wkoll il-problemi msemmija f'1 u 2.

F'dawn it-tliet każijiet, l-istruttura tal-arblu tat-totem ma tistax tissodisfa r-rekwiżiti tal-output, u ħafna ICs tas-sewwieq MOSFET off-the-shelf ma jidhirx li jinkludu strutturi li jillimitaw il-vultaġġ tal-bieb.

 

Għalhekk iddisinjajt ċirkwit relattivament ġenerali biex jissodisfa dawn it-tliet bżonnijiet.

​

Ċirkwit tas-sewwieq għal NMOS

Hawnhekk se nagħmel biss analiżi sempliċi taċ-ċirkwit tas-sewwieq NMOS:

Vl u Vh huma l-provvisti ta 'enerġija low-end u high-end rispettivament. Iż-żewġ vultaġġi jistgħu jkunu l-istess, iżda Vl m'għandux jaqbeż Vh.

Q1 u Q2 jiffurmaw arblu tat-totem maqlub biex jinkiseb iżolament filwaqt li jiġi żgurat li ż-żewġ tubi tas-sewwieq Q3 u Q4 ma jinxtegħlux fl-istess ħin.

R2 u R3 jipprovdu r-referenza tal-vultaġġ PWM. Billi tinbidel din ir-referenza, iċ-ċirkwit jista 'jitħaddem f'pożizzjoni fejn il-forma tal-mewġ tas-sinjal PWM hija relattivament wieqaf.

Q3 u Q4 jintużaw biex jipprovdu kurrent tas-sewqan. Meta mixgħula, Q3 u Q4 għandhom biss tnaqqis fil-vultaġġ minimu ta 'Vce relattiv għal Vh u GND. Din il-waqgħa tal-vultaġġ hija ġeneralment biss madwar 0.3V, li hija ħafna inqas mill-Vce ta '0.7V.

R5 u R6 huma resistors feedback, użati biex kampjun tal-vultaġġ tal-bieb. Il-vultaġġ kampjun jiġġenera feedback negattiv qawwi għall-bażijiet ta 'Q1 u Q2 permezz ta' Q5, u b'hekk jillimita l-vultaġġ tal-bieb għal valur limitat. Dan il-valur jista 'jiġi aġġustat permezz ta' R5 u R6.

Fl-aħħarnett, R1 jipprovdi l-limitu tal-kurrent bażi għal Q3 u Q4, u R4 jipprovdi l-limitu tal-kurrent tal-bieb għall-MOSFET, li huwa l-limitu tas-Silġ ta 'Q3 u Q4. Jekk meħtieġ, kapaċitatur ta 'aċċelerazzjoni jista' jiġi konness b'mod parallel ma 'R4.

Dan iċ-ċirkwit jipprovdi l-karatteristiċi li ġejjin:

1. Uża vultaġġ baxx u PWM biex issuq il-MOSFET high-side.

2. Uża sinjal PWM ta 'amplitudni żgħira biex issuq MOSFET b'rekwiżiti ta' vultaġġ għoli ta 'gate.

3. L-ogħla limitu tal-vultaġġ tal-bieb

4. Limiti tal-kurrent tad-dħul u tal-ħruġ

5. Billi tuża resistors xierqa, jista 'jinkiseb konsum ta' enerġija baxx ħafna.

6. Is-sinjal PWM huwa maqlub. NMOS m'għandux bżonn din il-karatteristika u jista 'jiġi solvut billi jitqiegħed inverter quddiem.

Meta tfassal tagħmir portabbli u prodotti mingħajr fili, it-titjib tal-prestazzjoni tal-prodott u l-estensjoni tal-ħajja tal-batterija huma żewġ kwistjonijiet li d-disinjaturi jridu jiffaċċjaw. Il-konvertituri DC-DC għandhom il-vantaġġi ta 'effiċjenza għolja, kurrent ta' ħruġ kbir, u kurrent ta 'kwiet baxx, li jagħmluhom adattati ħafna biex jitħaddmu apparati portabbli. Fil-preżent, ix-xejriet ewlenin fl-iżvilupp tat-teknoloġija tad-disinn tal-konvertitur DC-DC huma: (1) Teknoloġija ta 'frekwenza għolja: Hekk kif tiżdied il-frekwenza tal-iswiċċjar, id-daqs tal-konvertitur tal-iswiċċjar jitnaqqas ukoll, id-densità tal-qawwa tiżdied ukoll ħafna, u r-rispons dinamiku huwa mtejjeb. . Il-frekwenza tal-iswiċċjar ta 'konvertituri DC-DC b'enerġija baxxa se titla' għal-livell megahertz. (2) Teknoloġija ta 'vultaġġ ta' output baxx: Bl-iżvilupp kontinwu tat-teknoloġija tal-manifattura tas-semikondutturi, il-vultaġġ operattiv ta 'mikroproċessuri u apparat elettroniku portabbli qed isir aktar baxx u aktar baxx, li jeħtieġ li konvertituri DC-DC futuri jipprovdu vultaġġ ta' produzzjoni baxx biex jadattaw għal mikroproċessuri. rekwiżiti għall-proċessuri u tagħmir elettroniku portabbli.

L-iżvilupp ta 'dawn it-teknoloġiji ressaq rekwiżiti ogħla għad-disinn ta' ċirkwiti taċ-ċippa tal-enerġija. L-ewwelnett, hekk kif il-frekwenza tal-iswiċċjar tkompli tiżdied, jitqiegħdu rekwiżiti għoljin fuq il-prestazzjoni tal-elementi tal-iswiċċjar. Fl-istess ħin, iridu jiġu pprovduti ċirkwiti korrispondenti tas-sewqan ta 'l-element ta' swiċċjar biex jiġi żgurat li l-elementi ta 'swiċċjar jaħdmu b'mod normali fi frekwenzi ta' swiċċjar sa MHz. It-tieni nett, għal apparati elettroniċi portabbli li jaħdmu bil-batterija, il-vultaġġ tax-xogħol taċ-ċirkwit huwa baxx (tieħu batteriji tal-litju bħala eżempju, il-vultaġġ tax-xogħol huwa 2.5 ~ 3.6V), għalhekk, il-vultaġġ tax-xogħol taċ-ċippa tal-enerġija huwa baxx.

 

MOSFET għandu reżistenza baxxa ħafna u jikkonsma enerġija baxxa. MOSFET ħafna drabi jintuża bħala swiċċ tal-enerġija f'ċipep DC-DC ta 'effiċjenza għolja bħalissa popolari. Madankollu, minħabba l-kapaċità parassitika kbira tal-MOSFET, il-kapaċità tal-bieb ta 'tubi tal-iswiċċjar NMOS hija ġeneralment għolja daqs għexieren ta' picofarads. Dan iressaq rekwiżiti ogħla għad-disinn ta 'ċirkwit tas-sewqan tat-tubu tal-konvertitur DC-DC ta' frekwenza għolja operattiva.

F'disinji ULSI ta 'vultaġġ baxx, hemm varjetà ta' ċirkwiti loġiċi CMOS u BiCMOS li jużaw strutturi ta 'boost bootstrap u ċirkwiti tas-sewqan bħala tagħbijiet abilità kbar. Dawn iċ-ċirkwiti jistgħu joperaw b'mod normali b'vultaġġ ta 'provvista ta' enerġija inqas minn 1V, u jistgħu joperaw bi frekwenza ta 'għexieren ta' megahertz jew saħansitra mijiet ta 'megahertz b'kapaċità ta' tagħbija ta '1 sa 2pF. Dan l-artikolu juża ċirkwit ta 'boost bootstrap biex jiddisinja ċirkwit ta' drajv b'kapaċità ta 'sewqan ta' kapaċità ta 'tagħbija kbira li hija adattata għal konvertituri DC-DC ta' spinta ta 'frekwenza għolja ta' vultaġġ baxx u swiċċjar. Iċ-ċirkwit huwa ddisinjat ibbażat fuq il-proċess Samsung AHP615 BiCMOS u vverifikat minn simulazzjoni Hspice. Meta l-vultaġġ tal-provvista huwa 1.5V u l-kapaċità tat-tagħbija hija 60pF, il-frekwenza operattiva tista 'tilħaq aktar minn 5MHz.

​

Karatteristiċi tal-iswiċċjar MOSFET

​

1. Karatteristiċi statiċi

Bħala element ta 'swiċċjar, MOSFET jaħdem ukoll f'żewġ stati: mitfi jew mixgħul. Peress li l-MOSFET huwa komponent ikkontrollat ​​bil-vultaġġ, l-istat tax-xogħol tiegħu huwa ddeterminat prinċipalment mill-vultaġġ tas-sors tal-bieb uGS.

 

Il-karatteristiċi tax-xogħol huma kif ġej:

※ uGS＜vultaġġ mixgħul UT: MOSFET jaħdem fiż-żona ta 'qtugħ, l-iDS kurrenti tad-drenaġġ tas-sors huwa bażikament 0, il-vultaġġ tal-ħruġ uDS≈UDD, u l-MOSFET jinsab fl-istat "mitfi".

※ uGS>Turn-on vultaġġ UT: MOSFET jaħdem fir-reġjun tal-konduzzjoni, drain-source kurrenti iDS=UDD/(RD+rDS). Fosthom, rDS hija r-reżistenza tas-sors tad-drain meta l-MOSFET jinxtegħel. Il-vultaġġ tal-ħruġ UDS=UDD?rDS/(RD+rDS), jekk rDS＜＜RD, uDS≈0V, il-MOSFET ikun fl-istat "on".

2. Karatteristiċi dinamiċi

MOSFET għandu wkoll proċess ta 'tranżizzjoni meta taqleb bejn stati mixgħul u mitfi, iżda l-karatteristiċi dinamiċi tiegħu jiddependu prinċipalment fuq il-ħin meħtieġ biex iċċarġja u skarika l-kapaċità mitlufa relatata maċ-ċirkwit, u l-akkumulazzjoni u l-iskariku ta' ċarġ meta t-tubu innifsu jkun mixgħul u mitfi Il-ħin tad-dissipazzjoni huwa żgħir ħafna.

Meta l-vultaġġ tad-dħul ui jinbidel minn għoli għal baxx u l-MOSFET jinbidel mill-istat mixgħul għall-istat mitfi, il-provvista tal-enerġija UDD tiċċarġja l-kapaċità mitlufa CL permezz RD, u l-kostanti tal-ħin tal-iċċarġjar τ1 = RDCL. Għalhekk, il-vultaġġ tal-ħruġ uo jeħtieġ li jgħaddi minn ċertu dewmien qabel ma jinbidel minn livell baxx għal livell għoli; meta l-vultaġġ tad-dħul ui jinbidel minn baxx għal għoli u l-MOSFET jinbidel mill-istat mitfi għall-istat mixgħul, iċ-ċarġ fuq il-kapaċità mitlufa CL tgħaddi minn rDS Discharge iseħħ b'kostanti tal-ħin ta 'discharge τ2≈rDSCL. Jista 'jidher li l-vultaġġ tal-ħruġ Uo jeħtieġ ukoll ċertu dewmien qabel ma jkun jista' jgħaddi għal livell baxx. Iżda minħabba li rDS huwa ħafna iżgħar minn RD, il-ħin tal-konverżjoni minn qtugħ għal konduzzjoni huwa iqsar mill-ħin ta 'konverżjoni minn konduzzjoni għal qtugħ.

Peress li r-reżistenza tad-drain-source rDS tal-MOSFET meta tkun mixgħula hija ħafna akbar mir-reżistenza tas-saturazzjoni rCES tat-transistor, u r-reżistenza tad-drain esterna RD hija wkoll akbar mir-reżistenza tal-kollettur RC tat-transistor, il-ħin tal-iċċarġjar u l-ħatt tal-MOSFET huwa itwal, li jagħmel il-MOSFET Il-veloċità tal-iswiċċjar hija aktar baxxa minn dik ta 'transistor. Madankollu, fiċ-ċirkwiti CMOS, peress li ċ-ċirkwit tal-iċċarġjar u ċ-ċirkwit tal-ħatt huma t-tnejn ċirkwiti ta 'reżistenza baxxa, il-proċessi tal-iċċarġjar u l-ħatt huma relattivament veloċi, li jirriżultaw f'veloċità għolja ta' swiċċjar għaċ-ċirkwit CMOS.