MOSFET բնօրինակ հիմնական գիտելիքներ և կիրառություն

Ինչ վերաբերում է նրան, թե ինչու է սպառման ռեժիմըMOSFET-ներչեն օգտագործվում, խորհուրդ չի տրվում հասնել դրա հատակին:

Այս երկու բարելավման ռեժիմի MOSFET-ների համար NMOS-ն ավելի հաճախ օգտագործվում է: Պատճառն այն է, որ վրա դիմադրությունը փոքր է և հեշտ է արտադրվել: Հետևաբար, NMOS-ը սովորաբար օգտագործվում է էլեկտրամատակարարման և շարժիչի շարժիչի միացման ծրագրերում: Հետևյալ ներածությունում NMOS-ը հիմնականում օգտագործվում է:

MOSFET-ի երեք պինդների միջև կա մակաբուծական հզորություն: Սա այն չէ, ինչ մեզ պետք է, այլ պայմանավորված է արտադրական գործընթացի սահմանափակումներով: Մակաբուծական հզորության առկայությունը ավելի անհանգիստ է դարձնում շարժիչի սխեման նախագծելիս կամ ընտրելիս, բայց դրանից խուսափելու միջոց չկա: Այն մանրամասն կներկայացնենք ավելի ուշ։

Դրենաժի և աղբյուրի միջև կա մակաբույծ դիոդ: Սա կոչվում է մարմնի դիոդ: Այս դիոդը շատ կարևոր է ինդուկտիվ բեռներ վարելիս (օրինակ՝ շարժիչներ): Ի դեպ, մարմնի դիոդը գոյություն ունի միայն մեկ MOSFET-ում և սովորաբար չի հայտնաբերվում ինտեգրալ շղթայի չիպի ներսում:

 

2. MOSFET անցկացման բնութագրերը

Անցկացնել նշանակում է հանդես գալ որպես անջատիչ, որը համարժեք է անջատիչի փակմանը:

NMOS-ի առանձնահատկությունն այն է, որ այն կմիանա, երբ Vgs-ը մեծ լինի որոշակի արժեքից: Այն հարմար է օգտագործման համար, երբ աղբյուրը հիմնավորված է (ցածր շարժիչ), քանի դեռ դարպասի լարումը հասնում է 4 Վ-ի կամ 10 Վ-ի:

PMOS-ի առանձնահատկություններն այն են, որ այն կմիանա, երբ Vgs-ը որոշակի արժեքից փոքր է, ինչը հարմար է այն իրավիճակների համար, երբ աղբյուրը միացված է VCC-ին (բարձրակարգ սկավառակ): Այնուամենայնիվ, չնայածPMOSկարող է հեշտությամբ օգտագործվել որպես բարձրակարգ դրայվեր, NMOS-ը սովորաբար օգտագործվում է բարձրակարգ վարորդների մեջ՝ շնորհիվ մեծ դիմադրության, բարձր գնի և փոխարինման քիչ տեսակների:

 

3. MOS անջատիչ խողովակի կորուստ

Անկախ նրանից, թե դա NMOS է, թե PMOS, այն միացնելուց հետո կա միացված դիմադրություն, ուստի հոսանքը էներգիա կսպառի այս դիմադրության վրա: Սպառված էներգիայի այս մասը կոչվում է հաղորդունակության կորուստ: Ընտրելով MOSFET-ը փոքր միացման դիմադրությամբ կնվազեցնի հաղորդունակության կորուստները: Այսօրվա ցածր էներգիայի MOSFET-ի միացման դիմադրությունը սովորաբար կազմում է շուրջ տասնյակ միլիօմ, և կան նաև մի քանի միլիօմ:

Երբ MOSFET-ը միացված և անջատված է, այն չպետք է անմիջապես ավարտվի: MOS-ի վրայով լարումն ունի նվազման գործընթաց, իսկ հոսող հոսանքը՝ աճող գործընթաց: Այս ժամանակահատվածում, որMOSFET-իկորուստը լարման և հոսանքի արտադրյալն է, որը կոչվում է անջատման կորուստ: Սովորաբար միացման կորուստները շատ ավելի մեծ են, քան հաղորդման կորուստները, և որքան արագ է փոխարկման հաճախականությունը, այնքան մեծ են կորուստները:

Հաղորդման պահին լարման և հոսանքի արտադրյալը շատ մեծ է՝ պատճառելով մեծ կորուստներ։ Միացման ժամանակի կրճատումը կարող է նվազեցնել կորուստը յուրաքանչյուր անցկացման ժամանակ. Միացման հաճախականության կրճատումը կարող է նվազեցնել մեկ միավոր ժամանակի անջատիչների քանակը: Երկու մեթոդներն էլ կարող են նվազեցնել անջատման կորուստները:

Ալիքի ձևը, երբ MOSFET-ը միացված է: Երևում է, որ հաղորդման պահին լարման և հոսանքի արտադրյալը շատ մեծ է, և առաջացած կորուստը նույնպես շատ մեծ է։ Միացման ժամանակի կրճատումը կարող է նվազեցնել կորուստը յուրաքանչյուր անցկացման ժամանակ. Միացման հաճախականության կրճատումը կարող է նվազեցնել մեկ միավոր ժամանակի անջատիչների քանակը: Երկու մեթոդներն էլ կարող են նվազեցնել անջատման կորուստները:

 

4. MOSFET վարորդ

Համեմատած երկբևեռ տրանզիստորների հետ, ընդհանուր առմամբ ենթադրվում է, որ MOSFET-ը միացնելու համար հոսանք չի պահանջվում, քանի դեռ GS լարումը որոշակի արժեքից բարձր է: Սա հեշտ է անել, բայց մեզ նաև արագություն է պետք:

MOSFET-ի կառուցվածքում երևում է, որ GS-ի և GD-ի միջև կա մակաբուծական հզորություն, և MOSFET-ի շարժիչը իրականում կոնդենսատորի լիցքն ու լիցքաթափումն է: Կոնդենսատորը լիցքավորելու համար անհրաժեշտ է հոսանք, քանի որ լիցքավորման պահին կոնդենսատորը կարող է դիտվել որպես կարճ միացում, ուստի ակնթարթային հոսանքը համեմատաբար մեծ կլինի: Առաջին բանը, որին պետք է ուշադրություն դարձնել MOSFET-ի դրայվեր ընտրելիս/նախագծելիս, ակնթարթային կարճ միացման հոսանքի քանակն է, որը այն կարող է ապահովել: |

Երկրորդ բանը, որ պետք է նշել, այն է, որ NMOS-ը, որը սովորաբար օգտագործվում է բարձրակարգ վարման համար, պետք է, որ դարպասի լարումը միացված ժամանակ ավելի մեծ լինի աղբյուրի լարումից: Երբ բարձր կողմով շարժվող MOSFET-ը միացված է, աղբյուրի լարումը նույնն է, ինչ արտահոսքի լարումը (VCC), ուստի դարպասի լարումն այս պահին VCC-ից 4 Վ կամ 10 Վ-ով ավելի է: Եթե ​​ցանկանում եք նույն համակարգում VCC-ից ավելի մեծ լարում ստանալ, ապա ձեզ հարկավոր է հատուկ խթանման միացում: Շարժիչի շատ վարորդներ ունեն ինտեգրված լիցքավորման պոմպեր: Պետք է նշել, որ MOSFET-ը վարելու համար կարճ միացման բավարար հոսանք ստանալու համար պետք է ընտրել համապատասխան արտաքին կոնդենսատոր:

 

Վերը նշված 4 Վ-ը կամ 10 Վ-ը սովորաբար օգտագործվող MOSFET-ների միացման լարումն է, և, իհարկե, նախագծման ժամանակ անհրաժեշտ է թույլատրել որոշակի մարժա: Եվ որքան բարձր է լարումը, այնքան ավելի արագ է հաղորդման արագությունը և այնքան փոքր է հաղորդման դիմադրությունը: Այժմ կան MOSFET-ներ ավելի փոքր հաղորդման լարումներով, որոնք օգտագործվում են տարբեր ոլորտներում, բայց 12 Վ ավտոմոբիլային էլեկտրոնային համակարգերում, ընդհանուր առմամբ, 4 Վ հաղորդունակությունը բավարար է:

 

MOSFET-ի վարորդների սխեմայի և դրա կորուստների համար խնդրում ենք ծանոթանալ Microchip-ի AN799-ի համապատասխանող MOSFET-ի վարորդներին MOSFET-ներին: Շատ մանրամասն է, ուստի ավելին չեմ գրի։

 

Հաղորդման պահին լարման և հոսանքի արտադրյալը շատ մեծ է՝ պատճառելով մեծ կորուստներ։ Միացման ժամանակի կրճատումը կարող է նվազեցնել կորուստը յուրաքանչյուր անցկացման ժամանակ. Միացման հաճախականության կրճատումը կարող է նվազեցնել մեկ միավոր ժամանակի անջատիչների քանակը: Երկու մեթոդներն էլ կարող են նվազեցնել անջատման կորուստները:

MOSFET-ը FET-ի տեսակ է (մյուսը՝ JFET): Այն կարող է վերածվել բարելավման ռեժիմի կամ սպառման ռեժիմի, P-ալիք կամ N-ալիք, ընդհանուր առմամբ 4 տեսակի: Այնուամենայնիվ, իրականում օգտագործվում է միայն բարելավման ռեժիմի N-ալիքի MOSFET-ը: և կատարելագործման տիպի P-ալիքի MOSFET-ը, ուստի NMOS-ը կամ PMOS-ը սովորաբար վերաբերում են այս երկու տեսակներին:

 

5. MOSFET կիրառման շղթա?

MOSFET-ի ամենակարևոր հատկանիշը նրա լավ անջատիչ բնութագրերն են, ուստի այն լայնորեն օգտագործվում է էլեկտրոնային անջատիչներ պահանջող սխեմաներում, ինչպիսիք են էլեկտրական սնուցման աղբյուրները և շարժիչի շարժիչները միացնելը, ինչպես նաև լուսավորության մթնեցումը:

 

Այսօրվա MOSFET-ի վարորդներն ունեն մի քանի հատուկ պահանջներ.

1. Ցածր լարման կիրառում

5 Վ սնուցման աղբյուր օգտագործելիս, եթե այս պահին օգտագործվում է ավանդական տոտեմային բևեռային կառուցվածք, քանի որ տրանզիստորը ունի մոտ 0,7 Վ լարման անկում, դարպասի վրա կիրառվող իրական վերջնական լարումը կազմում է ընդամենը 4,3 Վ: Այս պահին մենք ընտրում ենք դարպասի անվանական հզորությունը

4,5 Վ լարման MOSFET-ի օգտագործման ժամանակ որոշակի ռիսկ կա: Նույն խնդիրը առաջանում է նաև 3V կամ ցածր լարման այլ սնուցման աղբյուրներ օգտագործելիս:

2. Լայն լարման կիրառում

Մուտքային լարումը ֆիքսված արժեք չէ, այն կփոխվի ժամանակի կամ այլ գործոնների հետ: Այս փոփոխությունը հանգեցնում է նրան, որ PWM սխեմայի կողմից MOSFET-ին տրամադրվող շարժիչ լարումը անկայուն է:

Որպեսզի MOSFET-ները ապահով լինեն դարպասի բարձր լարման պայմաններում, շատ MOSFET-ներ ունեն ներկառուցված լարման կարգավորիչներ՝ դարպասի լարման ամպլիտուդան ուժով սահմանափակելու համար: Այս դեպքում, երբ տրամադրված շարժիչ լարումը գերազանցում է լարման կարգավորիչի խողովակի լարումը, դա կառաջացնի ստատիկ էներգիայի մեծ սպառում:

Միևնույն ժամանակ, եթե դուք պարզապես օգտագործում եք ռեզիստորի լարման բաժանման սկզբունքը դարպասի լարումը նվազեցնելու համար, MOSFET-ը լավ կաշխատի, երբ մուտքային լարումը համեմատաբար բարձր է, բայց երբ մուտքային լարումը նվազում է, դարպասի լարումը անբավարար կլինի, ինչը կհանգեցնի. թերի անցկացումը, դրանով իսկ մեծացնելով էներգիայի սպառումը:

3. Երկակի լարման կիրառում

Որոշ կառավարման սխեմաներում տրամաբանական մասը օգտագործում է տիպիկ 5V կամ 3.3V թվային լարում, մինչդեռ ուժային մասը օգտագործում է 12 Վ կամ նույնիսկ ավելի բարձր լարում: Երկու լարումները միացված են ընդհանուր հողին:

Սա բարձրացնում է միացում օգտագործելու պահանջը, որպեսզի ցածր լարման կողմը կարողանա արդյունավետորեն կառավարել MOSFET-ը բարձր լարման կողմում: Միևնույն ժամանակ, 1-ին և 2-ում նշված խնդիրներին կբախվեն նաև բարձրավոլտ կողմի MOSFET-ը։

Այս երեք դեպքերում, տոտեմային բևեռի կառուցվածքը չի կարող բավարարել ելքային պահանջները, և շատ վաճառվող MOSFET վարորդական IC-ներ, կարծես, չեն ներառում դարպասի լարման սահմանափակող կառույցներ:

 

Այսպիսով, ես նախագծեցի համեմատաբար ընդհանուր միացում այս երեք կարիքները բավարարելու համար:

|

Վարորդի միացում NMOS-ի համար

Այստեղ ես միայն կկատարեմ NMOS վարորդի սխեմայի պարզ վերլուծություն.

Vl-ը և Vh-ը համապատասխանաբար ցածր և բարձրակարգ սնուցման աղբյուրներն են: Երկու լարումները կարող են լինել նույնը, բայց Vl-ը չպետք է գերազանցի Vh-ը:

Q1-ը և Q2-ը կազմում են շրջված տոտեմային բևեռ՝ մեկուսացման հասնելու համար՝ միաժամանակ ապահովելով, որ Q3 և Q4 երկու շարժիչ խողովակները միաժամանակ չեն միանում:

R2-ը և R3-ը ապահովում են PWM լարման հղումը: Այս հղումը փոխելով, միացումը կարող է աշխատել այնպիսի դիրքում, որտեղ PWM ազդանշանի ալիքի ձևը համեմատաբար կտրուկ է:

Q3 և Q4 օգտագործվում են շարժիչի հոսանք ապահովելու համար: Երբ միացված է, Q3-ը և Q4-ն ունեն միայն Vce-ի նվազագույն լարման անկում՝ Vh-ի և GND-ի նկատմամբ: Լարման այս անկումը սովորաբար կազմում է մոտ 0,3 Վ, ինչը շատ ավելի ցածր է, քան 0,7 Վ Vce-ը:

R5-ը և R6-ը հետադարձ ռեզիստորներ են, որոնք օգտագործվում են դարպասի լարման նմուշառման համար: Նմուշառված լարումը առաջացնում է ուժեղ բացասական արձագանք Q1 և Q2-ից մինչև Q5-ի հիմքերին, այդպիսով սահմանափակելով դարպասի լարումը սահմանափակ արժեքով: Այս արժեքը կարող է ճշգրտվել R5-ի և R6-ի միջոցով:

Վերջապես, R1-ը ապահովում է բազային հոսանքի սահմանը Q3-ի և Q4-ի համար, իսկ R4-ը ապահովում է դարպասի հոսանքի սահմանաչափը MOSFET-ի համար, որը Q3-ի և Q4-ի սառույցի սահմանն է: Անհրաժեշտության դեպքում արագացման կոնդենսատորը կարող է միացվել R4-ին զուգահեռ:

Այս միացումն ապահովում է հետևյալ հատկանիշները.

1. Օգտագործեք ցածր կողմի լարում և PWM՝ բարձր կողմի MOSFET-ը վարելու համար:

2. Օգտագործեք փոքր ամպլիտուդի PWM ազդանշան՝ բարձր դարպասի լարման պահանջներով MOSFET-ը վարելու համար:

3. Դարպասի լարման առավելագույն սահմանը

4. Մուտքային և ելքային հոսանքի սահմանները

5. Օգտագործելով համապատասխան ռեզիստորներ, կարելի է հասնել շատ ցածր էներգիայի սպառման:

6. PWM ազդանշանը շրջված է: NMOS-ն այս հատկության կարիքը չունի և այն կարող է լուծվել՝ առջևում ինվերտեր տեղադրելով:

Դյուրակիր սարքերի և անլար արտադրանքների նախագծման ժամանակ արտադրանքի կատարողականի բարելավումը և մարտկոցի ժամկետի երկարացումը երկու խնդիր են, որոնք պետք է բախվեն դիզայներներին: DC-DC փոխարկիչներն ունեն բարձր արդյունավետության, մեծ ելքային հոսանքի և ցածր հանգստացող հոսանքի առավելությունները, ինչը նրանց շատ հարմար է շարժական սարքերի սնուցման համար: Ներկայումս DC-DC փոխարկիչների նախագծման տեխնոլոգիայի զարգացման հիմնական միտումներն են. (1) Բարձր հաճախականության տեխնոլոգիա. Միացման հաճախականության աճի հետ փոխարկիչի չափը նույնպես նվազում է, էներգիայի խտությունը նույնպես մեծապես մեծանում է, և դինամիկ արձագանքը բարելավվում է: . Ցածր էներգիայի DC-DC փոխարկիչների միացման հաճախականությունը կբարձրանա մինչև մեգահերց մակարդակ: (2) Ցածր ելքային լարման տեխնոլոգիա. Կիսահաղորդիչների արտադրության տեխնոլոգիայի շարունակական զարգացմամբ միկրոպրոցեսորների և շարժական էլեկտրոնային սարքերի գործառնական լարումը գնալով նվազում է, ինչը պահանջում է ապագա DC-DC փոխարկիչներից ցածր ելքային լարում ապահովել միկրոպրոցեսորներին հարմարվելու համար: պրոցեսորների և շարժական էլեկտրոնային սարքերի պահանջները:

Այս տեխնոլոգիաների զարգացումը առաջ է քաշել ավելի բարձր պահանջներ էլեկտրամատակարարման չիպերի սխեմաների նախագծման համար: Առաջին հերթին, քանի որ միացման հաճախականությունը շարունակում է աճել, բարձր պահանջներ են դրվում անջատիչ տարրերի աշխատանքի վրա: Միևնույն ժամանակ, պետք է տրամադրվեն համապատասխան անջատիչ տարրերի շարժիչ սխեմաներ՝ ապահովելու համար, որ անջատիչ տարրերը նորմալ աշխատեն մինչև ՄՀց միացման հաճախականություններում: Երկրորդ, մարտկոցով աշխատող շարժական էլեկտրոնային սարքերի համար շղթայի աշխատանքային լարումը ցածր է (օրինակ՝ լիթիումի մարտկոցները վերցնելով, աշխատանքային լարումը 2,5~3,6 Վ է), հետևաբար, հոսանքի չիպի աշխատանքային լարումը ցածր է։

 

MOSFET-ը շատ ցածր դիմադրողականություն ունի և քիչ էներգիա է ծախսում: MOSFET-ը հաճախ օգտագործվում է որպես հոսանքի անջատիչ ներկայումս հայտնի բարձր արդյունավետությամբ DC-DC չիպերում: Այնուամենայնիվ, MOSFET-ի մեծ մակաբույծ հզորության շնորհիվ, NMOS անջատիչ խողովակների դարպասի հզորությունը ընդհանուր առմամբ հասնում է տասնյակ պիկոֆարադների: Սա ավելի բարձր պահանջներ է առաջադրում բարձր գործառնական հաճախականությամբ DC-DC փոխարկիչի անջատիչ խողովակի շարժիչ միացման նախագծման համար:

Ցածր լարման ULSI նախագծերում կան մի շարք CMOS և BiCMOS տրամաբանական սխեմաներ, որոնք օգտագործում են bootstrap boost կառուցվածքները և շարժիչ սխեմաները որպես մեծ կոնդենսիվ բեռներ: Այս սխեմաները կարող են նորմալ աշխատել 1 Վ-ից ցածր սնուցման լարման դեպքում և կարող են աշխատել տասնյակ մեգահերց կամ նույնիսկ հարյուրավոր մեգահերց հաճախականությամբ՝ 1-ից 2 pF բեռնվածքի հզորությամբ: Այս հոդվածը օգտագործում է bootstrap-ի ուժեղացման սխեման՝ նախագծելու մեծ բեռնվածքի հզորությամբ շարժիչի միացում, որը հարմար է ցածր լարման, բարձր անջատման հաճախականության խթանման DC-DC փոխարկիչների համար: Շղթան նախագծված է Samsung AHP615 BiCMOS գործընթացի հիման վրա և ստուգված է Hspice սիմուլյացիայի միջոցով: Երբ մատակարարման լարումը 1,5 Վ է, իսկ բեռնվածքի հզորությունը՝ 60 pF, գործառնական հաճախականությունը կարող է հասնել ավելի քան 5 ՄՀց:

|

MOSFET անջատման բնութագրերը

|

1. Ստատիկ բնութագրեր

Որպես անջատիչ տարր, MOSFET-ը նույնպես աշխատում է երկու վիճակում՝ անջատված կամ միացված: Քանի որ MOSFET-ը լարման կառավարվող բաղադրիչ է, դրա աշխատանքային վիճակը հիմնականում որոշվում է gate-source լարման uGS-ով:

 

Աշխատանքային բնութագրերը հետևյալն են.

※ uGS＜միացման լարման UT. MOSFET-ը աշխատում է անջատման հատվածում, արտահոսքի աղբյուրի հոսանքի iDS-ը հիմնականում 0 է, ելքային լարումը uDS≈UDD, և MOSFET-ը գտնվում է «անջատված» վիճակում:

※ uGS>Միացման լարման UT. MOSFET-ը աշխատում է հաղորդման շրջանում, արտահոսքի աղբյուրի հոսանք iDS=UDD/(RD+rDS): Դրանցից rDS-ը արտահոսքի աղբյուրի դիմադրությունն է, երբ MOSFET-ը միացված է: Ելքային լարումը UDS=UDD?rDS/(RD+rDS), եթե rDS＜＜RD, uDS≈0V, MOSFET-ը գտնվում է «միացված» վիճակում:

2. Դինամիկ բնութագրեր

MOSFET-ն ունի նաև անցումային գործընթաց միացման և անջատման վիճակների միջև, սակայն դրա դինամիկ բնութագրերը հիմնականում կախված են շղթայի հետ կապված մոլորված հզորությունը լիցքավորելու և լիցքաթափելու ժամանակից, և լիցքի կուտակումից և լիցքաթափումից, երբ խողովակն ինքնին միացված է և անջատված: Ցրման ժամանակը շատ փոքր է:

Երբ մուտքային լարման միջերեսը փոխվում է բարձրից ցածր, և MOSFET-ը միացված վիճակից փոխվում է անջատված վիճակի, սնուցման UDD-ը լիցքավորում է մոլորված հզորությունը CL-ի միջոցով RD, և լիցքավորման ժամանակի հաստատուն τ1=RDCL: Հետևաբար, ելքային լարումը uo-ն պետք է անցնի որոշակի ուշացում՝ ցածր մակարդակից բարձր մակարդակի անցնելուց առաջ; երբ մուտքային լարման UI-ն փոխվում է ցածրից բարձր, և MOSFET-ը անջատված վիճակից փոխվում է միացված վիճակի, CL մոլորված հզորության լիցքը անցնում է rDS-ի միջով Լիցքաթափումը տեղի է ունենում լիցքաթափման ժամանակի հաստատուն τ2≈rDSCL: Կարելի է տեսնել, որ Uo-ի ելքային լարումը նույնպես որոշակի ուշացման կարիք ունի, մինչև այն կարողանա անցնել ցածր մակարդակի: Բայց քանի որ rDS-ը շատ ավելի փոքր է, քան RD-ն, փոխակերպման ժամանակն անջատումից մինչև հաղորդունակություն ավելի կարճ է, քան հաղորդումից մինչև անջատում:

Քանի որ MOSFET-ի արտահոսքի աղբյուրի դիմադրությունը, երբ այն միացված է, շատ ավելի մեծ է, քան տրանզիստորի հագեցվածության դիմադրությունը rCES, իսկ արտահոսքի արտաքին դիմադրությունը RD նույնպես ավելի մեծ է, քան տրանզիստորի կոլեկտորի դիմադրությունը, լիցքավորման և լիցքավորման ժամանակը: MOSFET-ն ավելի երկար է, ինչը դարձնում է MOSFET-ը: Անցման արագությունն ավելի ցածր է, քան տրանզիստորինը: Այնուամենայնիվ, CMOS սխեմաներում, քանի որ լիցքավորման սխեման և լիցքաթափման սխեման երկուսն էլ ցածր դիմադրության սխեմաներ են, լիցքավորման և լիցքաթափման գործընթացները համեմատաբար արագ են, ինչը հանգեցնում է CMOS սխեմայի միացման բարձր արագության: