MOSFET frumleg grunnþekking og forrit

Hvað varðar hvers vegna eyðingarhamurMOSFETeru ekki notaðir, ekki er mælt með því að komast til botns í því.

Fyrir þessar tvær aukastillingar MOSFETs er NMOS oftar notað. Ástæðan er sú að viðnámið er lítið og auðvelt að framleiða. Þess vegna er NMOS almennt notað til að skipta um aflgjafa og mótordrif. Í eftirfarandi inngangi er NMOS aðallega notað.

Það er sníkjurýmd á milli þriggja pinna MOSFETsins. Þetta er ekki það sem við þurfum, heldur stafar það af takmörkunum í framleiðsluferli. Tilvist sníkjurýmds gerir það erfiðara við hönnun eða val á drifrás, en það er engin leið að forðast það. Við munum kynna það í smáatriðum síðar.

Það er sníkjudíóða á milli frárennslis og uppsprettu. Þetta er kallað líkamsdíóða. Þessi díóða er mjög mikilvæg þegar ekið er innleiðandi álag (eins og mótorar). Við the vegur, líkama díóða er aðeins til í einum MOSFET og er venjulega ekki að finna inni í samþættri hringrás flís.

2. MOSFET leiðni eiginleikar

Leiðandi þýðir að virka sem rofi, sem jafngildir því að rofanum sé lokað.

Einkenni NMOS er að það kviknar á því þegar Vgs er meira en ákveðið gildi. Það er hentugur til notkunar þegar uppspretta er jarðtengd (lágmarksdrif), svo framarlega sem hliðarspennan nær 4V eða 10V.

Einkenni PMOS eru að það kviknar á því þegar Vgs er minna en ákveðið gildi, sem hentar vel fyrir aðstæður þar sem uppspretta er tengdur við VCC (háþróað drif). Hins vegar, þóPMOSAuðvelt er að nota sem hágæða ökumann, NMOS er venjulega notað í hágæða rekla vegna mikillar viðnáms, hás verðs og fáar skiptitegunda.

3. MOS rofa rör tap

Hvort sem það er NMOS eða PMOS, þá er á-viðnám eftir að það er kveikt á því, þannig að straumurinn mun eyða orku á þessari viðnám. Þessi hluti orkunnar sem neytt er kallast leiðnistap. Ef þú velur MOSFET með lítilli á-viðnám mun draga úr leiðnartapi. Lágafmagns MOSFET-viðnám í dag er yfirleitt um tugir milliohms, og það eru líka nokkrir milliohms.

Þegar kveikt og slökkt er á MOSFET má ekki klára það samstundis. Spennan yfir MOS hefur lækkandi ferli og flæðandi straumurinn hefur vaxandi ferli. Á þessu tímabili hefurMOSFETtap er afrakstur spennu og straums, sem kallast rofatap. Venjulega er skiptatap mun meira en leiðnartap og því hraðar sem skiptatíðnin er, þeim mun meiri eru töpin.

Afleiðing spennu og straums á leiðslustund er mjög stór og veldur miklu tapi. Stytting skiptitímans getur dregið úr tapinu við hverja leiðslu; Með því að draga úr skiptingartíðni er hægt að draga úr fjölda rofa á tímaeiningu. Báðar aðferðirnar geta dregið úr skiptatapi.

Bylgjulögunin þegar kveikt er á MOSFET. Það má sjá að afrakstur spennu og straums á leiðni augnablikinu er mjög stór og tapið sem stafar er líka mjög mikið. Að draga úr skiptitímanum getur dregið úr tapinu við hverja leiðslu; Með því að draga úr skiptingartíðni er hægt að draga úr fjölda rofa á tímaeiningu. Báðar aðferðirnar geta dregið úr skiptatapi.

4. MOSFET bílstjóri

Í samanburði við tvískauta smára er almennt talið að ekki þurfi straum til að kveikja á MOSFET, svo framarlega sem GS spennan er hærri en ákveðið gildi. Þetta er auðvelt að gera, en við þurfum líka hraða.

Það sést á uppbyggingu MOSFET að það er sníkjuþol milli GS og GD og akstur MOSFET er í raun hleðsla og afhleðsla þéttans. Hleðsla þéttans krefst straums, vegna þess að hægt er að líta á þéttann sem skammhlaup á hleðslustundinni, þannig að augnabliksstraumurinn verður tiltölulega mikill. Það fyrsta sem þarf að borga eftirtekt til þegar þú velur/hannar MOSFET rekla er magn tafarlauss skammhlaupsstraums sem það getur veitt. .

Annað sem þarf að hafa í huga er að NMOS, sem er almennt notað fyrir hágæða akstur, þarf að hliðarspennan sé meiri en upprunaspennan þegar kveikt er á henni. Þegar kveikt er á háhliðardrifnum MOSFET er uppsprettaspennan sú sama og frárennslisspennan (VCC), þannig að hliðarspennan er 4V eða 10V meiri en VCC á þessum tíma. Ef þú vilt fá stærri spennu en VCC í sama kerfi þarftu sérstaka boost hringrás. Margir mótorstjórar eru með samþættar hleðsludælur. Það skal tekið fram að velja ætti viðeigandi ytri þétta til að fá nægjanlegan skammhlaupsstraum til að knýja MOSFET.

4V eða 10V sem nefnt er hér að ofan er kveikjuspenna á algengum MOSFET-tækjum og auðvitað þarf að leyfa ákveðna framlegð við hönnun. Og því hærri sem spennan er, því hraðari er leiðnihraðinn og því minni leiðniviðnámið. Nú eru MOSFET-tæki með minni leiðnispennu notuð á mismunandi sviðum, en í 12V rafeindakerfum bíla dugar almennt 4V leiðni.

Fyrir MOSFET drifrásina og tap hennar, vinsamlegast skoðaðu Microchip's AN799 Matching MOSFET Drivers to MOSFETs. Það er mjög ítarlegt, svo ég mun ekki skrifa meira.

Afleiðing spennu og straums á leiðslustund er mjög stór og veldur miklu tapi. Að draga úr skiptitímanum getur dregið úr tapinu við hverja leiðslu; Með því að draga úr skiptingartíðni er hægt að draga úr fjölda rofa á tímaeiningu. Báðar aðferðirnar geta dregið úr skiptatapi.

MOSFET er tegund FET (hinn er JFET). Það er hægt að gera það í aukastillingu eða eyðingarham, P-rás eða N-rás, alls 4 gerðir. Hins vegar er aðeins N-rás MOSFET með aukastillingu notað í raun. og aukagerð P-rás MOSFET, þannig að NMOS eða PMOS vísa venjulega til þessara tveggja tegunda.

5. MOSFET umsókn hringrás?

Mikilvægasti eiginleiki MOSFET eru góðir rofaeiginleikar þess, svo það er mikið notað í rafrásum sem krefjast rafrænna rofa, svo sem að skipta um aflgjafa og mótordrif, auk ljósdeyfingar.

MOSFET ökumenn í dag hafa nokkrar sérstakar kröfur:

1. Lágspennunotkun

Þegar 5V aflgjafi er notaður, ef hefðbundin tótempólabygging er notuð á þessum tíma, þar sem smári er með spennufall upp á um 0,7V, er raunveruleg lokaspenna sem sett er á hliðið aðeins 4,3V. Á þessum tíma veljum við nafnhliðaraflið

Það er ákveðin áhætta þegar 4,5V MOSFET er notað. Sama vandamál kemur einnig upp þegar notuð eru 3V eða önnur lágspennuaflgjafi.

2. Breitt spennunotkun

Inntaksspennan er ekki fast gildi, hún mun breytast með tímanum eða öðrum þáttum. Þessi breyting veldur því að akstursspennan sem PWM hringrásin veitir MOSFET er óstöðug.

Til þess að gera MOSFETs örugga undir háspennu hliðarspennu, hafa margir MOSFETs innbyggða spennustilla til að takmarka amplitude hliðspennunnar kröftuglega. Í þessu tilviki, þegar uppgefið akstursspenna fer yfir spennu spennustillarrörsins, mun það valda mikilli truflanir á orkunotkun.

Á sama tíma, ef þú notar einfaldlega meginregluna um viðnámsspennuskiptingu til að draga úr hliðarspennunni, mun MOSFET virka vel þegar innspennan er tiltölulega há, en þegar innspennan er lækkuð verður hliðarspennan ófullnægjandi, sem veldur ófullkomin leiðni og eykur þar með orkunotkun.

3. Tvöföld spenna umsókn

Í sumum stjórnrásum notar rökfræðihlutinn dæmigerða 5V eða 3,3V stafræna spennu, en aflhlutinn notar spennu sem er 12V eða jafnvel hærri. Spennurnar tvær eru tengdar við sameiginlega jörð.

Þetta vekur kröfu um að nota hringrás þannig að lágspennuhliðin geti í raun stjórnað MOSFET á háspennuhliðinni. Á sama tíma mun MOSFET á háspennuhliðinni einnig standa frammi fyrir vandamálunum sem nefnd eru í 1 og 2.

Í þessum þremur tilfellum getur tótempólabyggingin ekki uppfyllt framleiðslukröfurnar og margir MOSFET-drifnar ICs sem eru utan hillunnar virðast ekki innihalda hliðarspennutakmarkandi mannvirki.

Svo ég hannaði tiltölulega almenna hringrás til að mæta þessum þremur þörfum.

Bílstjóri hringrás fyrir NMOS

Hér mun ég aðeins gera einfalda greiningu á NMOS ökumannsrásinni:

Vl og Vh eru lág-endir og hár-endir aflgjafar í sömu röð. Spennurnar tvær geta verið þær sömu, en Vl ætti ekki að fara yfir Vh.

Q1 og Q2 mynda öfugan tótempál til að ná einangrun á sama tíma og tryggja að drifrörin tvö Q3 og Q4 kvikni ekki á sama tíma.

R2 og R3 gefa PWM spennuviðmiðunina. Með því að breyta þessari tilvísun er hægt að stjórna hringrásinni í stöðu þar sem PWM merkisbylgjuformið er tiltölulega bratt.

Q3 og Q4 eru notaðir til að veita drifstraum. Þegar kveikt er á, hafa Q3 og Q4 aðeins lágmarksspennufall Vce miðað við Vh og GND. Þetta spennufall er venjulega aðeins um 0,3V, sem er mun lægra en Vce sem er 0,7V.

R5 og R6 eru endurgjafaviðnám, notaðir til að taka sýnishorn af hliðarspennunni. Sýnaspennan myndar sterka neikvæða endurgjöf til grunnanna Q1 og Q2 til Q5 og takmarkar þannig hliðarspennuna við takmarkað gildi. Þetta gildi er hægt að stilla í gegnum R5 og R6.

Að lokum gefur R1 grunnstraumsmörkin fyrir Q3 og Q4, og R4 gefur upp hliðarstraumsmörkin fyrir MOSFET, sem er takmörk íssins á Q3 og Q4. Ef nauðsyn krefur er hægt að tengja hröðunarþétti samhliða R4.

Þessi hringrás býður upp á eftirfarandi eiginleika:

1. Notaðu lághliðarspennu og PWM til að keyra háhliða MOSFET.

2. Notaðu lítið amplitude PWM merki til að keyra MOSFET með háum hliðarspennukröfum.

3. Hámarksmörk hliðarspennu

4. Inntaks- og úttaksstraumsmörk

5. Með því að nota viðeigandi viðnám er hægt að ná mjög lágri orkunotkun.

6. PWM merkinu er snúið við. NMOS þarf ekki þennan eiginleika og hægt er að leysa það með því að setja inverter fyrir framan.

Við hönnun á flytjanlegum tækjum og þráðlausum vörum eru tvö vandamál sem hönnuðir þurfa að horfast í augu við að bæta frammistöðu vöru og lengja endingu rafhlöðunnar. DC-DC breytir hafa þá kosti að vera mikil afköst, stór útstreymi og lágur kyrrstraumur, sem gerir þá mjög hentuga til að knýja færanleg tæki. Sem stendur eru helstu straumarnir í þróun DC-DC breytihönnunartækni: (1) Hátíðnitækni: Eftir því sem skiptitíðnin eykst minnkar stærð skiptibreytisins einnig, aflþéttleiki eykst einnig til muna, og kraftmikil svörun er bætt. . Skiptatíðni lágafls DC-DC breyta mun hækka upp í megahertz stig. (2) Lágframleiðsla spennu tækni: Með stöðugri þróun hálfleiðara framleiðslu tækni, er rekstrarspenna örgjörva og flytjanlegur rafeindabúnaður lægri og lægri, sem krefst framtíðar DC-DC breytir til að veita lága framleiðsla spennu til að laga sig að örgjörvum. kröfur um örgjörva og færanleg rafeindatæki.

Þróun þessarar tækni hefur sett fram meiri kröfur um hönnun rafkubbarása. Í fyrsta lagi, þar sem skiptitíðnin heldur áfram að aukast, eru miklar kröfur gerðar til frammistöðu rofaþátta. Jafnframt verður að koma fyrir samsvarandi drifrásum fyrir rofahluta til að tryggja að rofaeiningarnar virki eðlilega við rofatíðni allt að MHz. Í öðru lagi, fyrir rafhlöðuknúin flytjanleg rafeindatæki, er vinnuspenna hringrásarinnar lág (að taka litíum rafhlöður sem dæmi, vinnuspennan er 2,5 ~ 3,6V), því er vinnuspenna rafmagnsflísarinnar lág.

MOSFET hefur mjög litla viðnám og eyðir lítilli orku. MOSFET er oft notað sem aflrofi í vinsælum hávirkni DC-DC flísum. Hins vegar, vegna mikillar sníkjurýmdar MOSFET, er hliðarrýmd NMOS skiptiröra yfirleitt allt að tugum picofarads. Þetta setur fram meiri kröfur um hönnun á hátíðni DC-DC breytir sem skiptast á drifrásum.

Í lágspennu ULSI hönnun eru margs konar CMOS og BiCMOS rökrásir sem nota bootstrap boost mannvirki og drifrásir sem stór rafrýmd álag. Þessar hringrásir geta starfað venjulega með aflgjafaspennu sem er lægri en 1V og geta starfað á tíðninni tugum megahertz eða jafnvel hundruðum megahertz með hleðslurýmd 1 til 2pF. Þessi grein notar bootstrap boost hringrás til að hanna drifrás með stórum hleðslurýmd drifgetu sem hentar fyrir lágspennu, háa rofa tíðni aukningu DC-DC breytum. Hringrásin er hönnuð út frá Samsung AHP615 BiCMOS ferli og staðfest með Hspice uppgerð. Þegar framboðsspennan er 1,5V og hleðslurýmið er 60pF, getur notkunartíðnin orðið meira en 5MHz.

MOSFET rofaeiginleikar

1. Statísk einkenni

Sem skiptiþáttur virkar MOSFET einnig í tveimur stöðum: slökkt eða kveikt. Þar sem MOSFET er spennustýrður íhlutur ræðst vinnuástand hans aðallega af hliðarspennu uGS.

Vinnueinkennin eru sem hér segir:

※ uGS＜kveikjuspenna UT: MOSFET virkar á stöðvunarsvæðinu, afrennslisstraumurinn iDS er í grundvallaratriðum 0, útgangsspennan uDS≈UDD og MOSFET er í „slökktu“ ástandi.

※ uGS>Kveikjuspenna UT: MOSFET virkar á leiðslusvæðinu, frárennslisstraumur iDS=UDD/(RD+rDS). Meðal þeirra er rDS viðnám frárennslisgjafa þegar kveikt er á MOSFET. Úttaksspennan UDS=UDD?rDS/(RD+rDS), ef rDS＜＜RD, uDS≈0V, er MOSFET í „kveikt“ ástandi.

2. Dýnamískir eiginleikar

MOSFET hefur einnig umbreytingarferli þegar skipt er á milli kveikt og slökkt ástands, en kraftmikil eiginleikar þess ráðast aðallega af þeim tíma sem þarf til að hlaða og tæma flökkurýmið sem tengist hringrásinni og hleðsluuppsöfnun og afhleðslu þegar kveikt og slökkt er á rörinu sjálfu Dreifingartíminn er mjög lítill.

Þegar inntaksspennan ui breytist úr háu í lága og MOSFET breytist úr kveiktu ástandi í slökkt ástand, hleður aflgjafinn UDD flökkurýmdina CL í gegnum RD og hleðslutímafastann τ1=RDCL. Þess vegna þarf úttaksspennan uo að fara í gegnum ákveðna töf áður en hún breytist úr lágu stigi í hátt; þegar innspenna ui breytist úr lágu í háa og MOSFET breytist úr slökktu ástandi í kveikt ástand, fer hleðslan á flökkurýmdinni CL í gegnum rDS. Afhleðsla á sér stað með úthleðslutímafasta τ2≈rDSCL. Það má sjá að útgangsspennan Uo þarf líka ákveðna seinkun áður en hún getur farið í lágt stig. En vegna þess að rDS er miklu minni en RD, er umbreytingartíminn frá stöðvun til leiðni styttri en umbreytingartíminn frá leiðni til stöðvunar.

Þar sem frárennslisviðnám rDS á MOSFET þegar kveikt er á honum er mun stærra en mettunarviðnám rCES smára, og ytri fráfallsviðnám RD er einnig stærra en safnaraviðnám RC smára, hleðslu- og afhleðslutími. af MOSFET er lengri, sem gerir MOSFET Rofhraði er lægri en smári. Hins vegar, í CMOS hringrásum, þar sem hleðslurásin og afhleðslurásin eru bæði lágviðnámsrásir, eru hleðslu- og afhleðsluferli tiltölulega hratt, sem leiðir til mikils skiptihraða fyrir CMOS hringrásina.