Pokud jde o to, proč režim vyčerpáníMOSFETyse nepoužívají, nedoporučuje se dostat se na jeho dno.
Pro tyto dva MOSFETy v režimu vylepšení se běžněji používá NMOS. Důvodem je, že odpor je malý a snadno se vyrábí. Proto se NMOS obecně používá v aplikacích spínaných napájecích zdrojů a motorových pohonů. V následujícím úvodu se většinou používá NMOS.
Mezi třemi kolíky MOSFETu je parazitní kapacita. To není to, co potřebujeme, ale je to způsobeno omezeními výrobního procesu. Existence parazitní kapacity činí problém při navrhování nebo výběru budícího obvodu, ale neexistuje způsob, jak se tomu vyhnout. Později si jej podrobně představíme.
Mezi kolektorem a zdrojem je parazitní dioda. Říká se tomu tělesná dioda. Tato dioda je velmi důležitá při řízení indukčních zátěží (jako jsou motory). Mimochodem, tělová dioda existuje pouze v jediném MOSFETu a obvykle se nenachází uvnitř čipu integrovaného obvodu.
2. Vodivostní charakteristiky MOSFET
Vodivé prostředky fungující jako spínač, což je ekvivalentní sepnutí spínače.
Charakteristikou NMOS je, že se zapne, když je Vgs větší než určitá hodnota. Je vhodný pro použití při uzemnění zdroje (low-end drive), pokud napětí hradla dosáhne 4V nebo 10V.
Charakteristikou PMOS je, že se zapne, když je Vgs menší než určitá hodnota, což je vhodné pro situace, kdy je zdroj připojen k VCC (high-end drive). Nicméně, ačkoliPMOSlze snadno použít jako špičkový ovladač, NMOS se obvykle používá ve špičkových ovladačích kvůli velkému odporu, vysoké ceně a několika náhradním typům.
3. Ztráta elektronky spínače MOS
Ať už je to NMOS nebo PMOS, po zapnutí je zapnutý odpor, takže proud bude spotřebovávat energii na tomto odporu. Tato část spotřebované energie se nazývá ztráta vedení. Volba MOSFETu s malým odporem sníží ztráty ve vedení. Dnešní nízkopříkonový odpor MOSFETu je obecně kolem desítek miliohmů a existuje také několik miliohmů.
Když je MOSFET zapnutý a vypnutý, nesmí být dokončen okamžitě. Napětí na MOS má klesající proces a protékající proud má rostoucí proces. Během tohoto období seMOSFETyztráta je součin napětí a proudu, který se nazývá spínací ztráta. Obvykle jsou spínací ztráty mnohem větší než ztráty ve vedení a čím vyšší je spínací frekvence, tím větší jsou ztráty.
Součin napětí a proudu v okamžiku vedení je velmi velký a způsobuje velké ztráty. Zkrácení spínací doby může snížit ztráty při každém vedení; snížení spínací frekvence může snížit počet sepnutí za jednotku času. Obě metody mohou snížit spínací ztráty.
Tvar vlny, když je MOSFET zapnutý. Je vidět, že součin napětí a proudu v okamžiku vedení je velmi velký a také způsobená ztráta je velmi velká. Zkrácení spínacího času může snížit ztráty při každém vedení; snížení spínací frekvence může snížit počet sepnutí za jednotku času. Obě metody mohou snížit spínací ztráty.
4. Ovladač MOSFET
Ve srovnání s bipolárními tranzistory se obecně má za to, že pro zapnutí MOSFET není potřeba žádný proud, pokud je napětí GS vyšší než určitá hodnota. To je snadné, ale potřebujeme také rychlost.
Na struktuře MOSFETu je vidět, že mezi GS a GD je parazitní kapacita a řízení MOSFETu je vlastně nabíjení a vybíjení kondenzátoru. Nabíjení kondenzátoru vyžaduje proud, protože kondenzátor může být v okamžiku nabíjení považován za zkrat, takže okamžitý proud bude relativně velký. První věc, které je třeba věnovat pozornost při výběru/návrhu měniče MOSFET, je velikost okamžitého zkratového proudu, který může poskytnout.
Druhá věc, kterou je třeba poznamenat, je, že NMOS, který se běžně používá pro špičkové řízení, potřebuje, aby napětí hradla bylo při zapnutí větší než napětí zdroje. Když je zapnutý MOSFET řízený horní stranou, zdrojové napětí je stejné jako napětí kolektoru (VCC), takže napětí hradla je v tuto chvíli o 4V nebo 10V větší než VCC. Pokud chcete ve stejném systému získat napětí větší než VCC, potřebujete speciální zesilovací obvod. Mnoho motorových ovladačů má integrovaná plnicí čerpadla. Je třeba poznamenat, že by měl být zvolen vhodný externí kondenzátor pro získání dostatečného zkratového proudu pro buzení MOSFET.
Výše zmíněných 4V nebo 10V je spínací napětí běžně používaných MOSFETů a samozřejmě je potřeba při návrhu povolit určitou rezervu. A čím vyšší je napětí, tím vyšší je rychlost vedení a tím menší je odpor vedení. Nyní se v různých oblastech používají MOSFETy s menším vodivým napětím, ale ve 12V automobilových elektronických systémech obecně stačí 4V vodivost.
Pro obvod ovladače MOSFET a jeho ztráty se prosím podívejte na Microchip AN799 Matching MOSFET Drivers to MOSFETs. Je to velmi podrobné, takže víc psát nebudu.
Součin napětí a proudu v okamžiku vedení je velmi velký a způsobuje velké ztráty. Zkrácení spínacího času může snížit ztráty při každém vedení; snížení spínací frekvence může snížit počet sepnutí za jednotku času. Obě metody mohou snížit spínací ztráty.
MOSFET je typ FET (druhý je JFET). Může být převeden do režimu vylepšení nebo režimu vyčerpání, P-kanál nebo N-kanál, celkem 4 typy. Ve skutečnosti se však používá pouze N-kanálový MOSFET v režimu vylepšení. a P-kanálový MOSFET vylepšení, takže NMOS nebo PMOS obvykle odkazují na tyto dva typy.
5. MOSFET aplikační obvod?
Nejvýznamnější charakteristikou MOSFETu jsou jeho dobré spínací vlastnosti, takže je široce používán v obvodech, které vyžadují elektronické spínače, jako jsou spínané zdroje a motorové pohony, stejně jako stmívání osvětlení.
Dnešní ovladače MOSFET mají několik speciálních požadavků:
1. Nízkonapěťová aplikace
Při použití 5V napájecího zdroje, pokud je v tomto okamžiku použita tradiční struktura totemu, protože tranzistor má úbytek napětí asi 0,7 V, skutečné konečné napětí aplikované na bránu je pouze 4,3 V. V tomto okamžiku volíme jmenovitý výkon hradla
Při použití 4,5V MOSFETu existuje určité riziko. Stejný problém nastává také při použití 3V nebo jiných nízkonapěťových zdrojů.
2. Široká aplikace napětí
Vstupní napětí není pevná hodnota, bude se měnit s časem nebo jinými faktory. Tato změna způsobuje, že budicí napětí dodávané obvodem PWM do MOSFETu je nestabilní.
Aby byly MOSFETy bezpečné pod vysokým napětím hradla, mnoho MOSFETů má vestavěné regulátory napětí, které násilně omezují amplitudu hradlového napětí. V tomto případě, když dodávané napájecí napětí překročí napětí trubice regulátoru napětí, způsobí to velkou statickou spotřebu energie.
Současně, pokud jednoduše použijete princip dělení napětí rezistoru ke snížení napětí hradla, bude MOSFET fungovat dobře, když je vstupní napětí relativně vysoké, ale když se vstupní napětí sníží, napětí hradla bude nedostatečné, což způsobí neúplné vedení, čímž se zvyšuje spotřeba energie.
3. Aplikace se dvěma napětími
V některých řídicích obvodech používá logická část typické digitální napětí 5V nebo 3,3V, zatímco výkonová část používá napětí 12V nebo dokonce vyšší. Obě napětí jsou připojena ke společné zemi.
To vyvolává požadavek na použití obvodu, aby nízkonapěťová strana mohla efektivně ovládat MOSFET na vysokonapěťové straně. Současně bude MOSFET na straně vysokého napětí čelit také problémům uvedeným v 1 a 2.
V těchto třech případech struktura totemu nemůže splnit požadavky na výstup a zdá se, že mnoho běžně dodávaných integrovaných obvodů MOSFET ovladačů neobsahuje struktury omezující napětí hradla.
Navrhl jsem tedy relativně obecný obvod, který splňuje tyto tři potřeby.
Obvod ovladače pro NMOS
Zde provedu pouze jednoduchou analýzu obvodu ovladače NMOS:
Vl a Vh jsou low-end a high-end napájecí zdroje. Obě napětí mohou být stejná, ale Vl by nemělo překročit Vh.
Q1 a Q2 tvoří obrácený totem, aby bylo dosaženo izolace a zároveň bylo zajištěno, že se obě budicí trubice Q3 a Q4 nezapnou současně.
R2 a R3 poskytují referenční napětí PWM. Změnou této reference může být obvod provozován v poloze, kde je průběh signálu PWM relativně strmý.
Q3 a Q4 se používají k zajištění proudu měniče. Po zapnutí mají Q3 a Q4 pouze minimální úbytek napětí Vce vzhledem k Vh a GND. Tento pokles napětí je obvykle jen asi 0,3 V, což je mnohem nižší než Vce 0,7 V.
R5 a R6 jsou zpětnovazební odpory, používané pro vzorkování napětí hradla. Vzorkované napětí generuje silnou negativní zpětnou vazbu na báze Q1 a Q2 až Q5, čímž omezuje napětí hradla na omezenou hodnotu. Tuto hodnotu lze upravit pomocí R5 a R6.
Nakonec R1 poskytuje základní proudový limit pro Q3 a Q4 a R4 poskytuje limit hradlového proudu pro MOSFET, což je limit ledu Q3 a Q4. V případě potřeby lze paralelně k R4 připojit urychlovací kondenzátor.
Tento obvod poskytuje následující funkce:
1. Použijte nízké napětí a PWM k řízení tranzistoru MOSFET na vysoké straně.
2. Použijte signál PWM s malou amplitudou k řízení MOSFETu s vysokými požadavky na hradlové napětí.
3. Špičkový limit hradlového napětí
4. Omezení vstupního a výstupního proudu
5. Použitím vhodných rezistorů lze dosáhnout velmi nízké spotřeby energie.
6. Signál PWM je invertovaný. NMOS tuto funkci nepotřebuje a lze ji vyřešit umístěním měniče dopředu.
Při navrhování přenosných zařízení a bezdrátových produktů jsou dva problémy, kterým musí návrháři čelit, zlepšení výkonu produktu a prodloužení životnosti baterie. DC-DC měniče mají výhody vysoké účinnosti, velkého výstupního proudu a nízkého klidového proudu, díky čemuž jsou velmi vhodné pro napájení přenosných zařízení. V současné době jsou hlavními trendy ve vývoji technologie konstrukce měničů DC-DC: (1) Vysokofrekvenční technologie: Se zvyšující se frekvencí spínání se také zmenšuje velikost spínacího měniče, výrazně se zvyšuje také hustota výkonu, a zlepšuje se dynamická odezva. . Spínací frekvence nízkopříkonových DC-DC měničů stoupne na úroveň megahertzů. (2) Technologie nízkého výstupního napětí: S neustálým vývojem technologie výroby polovodičů je provozní napětí mikroprocesorů a přenosných elektronických zařízení stále nižší a nižší, což vyžaduje, aby budoucí měniče DC-DC poskytovaly nízké výstupní napětí pro přizpůsobení mikroprocesorům. požadavky na procesory a přenosná elektronická zařízení.
Vývoj těchto technologií kladl vyšší požadavky na návrh obvodů výkonových čipů. Za prvé, s neustálým zvyšováním spínací frekvence jsou kladeny vysoké požadavky na výkon spínacích prvků. Současně musí být zajištěny odpovídající budicí obvody spínacích prvků, aby bylo zajištěno, že spínací prvky normálně pracují při spínacích frekvencích až do MHz. Za druhé, u přenosných elektronických zařízení napájených bateriemi je pracovní napětí obvodu nízké (pokud vezmeme jako příklad lithiové baterie, pracovní napětí je 2,5 ~ 3,6 V), proto je pracovní napětí napájecího čipu nízké.
MOSFET má velmi nízký odpor a spotřebovává nízkou energii. MOSFET se často používá jako vypínač v aktuálně populárních vysoce účinných DC-DC čipech. Vzhledem k velké parazitní kapacitě MOSFETu je však kapacita hradla spínacích elektronek NMOS obecně vysoká až desítky pikofaradů. To klade vyšší požadavky na návrh vysokofrekvenčního stejnosměrného měniče spínacího obvodu buzení.
V nízkonapěťových konstrukcích ULSI existuje celá řada logických obvodů CMOS a BiCMOS využívajících struktury bootstrap boost a řídicí obvody jako velké kapacitní zátěže. Tyto obvody mohou normálně pracovat s napájecím napětím nižším než 1V a mohou pracovat na frekvenci desítek megahertzů nebo dokonce stovek megahertzů se zatěžovací kapacitou 1 až 2pF. Tento článek používá zaváděcí zesilovací obvod k návrhu budicího obvodu s velkou kapacitní zátěží, který je vhodný pro nízkonapěťové a vysokofrekvenční zesilovací DC-DC měniče. Obvod je navržen na základě procesu Samsung AHP615 BiCMOS a ověřen simulací Hspice. Když je napájecí napětí 1,5V a zatěžovací kapacita 60pF, může provozní frekvence dosáhnout více než 5MHz.
Spínací charakteristiky MOSFET
1. Statické charakteristiky
Jako spínací prvek také MOSFET pracuje ve dvou stavech: vypnutý nebo zapnutý. Protože MOSFET je komponenta řízená napětím, jeho pracovní stav je určován hlavně napětím hradla uGS.
Pracovní vlastnosti jsou následující:
※ uGS＜zapínací napětí UT: MOSFET pracuje v oblasti cut-off, proud iDS zdroje kolektoru je v podstatě 0, výstupní napětí uDS≈UDD a MOSFET je ve stavu „vypnuto“.
※ uGS>Turn-on voltage UT: MOSFET pracuje v oblasti vodivosti, proud mozkového zdroje iDS=UDD/(RD+rDS). Mezi nimi je rDS odpor zdroje odběru, když je MOSFET zapnutý. Výstupní napětí UDS=UDD?rDS/(RD+rDS), pokud rDS＜＜RD, uDS≈0V, MOSFET je ve stavu „zapnuto“.
2. Dynamické charakteristiky
MOSFET má také proces přechodu při přepínání mezi stavy zapnuto a vypnuto, ale jeho dynamické charakteristiky závisí hlavně na době potřebné k nabití a vybití rozptylové kapacity související s obvodem a na akumulaci a vybití náboje, když je samotná elektronka zapnutá a vypnutá. Doba rozptylu je velmi malá.
Když se vstupní napětí ui změní z vysokého na nízké a MOSFET se změní ze zapnutého stavu do vypnutého, napájecí UDD nabije rozptylovou kapacitu CL přes RD a nabíjecí časovou konstantu τ1=RDCL. Proto musí výstupní napětí uo projít určitým zpožděním, než se změní z nízké úrovně na vysokou; když se vstupní napětí ui změní z nízkého na vysoké a MOSFET se změní ze stavu vypnuto do stavu zapnuto, náboj na rozptylové kapacitě CL prochází přes rDS Vybíjení nastává s časovou konstantou vybíjení τ2≈rDSCL. Je vidět, že výstupní napětí Uo potřebuje také určité zpoždění, než může přejít na nízkou úroveň. Ale protože rDS je mnohem menší než RD, doba konverze z mezní hodnoty do vedení je kratší než doba konverze z vedení do mezní hodnoty.
Vzhledem k tomu, že odpor zdroje odběru rDS tranzistoru MOSFET, když je zapnutý, je mnohem větší než odpor saturace rCES tranzistoru a odpor externího odběru RD je také větší než odpor kolektoru RC tranzistoru, doba nabíjení a vybíjení MOSFET je delší, takže MOSFET Rychlost spínání je nižší než u tranzistoru. Avšak v obvodech CMOS, protože nabíjecí obvod i vybíjecí obvod jsou obvody s nízkým odporem, jsou procesy nabíjení a vybíjení relativně rychlé, což má za následek vysokou rychlost přepínání obvodu CMOS.
Čas odeslání: 15. dubna 2024
