Оригинальные базовые знания и применение MOSFET

Что касается того, почему режим истощенияМОП-транзисторыне используются, докапываться до сути не рекомендуется.

Для этих двух МОП-транзисторов расширенного режима чаще используется NMOS. Причина в том, что сопротивление включения невелико и его легко изготовить. Поэтому NMOS обычно используется в импульсных источниках питания и приводах двигателей. В следующем введении в основном используется NMOS.

Между тремя выводами МОП-транзистора существует паразитная емкость. Это не то, что нам нужно, но вызвано ограничениями производственного процесса. Существование паразитной емкости усложняет проектирование или выбор схемы управления, но избежать ее невозможно. Подробно мы представим его позже.

Между стоком и истоком стоит паразитный диод. Это называется корпусным диодом. Этот диод очень важен при управлении индуктивными нагрузками (например, двигателями). Кстати, основной диод существует только в одном МОП-транзисторе и обычно не находится внутри интегральной схемы.

2. Характеристики проводимости МОП-транзистора.

Проведение означает действие переключателя, что эквивалентно замыканию переключателя.

Особенностью NMOS является то, что он включается, когда Vgs превышает определенное значение. Он подходит для использования, когда источник заземлен (низкий уровень привода), пока напряжение затвора достигает 4 В или 10 В.

Характеристики PMOS заключаются в том, что он включается, когда Vgs меньше определенного значения, что подходит для ситуаций, когда источник подключен к VCC (высокопроизводительный привод). Однако, хотяПМОПможет быть легко использован в качестве драйвера высокого класса, NMOS обычно используется в драйверах высокого класса из-за большого сопротивления в открытом состоянии, высокой цены и небольшого количества типов замены.

3. Потеря трубки МОП-переключателя

Будь то NMOS или PMOS, после включения возникает сопротивление включения, поэтому ток будет потреблять энергию на этом сопротивлении. Эта часть потребляемой энергии называется потерями проводимости. Выбор МОП-транзистора с небольшим сопротивлением в открытом состоянии уменьшит потери проводимости. Сопротивление современных МОП-транзисторов малой мощности обычно составляет около десятков миллиом, а также несколько миллиом.

Когда МОП-транзистор включается и выключается, это не должно завершаться мгновенно. Напряжение на МОП имеет процесс уменьшения, а протекающий ток имеет процесс увеличения. В этот периодМОП-транзисторыпотери — это произведение напряжения и тока, которое называется потерями переключения. Обычно потери переключения намного больше, чем потери проводимости, и чем выше частота переключения, тем больше потери.

Произведение напряжения и тока в момент проводимости очень велико, что приводит к большим потерям. Сокращение времени переключения может уменьшить потери при каждом проведении; уменьшение частоты переключений позволяет уменьшить количество переключений в единицу времени. Оба метода позволяют снизить потери на переключение.

Форма сигнала при включении МОП-транзистора. Видно, что произведение напряжения и тока в момент проводимости очень велико, и вызванные потери также очень велики. Уменьшение времени переключения может уменьшить потери при каждом проведении; уменьшение частоты переключений позволяет уменьшить количество переключений в единицу времени. Оба метода позволяют снизить потери на переключение.

4. Драйвер МОП-транзистора

По сравнению с биполярными транзисторами обычно считается, что для включения МОП-транзистора не требуется ток, пока напряжение GS превышает определенное значение. Это легко сделать, но нам также нужна скорость.

В структуре МОП-транзистора видно, что между GS и GD существует паразитная емкость, а управление МОП-транзистором на самом деле является зарядом и разрядом конденсатора. Для зарядки конденсатора требуется ток, поскольку в момент зарядки конденсатор можно рассматривать как короткое замыкание, поэтому мгновенный ток будет относительно большим. Первое, на что следует обратить внимание при выборе/проектировании драйвера MOSFET, — это величина мгновенного тока короткого замыкания, который он может обеспечить.

Второе, что следует отметить, это то, что NMOS, который обычно используется для высокопроизводительного управления, требует, чтобы напряжение затвора было больше, чем напряжение истока при включении. Когда управляемый МОП-транзистор верхнего плеча включен, напряжение истока такое же, как напряжение стока (VCC), поэтому напряжение затвора в это время на 4 В или 10 В больше, чем VCC. Если вы хотите получить в той же системе напряжение, превышающее VCC, вам понадобится специальная схема повышения напряжения. Многие драйверы двигателей имеют встроенные подкачивающие насосы. Следует отметить, что следует выбрать соответствующий внешний конденсатор, чтобы получить достаточный ток короткого замыкания для управления МОП-транзистором.

Упомянутые выше 4 В или 10 В — это напряжение включения обычно используемых МОП-транзисторов, и, конечно, при проектировании необходимо обеспечить определенный запас. И чем выше напряжение, тем выше скорость проводимости и тем меньше сопротивление проводимости. Сейчас в различных областях используются МОП-транзисторы с меньшим напряжением проводимости, но в автомобильных электронных системах с напряжением 12 В обычно достаточно проводимости 4 В.

Информацию о схеме драйвера MOSFET и ее потерях см. в документе Microchip AN799 «Сопоставление драйверов MOSFET с MOSFET». Очень подробно, поэтому больше писать не буду.

Произведение напряжения и тока в момент проводимости очень велико, что приводит к большим потерям. Уменьшение времени переключения может уменьшить потери при каждом проведении; уменьшение частоты переключений позволяет уменьшить количество переключений в единицу времени. Оба метода позволяют снизить потери на переключение.

МОП-транзистор — это тип полевого транзистора (другой — JFET). Его можно перевести в режим улучшения или режим истощения, P-канал или N-канал, всего 4 типа. Однако фактически используется только N-канальный МОП-транзистор расширенного режима. и P-канальный МОП-транзистор улучшенного типа, поэтому NMOS или PMOS обычно относятся к этим двум типам.

5. Схема применения МОП-транзистора?

Наиболее важной характеристикой MOSFET являются его хорошие коммутационные характеристики, поэтому он широко используется в схемах, требующих электронных переключателей, таких как импульсные источники питания и приводы двигателей, а также регулировка яркости освещения.

Сегодняшние драйверы MOSFET имеют несколько особых требований:

1. Применение низкого напряжения

При использовании источника питания 5 В, если в это время используется традиционная структура тотемного полюса, поскольку падение напряжения на транзисторе составляет около 0,7 В, фактическое конечное напряжение, приложенное к затвору, составляет всего 4,3 В. В это время выбираем номинальную мощность затвора

Существует определенный риск при использовании МОП-транзистора 4,5 В. Такая же проблема возникает и при использовании 3В или других низковольтных источников питания.

2. Широкое применение напряжения

Входное напряжение не является фиксированной величиной, оно будет меняться со временем или другими факторами. Это изменение приводит к нестабильности управляющего напряжения, подаваемого схемой ШИМ на МОП-транзистор.

Чтобы сделать МОП-транзисторы безопасными при высоких напряжениях на затворе, многие МОП-транзисторы имеют встроенные регуляторы напряжения для принудительного ограничения амплитуды напряжения на затворе. В этом случае, когда подаваемое управляющее напряжение превышает напряжение трубки регулятора напряжения, это приведет к большому статическому энергопотреблению.

В то же время, если вы просто используете принцип резисторного деления напряжения для уменьшения напряжения на затворе, МОП-транзистор будет хорошо работать, когда входное напряжение относительно высокое, но когда входное напряжение снижается, напряжение на затворе будет недостаточным, что приведет к неполная проводимость, тем самым увеличивая энергопотребление.

3. Приложение двойного напряжения

В некоторых схемах управления логическая часть использует обычное цифровое напряжение 5 В или 3,3 В, а силовая часть — напряжение 12 В или даже выше. Оба напряжения подключены к общей земле.

Это вызывает необходимость использования схемы, позволяющей стороне низкого напряжения эффективно управлять МОП-транзистором на стороне высокого напряжения. В то же время МОП-транзистор на стороне высокого напряжения также столкнется с проблемами, упомянутыми в пунктах 1 и 2.

В этих трех случаях структура тотемного полюса не может соответствовать требованиям к выходу, и многие стандартные микросхемы драйверов MOSFET, по-видимому, не включают в себя структуры ограничения напряжения на затворе.

Поэтому я разработал относительно общую схему, отвечающую этим трем потребностям.

Схема драйвера для NMOS

Здесь я проведу лишь простой анализ схемы драйвера NMOS:

Vl и Vh — блоки питания низкого и высокого класса соответственно. Два напряжения могут быть одинаковыми, но Vl не должно превышать Vh.

Q1 и Q2 образуют перевернутый тотемный столб для обеспечения изоляции, гарантируя при этом, что две лампы драйвера Q3 и Q4 не включатся одновременно.

R2 и R3 обеспечивают опорное напряжение ШИМ. Изменяя это задание, схема может работать в положении, когда форма сигнала ШИМ относительно крутая.

Q3 и Q4 используются для обеспечения тока возбуждения. При включении Q3 и Q4 имеют минимальное падение напряжения Vce относительно Vh и GND. Это падение напряжения обычно составляет всего около 0,3 В, что намного ниже, чем Vce, равное 0,7 В.

R5 и R6 — резисторы обратной связи, используемые для выборки напряжения на затворе. Выборочное напряжение создает сильную отрицательную обратную связь с базами Q1 и Q2–Q5, тем самым ограничивая напряжение затвора до ограниченного значения. Это значение можно регулировать с помощью R5 и R6.

Наконец, R1 обеспечивает ограничение базового тока для Q3 и Q4, а R4 обеспечивает ограничение тока затвора для MOSFET, что является пределом тока Q3 и Q4. При необходимости параллельно R4 можно подключить ускорительный конденсатор.

Эта схема обеспечивает следующие возможности:

1. Используйте напряжение нижнего плеча и ШИМ для управления МОП-транзистором верхнего плеча.

2. Используйте ШИМ-сигнал небольшой амплитуды для управления МОП-транзистором с высокими требованиями к напряжению на затворе.

3. Пиковый предел напряжения затвора

4. Пределы входного и выходного тока

5. Используя соответствующие резисторы, можно добиться очень низкого энергопотребления.

6. Сигнал ШИМ инвертируется. NMOS не нуждается в этой функции, и ее можно решить, разместив инвертор спереди.

При разработке портативных устройств и беспроводных продуктов разработчикам приходится решать две проблемы, связанные с повышением производительности продукта и продлением срока службы батареи. Преобразователи постоянного тока обладают такими преимуществами, как высокая эффективность, большой выходной ток и низкий ток покоя, что делает их очень подходящими для питания портативных устройств. В настоящее время основными тенденциями в развитии технологии проектирования преобразователей постоянного тока являются: (1) Высокочастотная технология: по мере увеличения частоты переключения размер переключающего преобразователя также уменьшается, а плотность мощности также значительно увеличивается, и динамический отклик улучшается. . Частота переключения маломощных DC-DC преобразователей поднимется до уровня мегагерц. (2) Технология низкого выходного напряжения. С постоянным развитием технологии производства полупроводников рабочее напряжение микропроцессоров и портативных электронных устройств становится все ниже и ниже, что требует, чтобы будущие преобразователи постоянного тока в постоянный обеспечивали низкое выходное напряжение для адаптации к микропроцессорам. требования к процессорам и портативным электронным устройствам.

Развитие этих технологий выдвинуло более высокие требования к проектированию схем силовых микросхем. Прежде всего, поскольку частота коммутации продолжает увеличиваться, к производительности переключающих элементов предъявляются высокие требования. При этом должны быть предусмотрены соответствующие схемы управления коммутационными элементами, обеспечивающие нормальную работу коммутирующих элементов на частотах коммутации до МГц. Во-вторых, для портативных электронных устройств с батарейным питанием рабочее напряжение схемы низкое (на примере литиевых батарей рабочее напряжение составляет 2,5 ~ 3,6 В), поэтому рабочее напряжение силового чипа низкое.

МОП-транзистор имеет очень низкое сопротивление в открытом состоянии и потребляет мало энергии. MOSFET часто используется в качестве переключателя питания в популярных в настоящее время высокоэффективных микросхемах постоянного тока. Однако из-за большой паразитной емкости МОП-транзистора емкость затвора переключающих ламп NMOS обычно достигает десятков пикофарад. Это выдвигает более высокие требования к проектированию схемы управления коммутационной лампой высокочастотного преобразователя постоянного тока.

В низковольтных конструкциях ULSI существует множество логических схем КМОП и БиКМОП, в которых используются повышающие структуры и схемы управления в качестве больших емкостных нагрузок. Эти схемы могут нормально работать при напряжении питания ниже 1В, а могут работать на частоте десятков и даже сотен мегагерц при емкости нагрузки от 1 до 2пФ. В этой статье используется схема повышения начальной загрузки для разработки схемы управления с возможностью управления большой нагрузочной емкостью, которая подходит для повышающих преобразователей постоянного тока низкого напряжения и высокой частоты переключения. Схема разработана на основе процесса Samsung AHP615 BiCMOS и проверена с помощью моделирования Hspice. При напряжении питания 1,5 В и емкости нагрузки 60 пФ рабочая частота может достигать более 5 МГц.

Характеристики переключения MOSFET

1. Статические характеристики

Как переключающий элемент MOSFET также работает в двух состояниях: выключенном и включенном. Поскольку МОП-транзистор является компонентом, управляемым напряжением, его рабочее состояние в основном определяется напряжением затвор-исток uGS.

Рабочие характеристики следующие:

※ uGS＜напряжение включения UT: MOSFET работает в зоне отсечки, ток сток-исток iDS в основном равен 0, выходное напряжение uDS≈UDD, и MOSFET находится в состоянии «выключено».

※ uGS>Напряжение включения UT: МОП-транзистор работает в области проводимости, ток сток-исток iDS=UDD/(RD+rDS). Среди них rDS — сопротивление сток-исток при включении МОП-транзистора. Выходное напряжение UDS=UDD?rDS/(RD+rDS), если rDS＜＜RD, uDS≈0В, то МОП-транзистор находится во включенном состоянии.

2. Динамические характеристики

МОП-транзистор также имеет переходный процесс при переключении между состояниями «включено» и «выключено», но его динамические характеристики в основном зависят от времени, необходимого для зарядки и разрядки паразитной емкости, связанной с цепью, а также накопления и разряда заряда при включении и выключении самой трубки. Время диссипации очень мало.

Когда входное напряжение ui изменяется с высокого на низкое и MOSFET переходит из включенного состояния в выключенное, источник питания UDD заряжает паразитную емкость CL через RD, а постоянная времени зарядки τ1=RDCL. Следовательно, выходное напряжение uo должно пройти определенную задержку, прежде чем перейти с низкого уровня на высокий уровень; когда входное напряжение ui изменяется с низкого на высокое и МОП-транзистор переходит из выключенного состояния во включенное, заряд на паразитной емкости CL проходит через rDS. Разряд происходит с постоянной времени разряда τ2≈rDSCL. Видно, что выходному напряжению Uo также требуется определенная задержка, прежде чем оно сможет перейти на низкий уровень. Но поскольку rDS намного меньше, чем RD, время перехода от отсечки к проводимости короче, чем время перехода от проводимости к отсечке.

Поскольку сопротивление сток-исток rDS МОП-транзистора при его включении значительно больше сопротивления насыщения rCES транзистора, а внешнее сопротивление стока RD также больше сопротивления коллектора RC транзистора, время зарядки и разрядки МОП-транзистор длиннее, поэтому скорость переключения МОП-транзистора ниже, чем у транзистора. Однако в схемах КМОП, поскольку цепь зарядки и схема разряда являются схемами с низким сопротивлением, процессы зарядки и разрядки происходят относительно быстро, что приводит к высокой скорости переключения схемы КМОП.