Büyük Paket MOSFET Sürücü Devresi

Öncelikle MOSFET'in türü ve yapısı,MOSFETbir FET'tir (bir diğeri JFET'tir), geliştirilmiş veya tükenme tipi, P-kanalı veya N-kanalı olmak üzere toplam dört tipte üretilebilir, ancak yalnızca geliştirilmiş N-kanallı MOSFET'lerin ve geliştirilmiş P-kanallı MOSFET'lerin gerçek uygulaması, yani Genellikle NMOS veya PMOS olarak adlandırılan bu iki türü ifade eder. Bu iki tip geliştirilmiş MOSFET için daha yaygın olarak kullanılan NMOS'tur; bunun nedeni, direncin küçük olması ve üretiminin kolay olmasıdır. Bu nedenle NMOS genellikle güç kaynağı ve motor sürücü uygulamalarında anahtarlamada kullanılır.

Aşağıdaki girişte, vakaların çoğuna NMOS hakimdir. MOSFET'in üç pimi arasında parazitik kapasitans mevcuttur; bu, ihtiyaç duyulmayan ancak üretim süreci sınırlamaları nedeniyle ortaya çıkan bir özelliktir. Parazit kapasitansın varlığı, bir sürücü devresi tasarlamayı veya seçmeyi biraz zorlaştırır. Drenaj ve kaynak arasında parazitik bir diyot vardır. Buna vücut diyotu denir ve motorlar gibi endüktif yüklerin çalıştırılmasında önemlidir. Bu arada, vücut diyotu yalnızca bireysel MOSFET'lerde bulunur ve genellikle bir IC çipinin içinde mevcut değildir.

MOSFETAnahtarlama tüpü kaybı, ister NMOS ister PMOS olsun, açma direnci oluştuktan sonra akım bu dirençte enerji tüketecek, tüketilen enerjinin bu kısmına iletim kaybı adı verilmektedir. Açma direnci düşük olan MOSFET'lerin seçilmesi direnç kaybını azaltacaktır. Günümüzde düşük güçlü MOSFET'lerin açma direnci genellikle onlarca miliohm civarında olup, birkaç miliohm da mevcuttur. MOSFET'ler açılıp kapandığında bir anda tamamlanmamalıdır. MOSFET'in iki ucundan geçer ve içinden geçen akımın artmasıyla ilgili bir süreç vardır. Bu süre zarfında MOSFET'lerin kaybı, anahtarlama adı verilen gerilim ve akımın çarpımıdır. kayıp. Genellikle anahtarlama kaybı iletim kaybından çok daha büyüktür ve anahtarlama frekansı ne kadar hızlı olursa kayıp da o kadar büyük olur. İletim anında gerilim ve akımın çarpımı çok büyüktür ve bu da büyük kayıplara neden olur. Anahtarlama süresinin kısaltılması her iletimdeki kaybı azaltır; Anahtarlama frekansının azaltılması birim zamandaki anahtarlama sayısını azaltır. Bu yaklaşımların her ikisi de anahtarlama kayıplarını azaltır.

Bipolar transistörlerle karşılaştırıldığında genellikle bir akım oluşturmak için herhangi bir akımın gerekli olmadığına inanılır.MOSFETGS voltajı belirli bir değerin üzerinde olduğu sürece davranış. Bunu yapmak kolaydır ancak hıza da ihtiyacımız vardır. MOSFET'in yapısında görebileceğiniz gibi GS, GD arasında parazitik bir kapasitans vardır ve MOSFET'in sürülmesi aslında kapasitansın şarj edilmesi ve boşaltılmasıdır. Kondansatörün şarj edilmesi bir akım gerektirir, çünkü kondansatörün anında şarj edilmesi kısa devre olarak görülebilir, dolayısıyla anlık akım daha yüksek olacaktır. MOSFET sürücüsünü seçerken/tasarlarken dikkat edilmesi gereken ilk şey, sağlanabilecek anlık kısa devre akımının boyutudur.

Dikkat edilmesi gereken ikinci nokta, genellikle üst düzey sürücü NMOS'ta kullanıldığında, açık zamanlı geçit voltajının kaynak voltajından daha büyük olması gerektiğidir. High-end sürücü MOSFET'in kaynak voltajı ve boşaltma voltajı (VCC) aynı olduğundan, kapı voltajı VCC'den 4V veya 10V'a kadardır. aynı sistemde VCC'den daha büyük bir voltaj elde etmek için yükseltme devresinde uzmanlaşmamız gerekir. Çoğu motor sürücüsünde entegre şarj pompası bulunur; MOSFET'i çalıştırmak için yeterli kısa devre akımını elde etmek amacıyla uygun harici kapasitansı seçmeniz gerektiğine dikkat etmek önemlidir. MOSFET'lerde yaygın olarak kullanılan voltaj 4V veya 10V olup, tasarımda elbette belli bir marjın olması gerekir. Gerilim ne kadar yüksek olursa, açık durum hızı o kadar hızlı ve açık durum direnci o kadar düşük olur. Artık farklı alanlarda kullanılan daha küçük durum gerilimli MOSFET'ler de var, ancak 12V otomotiv elektroniği sisteminde genellikle 4V açık durum yeterlidir. MOSFET'lerin en dikkate değer özelliği, malın anahtarlama özellikleridir, bu nedenle yaygın olarak kullanılmaktadır. Anahtarlamalı güç kaynağı ve motor tahriki gibi elektronik anahtarlama devrelerine ve aynı zamanda aydınlatmanın karartılmasına ihtiyaç vardır. İletim, bir anahtar kapatmaya eşdeğer bir anahtar görevi gören anlamına gelir. NMOS özellikleri, belirli bir değerden büyük Vgs, kapı olduğu sürece kaynağın topraklandığı (düşük uçlu sürücü) durumda kullanıma uygun olarak iletilecektir. 4V veya 10V voltaj. PMOS özellikleri, belirli bir değerden daha düşük Vgs iletecektir, kaynağın VCC'ye (ileri teknoloji sürücü) bağlı olması durumunda kullanıma uygundur. Bununla birlikte, PMOS üst düzey bir sürücü olarak kolaylıkla kullanılabilse de NMOS, büyük direnç, yüksek fiyat ve az sayıda değiştirme türü nedeniyle genellikle üst düzey sürücülerde kullanılır.

Şimdi MOSFET düşük voltajlı uygulamalarda, 5V güç kaynağı kullanıldığında, bu sefer geleneksel totem kutup yapısını kullanırsanız, transistör nedeniyle yaklaşık 0,7V voltaj düşüşü olur, bu da gerçek finalin kapıdaki kapıya eklenmesiyle sonuçlanır. voltaj sadece 4,3 V'tur. Şu anda, MOSFET'in nominal kapı voltajını belirli risklerin varlığına göre 4,5V olarak seçiyoruz. Aynı sorun 3V veya diğer düşük voltajlı güç kaynağı durumlarında da ortaya çıkar. Mantık bölümünün tipik 5V veya 3,3V dijital voltaj kullandığı ve güç bölümünün 12V veya daha yüksek bir dijital voltaj kullandığı bazı kontrol devrelerinde çift voltaj kullanılır. İki voltaj ortak bir toprak kullanılarak bağlanır. Bu, alçak gerilim tarafının, yüksek gerilim tarafındaki MOSFET'i etkili bir şekilde kontrol etmesine izin veren bir devrenin kullanılması gerekliliğini ortaya koyarken, yüksek gerilim tarafındaki MOSFET, 1 ve 2'de belirtilen aynı problemlerle karşı karşıya kalacaktır. Her üç durumda da, totem direği yapısı çıkış gereksinimlerini karşılayamıyor ve kullanıma hazır MOSFET sürücü IC'lerinin çoğu, bir geçit voltajı sınırlama yapısı içermiyor gibi görünüyor. Giriş voltajı sabit bir değer değildir, zamana veya diğer faktörlere göre değişir. Bu değişiklik, PWM devresi tarafından MOSFET'e sağlanan sürücü voltajının kararsız olmasına neden olur. MOSFET'i yüksek geçit gerilimlerinden korumak için birçok MOSFET'te geçit geriliminin genliğini güçlü bir şekilde sınırlayan yerleşik gerilim regülatörleri bulunur.

Bu durumda, sağlanan sürücü voltajı regülatör voltajını aştığında, büyük bir statik güç tüketimine neden olacaktır. Aynı zamanda, kapı voltajını azaltmak için basitçe direnç voltaj bölücü prensibini kullanırsanız, göreceli olarak bir statik güç tüketimi olacaktır. Yüksek giriş voltajında ​​MOSFET iyi çalışır, kapı voltajı yetersiz olduğunda giriş voltajı azalır ve iletimin yeterince tamamlanmamasına neden olur, böylece güç tüketimi artar.

Buradaki nispeten ortak devre sadece NMOS sürücü devresi için basit bir analiz yapmaktır: Vl ve Vh sırasıyla düşük uç ve yüksek uç güç kaynağıdır, iki voltaj aynı olabilir, ancak Vl Vh'yi aşmamalıdır. Q1 ve Q2, izolasyonu sağlamak ve aynı zamanda iki sürücü tüpü Q3 ve Q4'ün aynı anda açık olmamasını sağlamak için kullanılan ters çevrilmiş bir totem direği oluşturur. R2 ve R3, PWM voltaj referansını sağlar ve bu referansı değiştirerek devrenin iyi çalışmasını sağlayabilirsiniz ve kapı voltajının tam bir iletime neden olması yeterli değildir, dolayısıyla güç tüketimini artırır. R2 ve R3, PWM voltaj referansını sağlar, bu referansı değiştirerek devrenin PWM sinyal dalga formunda nispeten dik ve düz pozisyonda çalışmasını sağlayabilirsiniz. Q3 ve Q4, sürücü akımını sağlamak için kullanılır, açık kalma süresi nedeniyle, Q3 ve Q4, Vh ve GND'ye göre yalnızca minimum bir Vce voltaj düşüşüdür, bu voltaj düşüşü genellikle yalnızca 0,3V kadardır, çok daha düşüktür 0,7V'den fazla Vce R5 ve R6, geçit voltajı örneklemesi için geri besleme dirençleridir; voltajın örneklenmesinden sonra, kapının voltajı, kapı voltajına geri besleme direnci olarak kullanılır ve numunenin voltajı, kapı voltajına kullanılır. R5 ve R6, kapı voltajını örneklemek için kullanılan geri besleme dirençleridir; bu direnç daha sonra Q1 ve Q2 tabanlarında güçlü bir negatif geri besleme oluşturmak için Q5'ten geçirilir, böylece kapı voltajı sonlu bir değerle sınırlandırılır. Bu değer R5 ve R6 ile ayarlanabilir. Son olarak R1, temel akımın Q3 ve Q4'e sınırlandırılmasını sağlar ve R4, Q3Q4'ün Buzunun sınırlaması olan MOSFET'lere kapı akımının sınırlandırılmasını sağlar. Gerekirse R4'ün üzerine paralel olarak bir hızlanma kapasitörü bağlanabilir.                                         

Taşınabilir cihazlar ve kablosuz ürünler tasarlarken, ürün performansını artırmak ve pilin çalışma süresini uzatmak tasarımcıların yüzleşmesi gereken iki konudur. DC-DC dönüştürücüler, taşınabilir güç sağlamak için çok uygun olan yüksek verimlilik, yüksek çıkış akımı ve düşük hareketsiz akım avantajlarına sahiptir. cihazlar.

DC-DC dönüştürücüler, taşınabilir cihazlara güç sağlamak için çok uygun olan yüksek verimlilik, yüksek çıkış akımı ve düşük hareketsiz akım avantajlarına sahiptir. Şu anda, DC-DC dönüştürücü tasarım teknolojisinin geliştirilmesindeki ana eğilimler şunları içermektedir: yüksek frekans teknolojisi: anahtarlama frekansının artmasıyla birlikte anahtarlama dönüştürücünün boyutu da azalır, güç yoğunluğu önemli ölçüde artar ve dinamik yanıt iyileştirildi. Küçük

Güç DC-DC dönüştürücünün anahtarlama frekansı megahertz seviyesine yükselecektir. Düşük çıkış voltajı teknolojisi: Yarı iletken üretim teknolojisinin sürekli gelişmesiyle birlikte, mikroişlemciler ve taşınabilir elektronik ekipmanın çalışma voltajı giderek düşüyor, bu da gelecekteki DC-DC dönüştürücünün mikroişlemciye ve taşınabilir elektronik ekipmana uyum sağlamak için düşük çıkış voltajı sağlayabilmesini gerektiriyor. Mikroişlemciye uyum sağlamak için gelecekteki DC-DC dönüştürücünün düşük çıkış voltajı sağlayabilmesini gerektirir.

Mikroişlemcilere ve taşınabilir elektronik ekipmanlara uyum sağlamak için düşük çıkış voltajı sağlamaya yeterlidir. Bu teknolojik gelişmeler, güç kaynağı çip devrelerinin tasarımı için daha yüksek gereksinimleri ortaya çıkarmıştır. Öncelikle anahtarlama frekansının artmasıyla birlikte anahtarlama bileşenlerinin performansı ortaya konulmaktadır.

Anahtarlama elemanının performansı için yüksek gereksinimler vardır ve anahtarlama elemanının megahertz normal çalışma seviyesine kadar anahtarlama frekansında olmasını sağlamak için ilgili anahtarlama elemanı tahrik devresine sahip olmalıdır. İkinci olarak, pille çalışan taşınabilir elektronik cihazlarda devrenin çalışma voltajı düşüktür (örneğin lityum pillerde).

Lityum piller, örneğin çalışma voltajı 2,5 ~ 3,6V), dolayısıyla güç kaynağı çipi daha düşük voltaj için.

MOSFET, mevcut popüler yüksek verimli DC-DC çipinde güç anahtarı olarak daha fazla MOSFET'te çok düşük bir direnç ve düşük enerji tüketimine sahiptir. Ancak MOSFET'lerin parazitik kapasitansının büyük olması nedeniyle. Bu, yüksek çalışma frekanslı DC-DC dönüştürücülerin tasarımı için anahtarlama tüpü sürücü devrelerinin tasarımına daha yüksek gereksinimler getirir. Alçak gerilim ULSI tasarımında büyük kapasitif yükler olarak bootstrap boost yapısını ve sürücü devrelerini kullanan çeşitli CMOS, BiCMOS mantık devreleri bulunmaktadır. Bu devreler, 1V'den daha düşük voltaj beslemesi koşullarında düzgün çalışabilmekte ve 1 ~ 2pF yük kapasitansı koşullarında çalışabilmekte, frekans onlarca megabite hatta yüzlerce megahertz'e ulaşabilmektedir. Bu yazıda, önyükleme yükseltme devresi, düşük voltajlı, yüksek anahtarlama frekansını artıran DC-DC dönüştürücü sürücü devresi için uygun, büyük yük kapasitanslı bir sürücü kapasitesi tasarlamak için kullanılır. Üst düzey MOSFET'leri çalıştırmak için düşük uç voltajı ve PWM. MOSFET'lerin yüksek geçit voltajı gereksinimlerini karşılamak için küçük genlikli PWM sinyali.