MOSFET orijinal temel bilgi ve uygulaması

Neden tükenme modununMOSFET'lerkullanılmadığı için dibine inilmesi tavsiye edilmez.

Bu iki geliştirme modu MOSFET için NMOS daha yaygın olarak kullanılır. Bunun nedeni, direncin küçük olması ve üretiminin kolay olmasıdır. Bu nedenle NMOS genellikle güç kaynağı ve motor sürücü uygulamalarında anahtarlamada kullanılır. Aşağıdaki giriş bölümünde çoğunlukla NMOS kullanılmıştır.

MOSFET'in üç pini arasında parazitik bir kapasitans vardır. İhtiyacımız olan şey bu değil, üretim süreci sınırlamalarından kaynaklanıyor. Parazit kapasitansın varlığı, bir sürücü devresi tasarlarken veya seçerken bunu daha zahmetli hale getirir, ancak bundan kaçınmanın bir yolu yoktur. Daha sonra detaylı olarak tanıtacağız.

Drenaj ve kaynak arasında parazitik bir diyot vardır. Buna vücut diyotu denir. Bu diyot, endüktif yükleri (motorlar gibi) çalıştırırken çok önemlidir. Bu arada, gövde diyotu yalnızca tek bir MOSFET'te bulunur ve genellikle entegre devre çipinde bulunmaz.

 

2. MOSFET iletim özellikleri

İletkenlik, anahtarın kapatılmasına eşdeğer bir anahtar görevi gören anlamına gelir.

NMOS'un özelliği, Vgs belirli bir değerden büyük olduğunda açılmasıdır. Geçit voltajı 4V veya 10V'a ulaştığı sürece kaynak topraklandığında (düşük uçlu sürücü) kullanıma uygundur.

PMOS'un özellikleri, Vgs'nin belirli bir değerden düşük olduğunda açılmasıdır; bu, kaynağın VCC'ye (ileri düzey sürücü) bağlı olduğu durumlar için uygundur. Ancak yine dePMOSÜst düzey bir sürücü olarak kolaylıkla kullanılabilen NMOS, büyük direnç, yüksek fiyat ve az sayıda değiştirme türü nedeniyle genellikle üst düzey sürücülerde kullanılır.

 

3. MOS anahtar tüpü kaybı

İster NMOS ister PMOS olsun, açıldıktan sonra bir açma direnci vardır, dolayısıyla akım bu direnç üzerinden enerji tüketecektir. Tüketilen enerjinin bu kısmına iletim kaybı denir. Açık direnci küçük olan bir MOSFET'in seçilmesi iletim kayıplarını azaltacaktır. Günümüzün düşük güçlü MOSFET'in direnci genellikle onlarca miliohm civarındadır ve ayrıca birkaç miliohm da vardır.

MOSFET açılıp kapatıldığında anında tamamlanmamalıdır. MOS üzerindeki voltajın azalan bir süreci vardır ve akan akımın artan bir süreci vardır. Bu dönemde,MOSFET'lerkayıp, anahtarlama kaybı adı verilen gerilim ve akımın ürünüdür. Genellikle anahtarlama kayıpları iletim kayıplarından çok daha büyüktür ve anahtarlama frekansı ne kadar hızlı olursa kayıplar da o kadar büyük olur.

İletim anında gerilim ve akımın çarpımı çok büyüktür ve büyük kayıplara neden olur. Anahtarlama süresinin kısaltılması her iletim sırasındaki kaybı azaltabilir; Anahtarlama frekansının azaltılması birim zamandaki anahtarlama sayısını azaltabilir. Her iki yöntem de anahtarlama kayıplarını azaltabilir.

MOSFET açıldığında dalga biçimi. İletim anında gerilim ve akımın çarpımının çok büyük olduğu ve meydana gelen kaybın da çok büyük olduğu görülebilir. Anahtarlama süresinin azaltılması her iletim sırasındaki kaybı azaltabilir; Anahtarlama frekansının azaltılması birim zamandaki anahtarlama sayısını azaltabilir. Her iki yöntem de anahtarlama kayıplarını azaltabilir.

 

4.MOSFET sürücüsü

Bipolar transistörlerle karşılaştırıldığında, GS voltajı belirli bir değerden yüksek olduğu sürece genellikle bir MOSFET'i açmak için herhangi bir akımın gerekli olmadığına inanılır. Bunu yapmak kolaydır ama aynı zamanda hıza da ihtiyacımız var.

MOSFET'in yapısında GS ile GD arasında parazitik bir kapasitans olduğu ve MOSFET'in tahrikinin aslında kapasitörün şarjı ve deşarjı olduğu görülmektedir. Kapasitörün şarj edilmesi bir akım gerektirir, çünkü kapasitör şarj anında kısa devre olarak kabul edilebilir, dolayısıyla anlık akım nispeten büyük olacaktır. MOSFET sürücüsünü seçerken/tasarlarken dikkat edilmesi gereken ilk şey sağlayabileceği anlık kısa devre akımı miktarıdır. ​

Dikkat edilmesi gereken ikinci nokta, üst düzey sürüş için yaygın olarak kullanılan NMOS'un, açıldığında geçit voltajının kaynak voltajından daha büyük olmasını gerektirmesidir. Yüksek taraf tahrikli MOSFET açıldığında, kaynak voltajı boşaltma voltajıyla (VCC) aynıdır, dolayısıyla bu anda kapı voltajı VCC'den 4V veya 10V daha yüksektir. Aynı sistemde VCC'den daha büyük bir gerilim elde etmek istiyorsanız özel bir yükseltme devresine ihtiyacınız vardır. Birçok motor sürücüsünde entegre şarj pompaları bulunur. MOSFET'i sürmek için yeterli kısa devre akımını elde etmek için uygun bir harici kapasitörün seçilmesi gerektiğine dikkat edilmelidir.

 

Yukarıda bahsedilen 4V veya 10V, yaygın olarak kullanılan MOSFET'lerin açılma voltajıdır ve elbette tasarım sırasında belirli bir marjın bırakılması gerekir. Ve voltaj ne kadar yüksek olursa, iletim hızı o kadar hızlı ve iletim direnci o kadar küçük olur. Artık farklı alanlarda kullanılan daha küçük iletim gerilimlerine sahip MOSFET'ler mevcut ancak 12V otomotiv elektronik sistemlerinde genellikle 4V iletim yeterli oluyor.

 

MOSFET sürücü devresi ve kayıpları için lütfen Microchip'in AN799 MOSFET Sürücülerini MOSFET'lerle Eşleştirme belgesine bakın. Çok detaylı olduğu için daha fazla yazmayacağım.

 

İletim anında gerilim ve akımın çarpımı çok büyüktür ve büyük kayıplara neden olur. Anahtarlama süresinin azaltılması her iletim sırasındaki kaybı azaltabilir; Anahtarlama frekansının azaltılması birim zamandaki anahtarlama sayısını azaltabilir. Her iki yöntem de anahtarlama kayıplarını azaltabilir.

MOSFET bir FET türüdür (diğeri JFET'tir). Toplam 4 tip olmak üzere geliştirme moduna veya tükenme moduna, P kanalına veya N kanalına dönüştürülebilir. Ancak gerçekte yalnızca geliştirme modu N-kanallı MOSFET kullanılır. ve geliştirme tipi P-kanalı MOSFET, dolayısıyla NMOS veya PMOS genellikle bu iki türü ifade eder.

 

5. MOSFET uygulama devresi?

MOSFET'in en önemli özelliği iyi anahtarlama özellikleridir, bu nedenle anahtarlama güç kaynakları ve motor sürücülerinin yanı sıra aydınlatma karartması gibi elektronik anahtarlar gerektiren devrelerde yaygın olarak kullanılır.

 

Günümüzün MOSFET sürücülerinin bazı özel gereksinimleri vardır:

1. Alçak gerilim uygulaması

5V'luk bir güç kaynağı kullanıldığında, eğer geleneksel bir totem kutup yapısı kullanılırsa, transistör yaklaşık 0,7V'luk bir voltaj düşüşüne sahip olduğundan, geçide uygulanan gerçek nihai voltaj yalnızca 4,3V'dur. Şu anda nominal kapı gücünü seçiyoruz

4.5V MOSFET kullanıldığında belli bir risk vardır. Aynı sorun 3V veya diğer düşük voltajlı güç kaynaklarını kullanırken de ortaya çıkar.

2. Geniş voltaj uygulaması

Giriş voltajı sabit bir değer değildir, zamanla veya diğer faktörlerle değişecektir. Bu değişiklik PWM devresi tarafından MOSFET'e sağlanan sürüş voltajının kararsız olmasına neden olur.

MOSFET'leri yüksek geçit gerilimleri altında güvenli hale getirmek için, birçok MOSFET'te geçit geriliminin genliğini zorla sınırlandıracak yerleşik gerilim regülatörleri bulunur. Bu durumda sağlanan sürüş voltajı, voltaj regülatör tüpünün voltajını aştığında büyük statik güç tüketimine neden olacaktır.

Aynı zamanda, kapı voltajını azaltmak için basitçe direnç voltajının bölünmesi ilkesini kullanırsanız, MOSFET, giriş voltajı nispeten yüksek olduğunda iyi çalışacaktır, ancak giriş voltajı azaldığında, kapı voltajı yetersiz kalacaktır, bu da neden olur. eksik iletim, dolayısıyla güç tüketimi artar.

3. Çift voltaj uygulaması

Bazı kontrol devrelerinde mantık kısmı tipik 5V veya 3,3V dijital voltaj kullanırken, güç kısmı 12V veya daha yüksek bir voltaj kullanır. İki voltaj ortak bir toprağa bağlanır.

Bu, düşük voltaj tarafının yüksek voltaj tarafındaki MOSFET'i etkili bir şekilde kontrol edebilmesi için bir devre kullanma gereksinimini artırır. Aynı zamanda yüksek gerilim tarafındaki MOSFET de 1 ve 2'de belirtilen sorunlarla karşı karşıya kalacaktır.

Bu üç durumda, totem direği yapısı çıkış gereksinimlerini karşılayamaz ve kullanıma hazır MOSFET sürücü IC'lerinin birçoğunun geçit voltajı sınırlama yapıları içermediği görülmektedir.

 

Bu üç ihtiyacı karşılamak için nispeten genel bir devre tasarladım.

​

NMOS için sürücü devresi

Burada sadece NMOS sürücü devresinin basit bir analizini yapacağım:

Vl ve Vh sırasıyla düşük ve üst düzey güç kaynaklarıdır. İki voltaj aynı olabilir ancak Vl, Vh'yi aşmamalıdır.

Q1 ve Q2, izolasyonu sağlamak için ters çevrilmiş bir totem direği oluştururken, iki sürücü tüp Q3 ve Q4'ün aynı anda açılmamasını sağlar.

R2 ve R3, PWM voltaj referansını sağlar. Bu referansı değiştirerek devre, PWM sinyal dalga formunun nispeten dik olduğu bir konumda çalıştırılabilir.

Q3 ve Q4 sürücü akımını sağlamak için kullanılır. Açıldığında, Q3 ve Q4, Vh ve GND'ye göre yalnızca minimum Vce voltaj düşüşüne sahiptir. Bu voltaj düşüşü genellikle yalnızca 0,3V civarındadır ve bu, 0,7V'luk Vce'den çok daha düşüktür.

R5 ve R6, geçit voltajını örneklemek için kullanılan geri besleme dirençleridir. Örneklenen voltaj, Q1 ve Q2'den Q5'e kadar olan tabanlara güçlü bir negatif geri besleme üretir, böylece geçit voltajını sınırlı bir değerle sınırlandırır. Bu değer R5 ve R6 aracılığıyla ayarlanabilir.

Son olarak R1, Q3 ve Q4 için temel akım limitini sağlar ve R4, MOSFET için Q3 ve Q4 Buzunun limiti olan kapı akım limitini sağlar. Gerektiğinde R4'e paralel olarak hızlanma kondansatörü bağlanabilir.

Bu devre aşağıdaki özellikleri sağlar:

1. Yüksek taraftaki MOSFET'i sürmek için düşük taraf voltajını ve PWM'yi kullanın.

2. Yüksek geçit voltajı gereksinimleri olan bir MOSFET'i sürmek için küçük genlikli bir PWM sinyali kullanın.

3. Kapı voltajının tepe sınırı

4. Giriş ve çıkış akımı sınırları

5. Uygun dirençler kullanılarak çok düşük güç tüketimi sağlanabilir.

6. PWM sinyali ters çevrilir. NMOS'un bu özelliğe ihtiyacı yoktur ve önüne bir invertör yerleştirilerek çözülebilir.

Taşınabilir aygıtlar ve kablosuz ürünler tasarlarken, ürün performansını artırmak ve pil ömrünü uzatmak tasarımcıların yüzleşmesi gereken iki konudur. DC-DC dönüştürücüler, yüksek verimlilik, büyük çıkış akımı ve düşük hareketsiz akım avantajlarına sahiptir; bu da onları taşınabilir cihazlara güç sağlamak için çok uygun kılar. Şu anda DC-DC dönüştürücü tasarım teknolojisinin geliştirilmesindeki ana eğilimler şunlardır: (1) Yüksek frekans teknolojisi: Anahtarlama frekansı arttıkça anahtarlama dönüştürücünün boyutu da azalır, güç yoğunluğu da büyük ölçüde artar, ve dinamik tepki geliştirildi. . Düşük güçlü DC-DC dönüştürücülerin anahtarlama frekansı megahertz seviyesine yükselecek. (2) Düşük çıkış voltajı teknolojisi: Yarı iletken üretim teknolojisinin sürekli gelişmesiyle birlikte, mikroişlemcilerin ve taşınabilir elektronik cihazların çalışma voltajı giderek azalmaktadır; bu, gelecekteki DC-DC dönüştürücülerin mikroişlemcilere uyum sağlamak için düşük çıkış voltajı sağlamasını gerektirir. işlemciler ve taşınabilir elektronik cihazlar için gereksinimler.

Bu teknolojilerin gelişimi, güç çip devrelerinin tasarımı için daha yüksek gereksinimleri ortaya çıkarmıştır. Öncelikle anahtarlama frekansı artmaya devam ettikçe anahtarlama elemanlarının performansına yönelik yüksek gereksinimler ortaya çıkmaktadır. Aynı zamanda, anahtarlama elemanlarının MHz'e kadar anahtarlama frekanslarında normal şekilde çalışmasını sağlamak için ilgili anahtarlama elemanı tahrik devreleri sağlanmalıdır. İkincisi, pille çalışan taşınabilir elektronik cihazlar için devrenin çalışma voltajı düşüktür (örnek olarak lityum pilleri alırsak çalışma voltajı 2,5~3,6V'dir), dolayısıyla güç çipinin çalışma voltajı düşüktür.

 

MOSFET'in direnci çok düşüktür ve düşük enerji tüketir. MOSFET, şu anda popüler olan yüksek verimli DC-DC yongalarında sıklıkla güç anahtarı olarak kullanılıyor. Bununla birlikte, MOSFET'in büyük parazitik kapasitansı nedeniyle, NMOS anahtarlama tüplerinin kapı kapasitansı genellikle onlarca pikofarad kadar yüksektir. Bu, yüksek çalışma frekanslı DC-DC dönüştürücü anahtarlama tüpü tahrik devresinin tasarımı için daha yüksek gereksinimleri ortaya koymaktadır.

Düşük voltajlı ULSI tasarımlarında, önyükleme güçlendirme yapılarını ve sürücü devrelerini büyük kapasitif yükler olarak kullanan çeşitli CMOS ve BiCMOS mantık devreleri vardır. Bu devreler, 1V'den daha düşük bir güç kaynağı voltajıyla normal şekilde çalışabilir ve 1 ila 2pF yük kapasitansı ile onlarca megahertz, hatta yüzlerce megahertz frekansında çalışabilir. Bu makalede, düşük voltajlı, yüksek anahtarlama frekanslı güçlendirilmiş DC-DC dönüştürücülere uygun, büyük yük kapasitanslı sürücü kapasitesine sahip bir sürücü devresi tasarlamak için bir önyükleme artırma devresi kullanılmaktadır. Devre Samsung AHP615 BiCMOS prosesi temel alınarak tasarlanmış ve Hspice simülasyonu ile doğrulanmıştır. Besleme voltajı 1,5V ve yük kapasitansı 60pF olduğunda, çalışma frekansı 5MHz'in üzerine çıkabilir.

​

MOSFET anahtarlama özellikleri

​

1. Statik özellikler

MOSFET bir anahtarlama elemanı olarak iki durumda da çalışır: kapalı veya açık. MOSFET voltaj kontrollü bir bileşen olduğundan çalışma durumu esas olarak kapı kaynağı voltajı uGS tarafından belirlenir.

 

Çalışma özellikleri aşağıdaki gibidir:

※ uGS＜açılma voltajı UT: MOSFET kesme alanında çalışır, drenaj kaynağı akımı iDS temel olarak 0'dır, çıkış voltajı uDS≈UDD ve MOSFET "kapalı" durumdadır.

※ uGS>Açma voltajı UT: MOSFET iletim bölgesinde çalışır, drenaj kaynağı akımı iDS=UDD/(RD+rDS). Bunların arasında rDS, MOSFET açıldığında drenaj kaynağı direncidir. Çıkış voltajı UDS=UDD?rDS/(RD+rDS), eğer rDS＜＜RD, uDS≈0V ise MOSFET "açık" durumdadır.

2. Dinamik özellikler

MOSFET'in ayrıca açık ve kapalı durumları arasında geçiş yaparken bir geçiş süreci vardır, ancak dinamik özellikleri esas olarak devre ile ilgili başıboş kapasitansı şarj etmek ve boşaltmak için gereken süreye ve tüpün kendisi açık ve kapalıyken yük birikimi ve deşarjına bağlıdır. Dağılım süresi çok küçüktür.

Giriş voltajı ui yüksekten düşüğe değiştiğinde ve MOSFET açık durumdan kapalı duruma geçtiğinde, güç kaynağı UDD kaçak kapasitansı CL'yi RD'ye ve şarj süresi sabiti τ1=RDCL'ye şarj eder. Bu nedenle, çıkış voltajının düşük seviyeden yüksek seviyeye geçmeden önce belirli bir gecikmeden geçmesi gerekir; giriş voltajı ui düşükten yükseğe değiştiğinde ve MOSFET kapalı durumdan açık duruma geçtiğinde, başıboş kapasitanstaki CL yükü rDS'den geçer. Deşarj, τ2≈rDSCL deşarj zaman sabiti ile gerçekleşir. Uo çıkış voltajının da düşük bir seviyeye geçmeden önce belirli bir gecikmeye ihtiyacı olduğu görülebilir. Ancak rDS, RD'den çok daha küçük olduğundan, kesmeden iletime dönüşüm süresi, iletimden kesmeye kadar olan dönüşüm süresinden daha kısadır.

MOSFET'in açıldığında drenaj kaynağı direnci rDS, transistörün doyma direnci rCES'ten çok daha büyük olduğundan ve harici drenaj direnci RD, transistörün kolektör direncinden RC de daha büyük olduğundan, şarj ve deşarj süresi MOSFET'in uzunluğu daha uzun olduğundan MOSFET'in anahtarlama hızı bir transistörünkinden daha düşüktür. Ancak CMOS devrelerinde hem şarj devresi hem de deşarj devresi düşük dirençli devreler olduğundan şarj ve deşarj işlemleri nispeten hızlıdır ve bu da CMOS devresi için yüksek anahtarlama hızına neden olur.