MOSFET original Basis Wëssen an Applikatioun

Wéi fir firwat Ausschöpfung ModusMOSFETsnet benotzt ginn, ass et net recommandéiert fir op de Buedem ze kommen.

Fir dës zwee Verbesserungsmodus MOSFETs gëtt NMOS méi heefeg benotzt. De Grond ass datt d'On-Resistenz kleng ass an einfach ze fabrizéieren. Dofir gëtt NMOS allgemeng benotzt fir Stroumversuergung a Motordrive Uwendungen ze wiesselen. An der folgender Aféierung gëtt NMOS meeschtens benotzt.

Et gëtt eng parasitär Kapazitéit tëscht den dräi Pins vum MOSFET. Dëst ass net wat mir brauchen, mee ass duerch Fabrikatioun Prozess Aschränkungen verursaacht. D'Existenz vu parasitärer Kapazitéit mécht et méi lästeg beim Design oder Auswiel vun engem Drive Circuit, awer et gëtt kee Wee et ze vermeiden. Mir wäerten et spéider am Detail virstellen.

Et gëtt eng parasitär Diode tëscht dem Drain an der Quell. Dëst gëtt Kierperdiode genannt. Dës Diode ass ganz wichteg wann Dir induktiv Lasten (wéi Motore) féiert. Iwwregens existéiert d'Kierperdiode nëmmen an engem eenzegen MOSFET a gëtt normalerweis net an engem integréierte Circuit Chip fonnt.

 

2. MOSFET Leedung Charakteristiken

Dirigent heescht als Schalter handelen, wat gläichwäerteg ass datt de Schalter zou ass.

D'charakteristesche vun NMOS ass, datt et wäert op wann Vgs ass méi grouss wéi e bestëmmte Wäert. Et ass gëeegent fir ze benotzen wann d'Quell Buedem ass (Low-End Drive), soulaang d'Paartspannung 4V oder 10V erreecht.

D'Charakteristiken vun PMOS sinn, datt et wäert op wann Vgs manner wéi engem bestëmmte Wäert ass, déi fir Situatiounen gëeegent ass, wou d'Quell un VCC verbonne ass (Héich-Enn fueren). Allerdéngs, obwuelPMOSkann einfach als High-End Chauffer benotzt ginn, NMOS gëtt normalerweis an High-End Chauffeuren benotzt wéinst grousser On-Resistenz, héije Präis, a wéineg Ersatztypen.

 

3. MOS schalt Rouer Verloscht

Egal ob et NMOS oder PMOS ass, gëtt et eng On-Resistenz nodeems se ageschalt ass, sou datt de Stroum Energie op dëser Resistenz verbraucht. Dësen Deel vun der verbrauchter Energie gëtt Leitungsverloscht genannt. Wiel vun engem MOSFET mat enger klenger On-Resistenz wäert d'Leedungsverloschter reduzéieren. Haut Low-Power MOSFET On-Resistenz ass allgemeng ongeféier zéng Milliohms, an et ginn och e puer Milliohms.

Wann de MOSFET op an ausgeschalt ass, däerf et net direkt ofgeschloss ginn. D'Spannung iwwer de MOS huet e ofhuelende Prozess, an de fléissende Stroum huet e wuessende Prozess. Während dëser Period huet deMOSFET anVerloscht ass d'Produkt vu Spannung a Stroum, wat Schaltverloscht genannt gëtt. Normalerweis sinn Schaltverloschter vill méi grouss wéi Leitungsverloschter, a wat méi séier d'Schaltfrequenz ass, wat d'Verloschter méi grouss sinn.

D'Produkt vu Spannung a Stroum am Moment vun der Leedung ass ganz grouss, wat grouss Verloschter verursaacht. Ofkierzung vun der Schaltzäit kann de Verloscht während all Leedung reduzéieren; d'Reduktioun vun der Schaltfrequenz kann d'Zuel vun de Schalter pro Unitéit Zäit reduzéieren. Souwuel Methode kann schalt Verloschter reduzéieren.

D'Welleform wann de MOSFET ageschalt ass. Et kann gesi ginn datt d'Produkt vu Spannung a Stroum am Moment vun der Leedung ganz grouss ass, an de verursaachte Verloscht ass och ganz grouss. D'Reduktioun vun der Schaltzäit kann de Verloscht während all Leedung reduzéieren; d'Reduktioun vun der Schaltfrequenz kann d'Zuel vun de Schalter pro Unitéit Zäit reduzéieren. Souwuel Methode kann schalt Verloschter reduzéieren.

 

4. MOSFET Chauffer

Am Verglach mat bipolare Transistoren gëtt et allgemeng ugeholl datt kee Stroum erfuerderlech ass fir e MOSFET auszeschalten, soulaang d'GS Spannung méi héich ass wéi e bestëmmte Wäert. Dëst ass einfach ze maachen, awer mir brauchen och Geschwindegkeet.

Et kann an der Struktur vum MOSFET gesi ginn datt et eng parasitär Kapazitéit tëscht GS an GD ass, an de Fuere vum MOSFET ass tatsächlech d'Laascht an d'Entladung vum Kondensator. Fir de Kondensator ze lueden erfuerdert e Stroum, well de Kondensator am Moment vum Laden als Kuerzschluss ugesi ka ginn, sou datt den momentanen Stroum relativ grouss ass. Déi éischt Saach fir opzepassen wann Dir e MOSFET Chauffer auswielt / designt ass d'Quantitéit vum instantane Kuerzschlussstroum deen et ubitt. an

Déi zweet Saach ze notéieren ass datt NMOS, déi allgemeng fir High-End Fuere benotzt gëtt, brauch datt d'Gatespannung méi grouss ass wéi d'Quellspannung wann et ageschalt gëtt. Wann den High-Side ugedriwwene MOSFET ageschalt ass, ass d'Quellspannung d'selwecht wéi d'Drainspannung (VCC), sou datt d'Gatespannung 4V oder 10V méi grouss ass wéi VCC zu dëser Zäit. Wann Dir wëllt eng Spannung méi grouss wéi VCC am selwechte System ze kréien, Dir braucht eng speziell Schwong Circuit. Vill Motor Chauffeuren hunn integréiert charge Pompelen. Et sollt bemierkt datt e passende externe Kondensator soll ausgewielt ginn fir genuch Kuerzschlussstroum ze kréien fir de MOSFET ze féieren.

 

Déi 4V oder 10V hei uewen ernimmt ass d'Uschaltspannung vun allgemeng benotzte MOSFETs, an natierlech muss e gewësse Spillraum während dem Design erlaabt sinn. A wat méi héich d'Spannung ass, dest méi séier d'Leedungsgeschwindegkeet an dest méi kleng d'Leedungsresistenz. Elo ginn et MOSFETs mat méi klengen Leedungsspannungen, déi a verschiddene Felder benotzt ginn, awer an 12V automobile elektronesche Systemer ass allgemeng 4V Leedung genuch.

 

Fir de MOSFET Chauffer Circuit a seng Verloschter, kuckt w.e.g. Microchip's AN799 Passende MOSFET Treiber op MOSFETs. Et ass ganz detailléiert, also wäert ech net méi schreiwen.

 

D'Produkt vu Spannung a Stroum am Moment vun der Leedung ass ganz grouss, wat grouss Verloschter verursaacht. D'Reduktioun vun der Schaltzäit kann de Verloscht während all Leedung reduzéieren; d'Reduktioun vun der Schaltfrequenz kann d'Zuel vun de Schalter pro Unitéit Zäit reduzéieren. Souwuel Methode kann schalt Verloschter reduzéieren.

MOSFET ass eng Zort FET (déi aner ass JFET). Et kann an Verbesserungsmodus oder Ausarmmodus, P-Kanal oder N-Kanal gemaach ginn, insgesamt 4 Typen. Wéi och ëmmer, nëmmen Verbesserungsmodus N-Kanal MOSFET gëtt tatsächlech benotzt. an Verbesserungstyp P-Kanal MOSFET, sou datt NMOS oder PMOS normalerweis op dës zwou Zorte bezéien.

 

5. MOSFET Applikatioun Circuit?

Déi bedeitendst Charakteristik vu MOSFET ass seng gutt Schalteigenschaften, sou datt et vill a Circuiten benotzt gëtt déi elektronesch Schalter erfuerderen, sou wéi d'Schaltkraaftversuergung a Motorfuerer, souwéi Beliichtungsdimmung.

 

Haut MOSFET Chauffeuren hu verschidde speziell Ufuerderungen:

1. Niddereg Volt Applikatioun

Wann Dir eng 5V Energieversuergung benotzt, wann eng traditionell Totempolstruktur zu dëser Zäit benotzt gëtt, well den Transistor e Spannungsfall vun ongeféier 0,7V huet, ass déi aktuell Finalspannung, déi op de Paart applizéiert gëtt, nëmmen 4,3V. Zu dëser Zäit wielt mir déi nominell Paartkraaft

Et gëtt e gewësse Risiko wann Dir en 4.5V MOSFET benotzt. Dee selwechte Problem geschitt och wann Dir 3V oder aner Low-Volt Energieversuergung benotzt.

2. Breet Volt Applikatioun

D'Input Volt ass net e fixe Wäert, et wäert mat Zäit oder aner Faktoren änneren. Dës Ännerung verursaacht datt d'Fuerspannung, déi vum PWM Circuit un de MOSFET geliwwert gëtt, onbestänneg ass.

Fir MOSFETs sécher ënner héije Gatespannungen ze maachen, hu vill MOSFETs agebaute Spannungsregulatorer fir d'Amplitude vun der Gatespannung kräfteg ze limitéieren. An dësem Fall, wann déi geliwwert Fuerspannung d'Spannung vum Spannungsregulatorröhre iwwerschreift, wäert et e grousse statesche Stroumverbrauch verursaachen.

Zur selwechter Zäit, wann Dir einfach de Prinzip vun der Widerstandsspannung Divisioun benotzt fir d'Gatespannung ze reduzéieren, funktionnéiert de MOSFET gutt wann d'Input Spannung relativ héich ass, awer wann d'Input Volt reduzéiert gëtt, wäert d'Gatespannung net genuch sinn, wat verursaacht onvollstänneg Leedung, doduerch de Stroumverbrauch erhéicht.

3. Dual Volt Applikatioun

A verschiddene Kontrollkreesser benotzt de Logik Deel eng typesch 5V oder 3.3V digital Spannung, während de Kraaftdeel eng Spannung vun 12V oder nach méi héich benotzt. Déi zwee Spannungen si mat engem gemeinsame Buedem ugeschloss.

Dëst erhéicht eng Fuerderung fir e Circuit ze benotzen fir datt d'Nidderspannungssäit effektiv de MOSFET op der Héichspannungssäit kontrolléiere kann. Zur selwechter Zäit wäert de MOSFET op der Héichspannungssäit och d'Problemer konfrontéieren, déi an 1 an 2 ernimmt ginn.

An dësen dräi Fäll kann d'Totempolstruktur net den Ausgangsfuerderunge entspriechen, a vill off-the-shelf MOSFET Driver ICs schéngen net Gatespannungsbegrenzungsstrukturen ze enthalen.

 

Also hunn ech e relativ allgemenge Circuit entworf fir dës dräi Bedierfnesser ze treffen.

an

Driver Circuit fir NMOS

Hei wäert ech nëmmen eng einfach Analyse vum NMOS Chauffer Circuit maachen:

Vl a Vh sinn déi Low-End an High-End Energieversuergung respektiv. Déi zwee Spannungen kënnen d'selwecht sinn, awer Vl sollt net Vh iwwerschreiden.

Q1 an Q2 bilden en ëmgedréint Totempol fir Isolatioun z'erreechen, wärend sécherstellen datt déi zwee Chaufferröhren Q3 a Q4 net gläichzäiteg ageschalt ginn.

R2 an R3 liwweren d'PWM Spannungsreferenz. Andeems Dir dës Referenz ännert, kann de Circuit an enger Positioun bedriwwe ginn, wou d'PWM Signalwelleform relativ steil ass.

Q3 a Q4 gi benotzt fir Stroumstroum ze liwweren. Wann ageschalt, hunn Q3 an Q4 nëmmen e Minimum Spannungsfall vun Vce relativ zu Vh an GND. Dëse Spannungsfall ass normalerweis nëmmen ongeféier 0,3V, wat vill méi niddereg ass wéi de Vce vun 0,7V.

R5 a R6 sinn Feedback Resistors, benotzt fir d'Paartspannung ze probéieren. D'probéiert Spannung generéiert e staarken negativen Feedback op d'Basis vu Q1 a Q2 duerch Q5, sou datt d'Gatespannung op e limitéierte Wäert limitéiert ass. Dëse Wäert kann duerch R5 an R6 ugepasst ginn.

Schlussendlech liwwert R1 d'Basisstroumlimit fir Q3 a Q4, an R4 liwwert d'Gatestroumlimit fir de MOSFET, wat d'Limite vum Ice vu Q3 a Q4 ass. Wann néideg, kann e Beschleunigungskondensator parallel mam R4 verbonne sinn.

Dëse Circuit bitt déi folgend Funktiounen:

1. Benotzt Low-Side Volt a PWM fir den High-Side MOSFET ze fueren.

2. Benotzt e klengen Amplitude PWM-Signal fir e MOSFET mat héije Gatespannungsfuerderungen ze fueren.

3. Peak Limite vun Gate Volt

4. Input an Output aktuell Grenzen

5. Andeems Dir entspriechend Widderstänn benotzt, kann e ganz nidderegen Energieverbrauch erreecht ginn.

6. De PWM Signal gëtt ëmgedréint. NMOS brauch dës Fonktioun net a ka geléist ginn andeems en en Inverter virun setzt.

Wann Dir portable Geräter a drahtlose Produkter designt, d'Produktleistung verbesseren an d'Batteriedauer verlängeren sinn zwee Themen déi Designer musse konfrontéieren. DC-DC Konverter hunn d'Virdeeler vun héijer Effizienz, grousser Ausgangsstroum a gerénger Roustroum, sou datt se ganz gëeegent sinn fir portable Geräter z'ënnerstëtzen. Am Moment sinn d'Haapttrends an der Entwécklung vun DC-DC Konverter Design Technologie: (1) Héichfrequenz Technologie: Wéi d'Schaltfrequenz eropgeet, gëtt d'Gréisst vum Schaltkonverter och reduzéiert, d'Kraaftdicht ass och staark erhéicht, an déi dynamesch Äntwert gëtt verbessert. . D'Schaltfrequenz vu Low-Power DC-DC Konverter wäert op de Megahertz Niveau eropgoen. (2) Niddereg Ausgangsspannungstechnologie: Mat der kontinuéierlecher Entwécklung vun der Halbleiter Fabrikatiounstechnologie gëtt d'Betribsspannung vu Mikroprozessoren a portablen elektroneschen Apparater ëmmer méi niddereg, wat zukünfteg DC-DC Konverter erfuerdert fir niddereg Ausgangsspannung ze bidden fir un Mikroprozessoren unzepassen. Ufuerderunge fir Prozessoren a portable elektronesch Geräter.

D'Entwécklung vun dësen Technologien huet méi héich Ufuerderunge fir den Design vu Power Chip Circuits virgestallt. Als éischt, wéi d'Schaltfrequenz weider eropgeet, ginn héich Ufuerderungen un d'Leeschtung vun de Schaltelementer gesat. Zur selwechter Zäit musse entspriechend Schaltelementdrivkreesser geliwwert ginn fir sécherzestellen datt d'Schaltelementer normalerweis bei Schaltfrequenzen bis MHz funktionnéieren. Zweetens, fir Batterie ugedriwwen portable elektronesch Geräter, ass d'Aarbechtsspannung vum Circuit niddereg (Lithium Batterien als Beispill huelen, d'Aarbechtsspannung ass 2,5 ~ 3,6V), dofir ass d'Aarbechtsspannung vum Power Chip niddereg.

 

MOSFET huet ganz niddereg On-Resistenz a verbraucht niddereg Energie. MOSFET gëtt dacks als Stroumschalter an aktuell populäre High-Effizienz DC-DC Chips benotzt. Wéi och ëmmer, wéinst der grousser parasitärer Kapazitéit vu MOSFET, ass d'Gate Kapazitéit vun NMOS Schalterröhren allgemeng sou héich wéi Zénger vu Picofarads. Dëst stellt méi héich Ufuerderunge fir den Design vun héije Betribsfrequenz DC-DC Konverter Schaltröhre Drive Circuit.

A Low-Volt ULSI Designs ginn et eng Vielfalt vu CMOS a BiCMOS Logik Circuits mat Bootstrap Boost Strukturen a Drive Circuiten als grouss kapazitiv Lasten. Dës Circuits kënnen normalerweis mat enger Energieversuergungsspannung manner wéi 1V funktionnéieren, a kënne mat enger Frequenz vun zéng Megahertz oder souguer Honnerte vu Megahertz mat enger Laaskapazitéit vun 1 bis 2pF operéieren. Dësen Artikel benotzt e Bootstrap Boost Circuit fir e Drive Circuit mat grousser Laaschtkapazitéit Drive ze designen, déi fir niddereg Volt gëeegent ass, héich Schaltfrequenz Boost DC-DC Converter. De Circuit ass entwéckelt baséiert op Samsung AHP615 BiCMOS Prozess a verifizéiert duerch Hspice Simulatioun. Wann d'Versuergungsspannung 1.5V ass an d'Laaskapazitanz 60pF ass, kann d'Betribsfrequenz méi wéi 5MHz erreechen.

an

MOSFET schalt Charakteristiken

an

1. Statesch Charakteristiken

Als Schaltelement funktionnéiert MOSFET och an zwee Staaten: aus oder op. Zënter MOSFET e Spannungskontrolléierte Komponent ass, gëtt säin Aarbechtszoustand haaptsächlech vun der Gate-Quellspannung uGS bestëmmt.

 

D'Aarbechtseigenschaften sinn wéi follegt:

※ uGS＜Turn-on Volt UT: MOSFET funktionnéiert am ofgeschniddene Beräich, den Drain-Quellstroum iDS ass grondsätzlech 0, d'Ausgangsspannung uDS≈UDD, an de MOSFET ass am "Off" Zoustand.

※ uGS>Uschaltspannung UT: MOSFET funktionnéiert an der Leedungsregioun, Drain-Quellstroum iDS=UDD/(RD+rDS). Ënner hinnen ass rDS d'Drain-Quellresistenz wann de MOSFET ageschalt ass. D'Ausgangsspannung UDS=UDD?rDS/(RD+rDS), wann rDS＜＜RD, uDS≈0V, ass de MOSFET am "on" Zoustand.

2. Dynamesch Charakteristiken

MOSFET huet och en Iwwergangsprozess beim Wiessel tëscht On an Off Staaten, awer seng dynamesch Charakteristiken hänken haaptsächlech vun der Zäit of, déi néideg ass fir d'Strahkapazitanz am Zesummenhang mam Circuit ze laden an ze entlaaschten, an d'Ladeakkumulatioun an d'Entladung wann d'Röhre selwer un an aus ass D'Dissipatiounszäit ass ganz kleng.

Wann d'Input Spannung ui vun héich op niddereg ännert an de MOSFET vum On-Status an den Off-Staat ännert, läscht d'Energieversuergung UDD d'Sträifkapazitanz CL duerch RD, an d'Ladezäitkonstant τ1 = RDCL. Dofir muss d'Ausgangsspannung uo duerch eng gewësse Verzögerung goen ier se vun engem nidderegen Niveau op héijen Niveau ännert; wann d'Input Volt ui Ännerungen aus niddereg ze héich an der MOSFET Ännerungen aus dem Off Staat an der op Staat, der charge op der stray capacitance CL duerch rDS Passéiert Offlossquantitéit mat enger Offlossquantitéit Zäit konstante τ2≈rDSCL. Et kann gesi ginn datt d'Ausgangsspannung Uo och e gewësse Verzögerung brauch ier se op en nidderegen Niveau kann iwwergoen. Awer well rDS vill méi kleng ass wéi RD, ass d'Konversiounszäit vum Ofschnëtt op d'Leedung méi kuerz wéi d'Konversiounszäit vun der Leedung op d'Ofschnëtt.

Zënter datt d'Drain-Quellresistenz rDS vum MOSFET wann en ageschalt ass vill méi grouss ass wéi d'Sättigungsresistenz rCES vum Transistor, an déi extern Drainresistenz RD ass och méi grouss wéi d'Kollektorresistenz RC vum Transistor, ass d'Laden an d'Entladungszäit vum MOSFET ass méi laang, sou datt de MOSFET D'Schaltgeschwindegkeet ass méi niddereg wéi déi vun engem Transistor. Wéi och ëmmer, a CMOS Circuiten, well de Ladekrees an den Entladungskrees béid niddereg-Resistenzkreesser sinn, sinn d'Laden an d'Entladungsprozesser relativ séier, wat zu enger héijer Schaltgeschwindegkeet fir den CMOS Circuit resultéiert.