MOSFET cunniscenza di basa originale è applicazione

In quantu à u modu di depletionMOSFETùn sò micca usati, ùn hè micca cunsigliatu per ghjunghje sin'à u fondu.

Per questi dui MOSFET in modu di rinfurzà, NMOS hè più comunmente utilizatu. U mutivu hè chì a resistenza hè chjuca è faciule di fabricazione. Dunque, NMOS hè generalmente utilizatu in l'applicazioni di l'alimentazione di l'alimentazione è di l'accionamentu di u mutore. In a seguente introduzione, NMOS hè soprattuttu utilizatu.

Ci hè una capacità parasita trà i trè pin di u MOSFET. Questu hè micca ciò chì avemu bisognu, ma hè causatu da limitazioni di u prucessu di fabricazione. L'esistenza di a capacità parassita rende più fastidiosa quandu si cuncepisce o selezziunate un circuitu di drive, ma ùn ci hè manera di evitari. Avemu da presentà in dettagliu dopu.

Ci hè un diodu parasiticu trà u drenu è a fonte. Questu hè chjamatu u diodu di u corpu. Stu diodu hè assai impurtante quandu conduce carichi induttivi (cum'è mutori). A propositu, u diodu di u corpu esiste solu in un solu MOSFET è ùn si trova di solitu in un chip di circuit integratu.

 

2. caratteristiche di cunduzzione MOSFET

Conduzzione significa agisce cum'è un switch, chì hè equivalente à u switch chì hè chjusu.

A caratteristica di NMOS hè chì si accende quandu Vgs hè più grande di un certu valore. Hè adattatu per l'usu quandu a surgente hè messa in terra (unità low-end), sempre chì a tensione di a porta righjunghji 4V o 10V.

E caratteristiche di PMOS sò chì si accende quandu Vgs hè menu di un certu valore, chì hè adattatu per situazioni induve a fonte hè cunnessa à VCC (high-end drive). Tuttavia, anche sePMOSpò esse facilmente utilizatu cum'è un driver high-end, NMOS hè di solitu usatu in driver high-end per via di grande resistenza, prezzu altu, è pochi tipi di rimpiazzamentu.

 

3. Perdita di tubu MOS switch

Ch'ella sia NMOS o PMOS, ci hè una resistenza dopu chì hè attivatu, cusì u currente cunsumerà energia nantu à sta resistenza. Sta parte di l'energia cunsumata hè chjamata perdita di cunduzzione. A scelta di un MOSFET cù una piccula resistenza à a resistenza riducerà e perdite di cunduzzione. A resistenza MOSFET di bassa putenza d'oghje hè generalmente intornu à decine di milliohms, è ci sò ancu parechji milliohms.

Quandu u MOSFET hè attivatu è disattivatu, ùn deve esse cumpletu istantaneamente. A tensione à traversu u MOS hà un prucessu decrescente, è u currente flussu hà un prucessu crescente. Duranti stu periodu, uMOSFETa perdita hè u pruduttu di tensione è currente, chì hè chjamatu perdita di commutazione. Di solitu, i perditi di cunversione sò assai più grande di i perditi di cunduzzione, è più veloce hè a freccia di commutazione, più grande sò e perdite.

U pruduttu di voltage è currente à u mumentu di a cunduzzione hè assai grande, causannu granni pèrdite. Accurtà u tempu di cambiamentu pò riduce a perdita durante ogni cunduzione; riducendu a frequenza di commutazione pò riduce u numeru di switches per unità di tempu. I dui metudi ponu riduce e perdite di cambiamentu.

A forma d'onda quandu u MOSFET hè attivatu. Pò esse vistu chì u pruduttu di tensione è currente in u mumentu di cunduzzione hè assai grande, è a perdita causata hè ancu assai grande. A riduzione di u tempu di cambiamentu pò riduce a perdita durante ogni cunduzione; riducendu a frequenza di commutazione pò riduce u numeru di switches per unità di tempu. I dui metudi ponu riduce e perdite di cambiamentu.

 

4. MOSFET driver

In cunfrontu cù i transistori bipolari, in generale, si crede chì nisuna corrente hè necessaria per accende un MOSFET, sempre chì a tensione GS hè più altu di un certu valore. Questu hè faciule fà, ma avemu ancu bisognu di rapidità.

Pò esse vistu in a struttura di u MOSFET chì ci hè una capacità parasita trà GS è GD, è a guida di u MOSFET hè in realtà a carica è a scarica di u condensatore. A carica di u condensatore richiede un currente, perchè u condensatore pò esse cunsideratu cum'è un cortu circuitu à u mumentu di a carica, cusì u currente istantaneu serà relativamente grande. A prima cosa chì deve esse attentu quandu selezziunate / cuncepimentu di un driver MOSFET hè a quantità di corrente istantanea di cortu circuitu chì pò furnisce. .

A seconda cosa da nutà hè chì NMOS, chì hè comunmente utilizatu per a guida high-end, hà bisognu di a tensione di a porta per esse più grande di a tensione di fonte quandu hè attivata. Quandu u MOSFET guidatu à u latu altu hè attivatu, a tensione di fonte hè uguale à a tensione di drenu (VCC), cusì a tensione di a porta hè 4V o 10V più grande di VCC in questu mumentu. Se vulete ottene una tensione più grande di VCC in u stessu sistema, avete bisognu di un circuitu di spinta speciale. Parechji mutori di mutore anu integratu pompe di carica. Si deve esse nutatu chì un capacitore esternu appropritatu deve esse sceltu per ottene un currente di cortu-circuitu abbastanza per guidà u MOSFET.

 

U 4V o 10V citatu sopra hè a tensione di attivazione di i MOSFET cumunimenti utilizati, è di sicuru un certu marghjenu deve esse permessu durante u disignu. E più altu hè a tensione, più veloce hè a velocità di cunduzzione è più chjuca a resistenza di cunduzzione. Avà ci sò MOSFET cù tensioni di cunduzzione più chjuche utilizati in diversi campi, ma in i sistemi elettronici di l'automobile 12V, in generale a conduction 4V hè abbastanza.

 

Per u circuitu di driver MOSFET è e so perdite, fate riferimentu à Microchip AN799 Matching MOSFET Drivers to MOSFETs. Hè assai detallatu, cusì ùn scriveraghju più.

 

U pruduttu di voltage è currente à u mumentu di a cunduzzione hè assai grande, causannu granni pèrdite. A riduzione di u tempu di cambiamentu pò riduce a perdita durante ogni cunduzione; riducendu a frequenza di commutazione pò riduce u numeru di switches per unità di tempu. I dui metudi ponu riduce e perdite di cambiamentu.

MOSFET hè un tipu di FET (l'altru hè JFET). Pò esse fattu in modu di rinfurzà o in modu di depletion, P-channel o N-channel, un totale di 4 tipi. Tuttavia, solu MOSFET di canale N in modu di rinforzamentu hè in realtà utilizatu. è MOSFET di canale P di tipu di rinfurzà, cusì NMOS o PMOS sò generalmente riferiti à sti dui tipi.

 

5. circuitu applicazione MOSFET?

A caratteristica più significativa di MOSFET hè e so boni caratteristiche di commutazione, per quessa hè largamente utilizata in i circuiti chì necessitanu interruttori elettronichi, cum'è l'alimentazione di alimentazione è l'azzione di mutore, è ancu di dimming di l'illuminazione.

 

I driver MOSFET d'oghje anu parechje esigenze speciali:

1. Applicazione Low voltage

Quandu aduprate una alimentazione 5V, se una struttura tradiziunale di totem pole hè usata in questu tempu, postu chì u transistor hà una caduta di tensione di circa 0.7V, a tensione finale attuale applicata à a porta hè solu 4.3V. À questu tempu, scegliemu a putenza nominale di a porta

Ci hè un certu risicu quandu si usa un MOSFET 4.5V. U listessu prublema si trova ancu quandu si usa 3V o altre suminatu di bassa tensione.

2. Applicazione di tensione larga

A tensione di input ùn hè micca un valore fissu, cambierà cù u tempu o altri fattori. Stu cambiamentu face chì a tensione di guida furnita da u circuitu PWM à u MOSFET per esse inestabile.

Per fà i MOSFET sicuri sottu tensioni di porta elevate, parechji MOSFET anu regulatori di tensione integrati per limità in forza l'amplitude di a tensione di porta. In questu casu, quandu a tensione di guida furnita supera a tensione di u tubu regulatore di tensione, pruvucarà un grande cunsumu di energia statica.

À u listessu tempu, se simpricimenti aduprate u principiu di a divisione di tensione di resistenza per riduce a tensione di a porta, u MOSFET hà da travaglià bè quandu a tensione d'ingressu hè relativamente alta, ma quandu a tensione d'ingressu hè ridutta, a tensione di a porta serà insufficiente, causando cunduzzione incompleta, aumentandu cusì u cunsumu di energia.

3. Dual voltage dumanda

In certi circuiti di cuntrollu, a parte logica usa una tensione digitale tipica di 5V o 3.3V, mentre chì a parte di putenza usa una tensione di 12V o ancu più altu. I dui voltaggi sò cunnessi à una terra cumuna.

Questu suscite un requisitu di utilizà un circuitu per chì u latu di bassa tensione pò cuntrullà efficacemente u MOSFET in u latu d'alta tensione. À u listessu tempu, u MOSFET in u latu d'alta tensione hà ancu affruntà i prublemi citati in 1 è 2.

In questi trè casi, a struttura di totem pole ùn pò micca risponde à i requisiti di output, è parechji IC di driver MOSFET off-the-shelf ùn parenu micca include strutture limitanti di tensione di porta.

 

Allora aghju cuncepitu un circuitu relativamente generale per risponde à questi trè bisogni.

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Circuitu di driver per NMOS

Eccu solu fà un analisi simplice di u circuitu di driver NMOS:

Vl è Vh sò rispettivamente l'alimentarii di bassa è alta. I dui voltaggi ponu esse listessi, ma Vl ùn deve micca più di Vh.

Q1 è Q2 formanu un totem pole invertitu per ottene l'isolamentu mentre assicurendu chì i dui tubi di driver Q3 è Q4 ùn si accendenu micca à u stessu tempu.

R2 è R3 furnisce a riferenza di tensione PWM. Cambiendu sta riferenza, u circuitu pò esse operatu in una pusizione induve a forma d'onda di u signale PWM hè relativamente ripida.

Q3 è Q4 sò usati per furnisce u currente di u drive. Quandu sò attivati, Q3 è Q4 anu solu una caduta di tensione minima di Vce relative à Vh è GND. Questa caduta di tensione hè di solitu solu circa 0.3V, chì hè assai più bassu di u Vce di 0.7V.

R5 è R6 sò resistori di feedback, usati per campionà a tensione di a porta. A tensione campionata genera un forte feedback negativu à e basi di Q1 è Q2 à Q5, limitendu cusì a tensione di porta à un valore limitatu. Stu valore pò esse aghjustatu attraversu R5 è R6.

Infine, R1 furnisce u limitu di corrente di basa per Q3 è Q4, è R4 furnisce u limitu di corrente di porta per u MOSFET, chì hè u limitu di u Ghiaccio di Q3 è Q4. Se necessariu, un condensatore di accelerazione pò esse cunnessu in parallelu à R4.

Stu circuitu furnisce e seguenti caratteristiche:

1. Aduprate a tensione bassa è PWM per guidà u MOSFET high-side.

2. Aduprate un signalu PWM di piccula amplitude per guidà un MOSFET cù esigenze di alta tensione di porta.

3. Peak limite di tensione di porta

4. Limiti di currenti di input è output

5. By usendu resistors apprupriati, assai bassu cunsumu putenza pò esse rializatu.

6. U signale PWM hè invertitu. NMOS ùn hà micca bisognu di sta funzione è pò esse risolta mettendu un inverter in fronte.

Quandu cuncepimentu di dispositivi portatili è prudutti wireless, migliurà u rendiment di u produttu è allargà a vita di a batteria sò dui prublemi chì i diseggiani anu da affruntà. I cunvertitori DC-DC anu i vantaghji di l'alta efficienza, a grande corrente di output, è a bassa corrente di quiescent, chì li facenu assai adattati per l'alimentazione di i dispositi portatili. Attualmente, i principali tendenzi in u sviluppu di a tecnulugia di cunversione DC-DC sò: (1) Tecnulugia d'alta frequenza: cum'è a frequenza di commutazione aumenta, a dimensione di u cunvertitore di commutazione hè ancu ridutta, a densità di putenza hè ancu assai aumentata, è a risposta dinamica hè migliurata. . A frequenza di cunversione di i cunvertitori DC-DC di bassa putenza aumenterà à u livellu di megahertz. (2) Tecnulugia di bassa tensione di output: Cù u sviluppu cuntinuu di a tecnulugia di fabricazione di semiconduttori, a tensione di u funziunamentu di i microprocessori è di i dispositi elettronici portatili hè sempre più bassa, chì esige futuri cunvertitori DC-DC per furnisce una tensione di uscita bassa per adattà à i microprocessori. esigenze per i prucessori è i dispositi elettronichi portatili.

U sviluppu di sti tecnulugii hà presentatu esigenze più altu per u disignu di circuiti di chip di putenza. Prima di tuttu, cum'è a frequenza di commutazione cuntinueghja à aumentà, i requisiti elevati sò posti nantu à a prestazione di elementi di commutazione. À u listessu tempu, i circuiti di cunversione di l'elementu di commutazione currispundenti deve esse furniti per assicurà chì l'elementi di commutazione funzionanu normalmente à frequenze di commutazione finu à MHz. Siconda, per i dispositi elettronichi portatili alimentati da a batteria, a tensione di travagliu di u circuitu hè bassu (pigliendu e batterie di lithium per esempiu, a tensione di travagliu hè 2.5 ~ 3.6V), per quessa, a tensione di travagliu di u chip di putenza hè bassa.

 

MOSFET hà una resistenza assai bassa è cunsuma poca energia. MOSFET hè spessu usatu cum'è un interruttore di putenza in chip DC-DC d'alta efficienza attualmente populari. Tuttavia, a causa di a grande capacità parassita di MOSFET, a capacità di a porta di i tubi di commutazione NMOS hè in generale quant'è decine di picofarads. Questu presenta esigenze più elevate per u disignu di un circuitu di trasmissione di tubu di commutazione di convertitore DC-DC à alta frequenza operativa.

In i disinni ULSI di bassa tensione, ci sò una varietà di circuiti logici CMOS è BiCMOS chì utilizanu strutture di boost bootstrap è circuiti di guida cum'è grandi carichi capacitivi. Questi circuiti ponu operare nurmale cù una tensione di alimentazione più bassa di 1V, è ponu operare à una freccia di decine di megahertz o ancu centinaie di megahertz cù una capacità di carica di 1 à 2pF. Questu articulu usa un circuitu di boost bootstrap per cuncepisce un circuitu di unità cù una grande capacità di capacità di carica chì hè adattatu per i convertitori DC-DC à bassa tensione è alta frequenza di commutazione. U circuitu hè cuncepitu basatu annantu à u prucessu Samsung AHP615 BiCMOS è verificatu da a simulazione Hspice. Quandu a tensione di furnimentu hè 1.5V è a capacità di carica hè 60pF, a frequenza operativa pò ghjunghje à più di 5MHz.

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Caratteristiche di commutazione MOSFET

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1. Caratteristichi statichi

Cum'è un elementu di commutazione, MOSFET funziona ancu in dui stati: off o on. Siccomu MOSFET hè un cumpunente cuntrullatu da a tensione, u so statu di travagliu hè principalmente determinatu da a tensione di u gate-source uGS.

 

E caratteristiche di u travagliu sò i seguenti:

※ uGS＜tensione di accensione UT: MOSFET funziona in l'area di cut-off, l'iDS corrente di drenu-source hè basicamente 0, a tensione di output uDS≈UDD, è u MOSFET hè in u statu "off".

※ uGS>Turn-on voltage UT: MOSFET travaglia in a regione di cunduzzione, drain-source current iDS=UDD/(RD+rDS). Frà elli, rDS hè a resistenza di drain-source quandu u MOSFET hè attivatu. A tensione di uscita UDS=UDD?rDS/(RD+rDS), se rDS＜＜RD, uDS≈0V, u MOSFET hè in u statu "on".

2. Caratteristichi dinamichi

MOSFET hà ancu un prucessu di transizione quandu cambia trà stati on and off, ma e so caratteristiche dinamiche dipendenu principalmente da u tempu necessariu per carica è scaricate a capacità vaga ligata à u circuitu, è l'accumulazione di carica è scaricamentu quandu u tubu stessu hè on è off. U tempu di dissipazione hè assai chjucu.

Quandu a tensione di ingressu ui cambia da alta à bassa è u MOSFET cambia da u statu on à u statu off, l'alimentazione UDD carica a capacità vaga CL attraversu RD, è a constante di tempu di carica τ1 = RDCL. Per quessa, u voltage output uo ci vole à passà per un certu ritardu prima di cambià da livellu bassu à livellu altu; quandu u voltage input ui cambia da bassu à altu è u MOSFET cambia da u statu off à u statu on, a carica nantu à a capacità diffusa CL passa per rDS. Si pò vede chì u voltage output Uo dinù bisognu di un certu ritardu nanzu si pò transizione à un livellu bassu. Ma perchè rDS hè assai più chjuca di RD, u tempu di cunversione da cut-off à cunduzzione hè più corta ch'è u tempu di cunversione da cunduzzione à cut-off.

Siccomu a resistenza di drenu-surghjente rDS di u MOSFET quandu hè attivatu hè assai più grande di a resistenza di saturazione rCES di u transistor, è a resistenza di drain esterna RD hè ancu più grande di a resistenza di cullettore RC di u transistor, u tempu di carica è scaricamentu. di u MOSFET hè più longu, facendu u MOSFET A vitezza di cunversione hè più bassu di quellu di un transistor. In ogni casu, in i circuiti CMOS, postu chì u circuitu di carica è u circuitu di scaricamentu sò tramindui circuiti di bassa resistenza, i prucessi di carica è di scaricamentu sò relativamente veloci, risultatu in una alta velocità di commutazione per u circuitu CMOS.