MOSFET orihinal nga sukaranan nga kahibalo ug aplikasyon

Kon nganong depletion modeMga MOSFETwala gigamit, dili girekomenda nga makuha ang ilawom niini.

Alang niining duha ka enhancement-mode MOSFETs, ang NMOS mas kasagarang gigamit. Ang rason mao nga ang on-resistance gamay ug sayon ​​sa paghimo. Busa, ang NMOS kasagarang gigamit sa pagbalhin sa suplay sa kuryente ug mga aplikasyon sa motor drive. Sa mosunod nga pasiuna, ang NMOS kasagarang gigamit.

Adunay usa ka parasitic capacitance tali sa tulo ka mga lagdok sa MOSFET. Dili kini ang atong gikinahanglan, apan tungod sa mga limitasyon sa proseso sa paggama. Ang paglungtad sa parasitic capacitance naghimo niini nga mas makasamok sa diha nga ang pagdesinyo o pagpili sa usa ka drive circuit, apan walay paagi sa paglikay niini. Atong ipaila kini sa detalye sa ulahi.

Adunay usa ka parasitic diode tali sa kanal ug tinubdan. Gitawag kini nga body diode. Kini nga diode hinungdanon kaayo kung magmaneho sa mga inductive load (sama sa mga motor). Pinaagi sa dalan, ang body diode anaa lamang sa usa ka MOSFET ug kasagaran dili makita sulod sa integrated circuit chip.

 

2. MOSFET conduction nga mga kinaiya

Ang pagpahigayon nagpasabut nga molihok ingon usa ka switch, nga katumbas sa switch nga sirado.

Ang kinaiya sa NMOS mao nga kini mo-on kung ang Vgs mas dako pa sa usa ka piho nga kantidad. Angayan kini nga gamiton kung ang tinubdan gi-grounded (low-end drive), basta ang boltahe sa ganghaan moabot sa 4V o 10V.

Ang mga kinaiya sa PMOS mao nga kini mo-on kung ang Vgs gamay ra sa usa ka piho nga kantidad, nga angay alang sa mga sitwasyon diin ang gigikanan konektado sa VCC (high-end drive). Bisan pa, bisan paPMOSmahimong dali gamiton ingon usa ka high-end nga drayber, ang NMOS kasagarang gigamit sa mga high-end nga mga drayber tungod sa dako nga on-resistance, taas nga presyo, ug pipila ka mga puli nga tipo.

 

3. MOS switch tubo pagkawala

Kung kini NMOS o PMOS, adunay usa ka on-resistance human kini ma-on, mao nga ang kasamtangan mag-ut-ot sa enerhiya niini nga resistensya. Kini nga bahin sa enerhiya nga gigamit gitawag nga pagkawala sa conduction. Ang pagpili sa usa ka MOSFET nga adunay gamay nga on-resistance makapakunhod sa pagkawala sa conduction. Ang karon nga low-power nga MOSFET on-resistance sa kasagaran mga napulo ka milliohms, ug adunay usab daghang milliohms.

Kung ang MOSFET gi-on ug gi-off, kinahanglan dili kini makompleto dayon. Ang boltahe sa tibuok MOS adunay usa ka pagkunhod sa proseso, ug ang nagaagay nga kasamtangan adunay usa ka pagtaas sa proseso. Niini nga panahon, angMga MOSFETAng pagkawala mao ang produkto sa boltahe ug kasamtangan, nga gitawag nga pagkawala sa switch. Kasagaran ang mga pagkawala sa pagbalhin labi ka dako kaysa pagkawala sa pagpadagan, ug kung mas paspas ang frequency sa pagbalhin, labi ka daghan ang mga pagkawala.

Ang produkto sa boltahe ug kasamtangan sa panahon sa pagpaagi dako kaayo, hinungdan sa dakong pagkawala. Ang pagpamubo sa oras sa pagbalhin makapakunhod sa pagkawala sa matag pagpaagi; ang pagkunhod sa frequency sa switching makapakunhod sa gidaghanon sa mga switch kada yunit sa oras. Ang duha nga mga pamaagi makapakunhod sa pagkawala sa pagbalhin.

Ang waveform kung ang MOSFET gi-on. Makita nga ang produkto sa boltahe ug kasamtangan sa panahon sa pagpaagi dako kaayo, ug ang pagkawala nga gipahinabo dako usab kaayo. Ang pagkunhod sa oras sa pagbalhin makapakunhod sa pagkawala sa matag pagpaagi; ang pagkunhod sa frequency sa switching makapakunhod sa gidaghanon sa mga switch kada yunit sa oras. Ang duha nga mga pamaagi makapakunhod sa pagkawala sa pagbalhin.

 

4. MOSFET drayber

Kung itandi sa mga bipolar transistor, kasagarang gituohan nga walay kasamtangan nga gikinahanglan aron ma-on ang usa ka MOSFET, basta ang boltahe sa GS mas taas kaysa usa ka piho nga kantidad. Kini sayon ​​nga buhaton, apan kinahanglan usab nato ang katulin.

Makita kini sa istruktura sa MOSFET nga adunay usa ka parasitic capacitance tali sa GS ug GD, ug ang pagmaneho sa MOSFET mao ang tinuud nga bayad ug pag-discharge sa kapasitor. Ang pag-charge sa kapasitor nagkinahanglan og usa ka kasamtangan, tungod kay ang kapasitor mahimong isipon nga usa ka mubo nga sirkito sa panahon sa pag-charge, mao nga ang dali nga kasamtangan mahimong medyo dako. Ang una nga butang nga hatagan pagtagad kung nagpili / nagdesinyo sa usa ka drayber sa MOSFET mao ang kantidad sa dali nga short-circuit nga karon nga mahatag niini. nga

Ang ikaduha nga butang nga timan-an mao nga ang NMOS, nga sagad gigamit alang sa high-end nga pagmaneho, kinahanglan ang boltahe sa ganghaan nga labi ka dako sa boltahe sa gigikanan kung gi-on. Kung gi-on ang high-side driven MOSFET, ang gigikanan nga boltahe parehas sa boltahe sa kanal (VCC), mao nga ang boltahe sa ganghaan 4V o 10V nga labi ka dako sa VCC karong panahona. Kung gusto nimo makakuha usa ka boltahe nga mas dako kaysa VCC sa parehas nga sistema, kinahanglan nimo ang usa ka espesyal nga circuit sa pagpadako. Daghang mga drayber sa motor ang nag-integrate sa mga bomba sa bayad. Kinahanglan nga matikdan nga ang usa ka angay nga eksternal nga kapasitor kinahanglan nga pilion aron makakuha og igo nga short-circuit nga kasamtangan nga magmaneho sa MOSFET.

 

Ang 4V o 10V nga gihisgutan sa ibabaw mao ang turn-on nga boltahe sa kasagarang gigamit nga MOSFET, ug siyempre ang usa ka margin kinahanglan nga tugutan sa panahon sa disenyo. Ug kon mas taas ang boltahe, mas paspas ang tulin sa pagpadagan ug mas gamay ang pagsukol sa pagpadagan. Karon adunay mga MOSFET nga adunay gagmay nga mga boltahe sa pagpadagan nga gigamit sa lainlaing mga natad, apan sa 12V automotive electronic system, kasagaran ang 4V conduction igo na.

 

Para sa MOSFET driver circuit ug sa mga pagkawala niini, palihog tan-awa ang Microchip's AN799 Matching MOSFET Drivers to MOSFETs. Detalyado kaayo kini, mao nga dili na ako mosulat ug dugang.

 

Ang produkto sa boltahe ug kasamtangan sa panahon sa pagpaagi dako kaayo, hinungdan sa dakong pagkawala. Ang pagkunhod sa oras sa pagbalhin makapakunhod sa pagkawala sa matag pagpaagi; ang pagkunhod sa frequency sa switching makapakunhod sa gidaghanon sa mga switch kada yunit sa oras. Ang duha nga mga pamaagi makapakunhod sa pagkawala sa pagbalhin.

Ang MOSFET usa ka matang sa FET (ang lain mao ang JFET). Mahimo kini nga enhancement mode o depletion mode, P-channel o N-channel, sa kinatibuk-an nga 4 ka matang. Apan, ang enhancement-mode nga N-channel MOSFET ra ang aktuwal nga gigamit. ug enhancement-type nga P-channel MOSFET, mao nga ang NMOS o PMOS kasagarang nagtumong niining duha ka matang.

 

5. MOSFET application circuit?

Ang labing hinungdanon nga kinaiya sa MOSFET mao ang maayo nga mga kinaiya sa pagbalhin, mao nga kini kaylap nga gigamit sa mga sirkito nga nanginahanglan mga elektronik nga switch, sama sa pagbalhin sa mga suplay sa kuryente ug mga drive sa motor, ingon man ang pag-dimming sa suga.

 

Ang mga drayber sa MOSFET karon adunay daghang espesyal nga kinahanglanon:

1. Ubos nga boltahe nga aplikasyon

Kung gigamit ang usa ka 5V nga suplay sa kuryente, kung ang usa ka tradisyonal nga istruktura sa totem pole gigamit karon, tungod kay ang transistor adunay usa ka boltahe nga drop sa mga 0.7V, ang tinuud nga katapusan nga boltahe nga gigamit sa ganghaan mao ra ang 4.3V. Niini nga panahon, gipili namon ang nominal nga gahum sa ganghaan

Adunay usa ka piho nga peligro kung mogamit usa ka 4.5V MOSFET. Ang parehas nga problema mahitabo usab kung mogamit 3V o uban pang mga suplay sa kuryente nga ubos ang boltahe.

2. Lapad nga boltahe nga aplikasyon

Ang input boltahe dili usa ka piho nga kantidad, kini mausab sa panahon o uban pang mga hinungdan. Kini nga pagbag-o hinungdan nga ang boltahe sa pagmaneho nga gihatag sa PWM circuit sa MOSFET dili lig-on.

Aron mahimo nga luwas ang MOSFET ubos sa taas nga mga boltahe sa ganghaan, daghang MOSFET ang adunay mga built-in nga regulator sa boltahe aron kusog nga limitahan ang amplitude sa boltahe sa ganghaan. Sa kini nga kaso, kung ang gihatag nga boltahe sa pagmaneho molapas sa boltahe sa tubo sa regulator sa boltahe, kini magpahinabog daghang pagkonsumo sa kuryente.

Sa parehas nga oras, kung gamiton ra nimo ang prinsipyo sa pagbahin sa boltahe sa resistor aron makunhuran ang boltahe sa ganghaan, ang MOSFET molihok nga maayo kung ang boltahe sa input medyo taas, apan kung ang boltahe sa input mikunhod, ang boltahe sa ganghaan dili igo, hinungdan dili kompleto nga pagpadagan, sa ingon nagdugang ang konsumo sa kuryente.

3. Doble nga boltahe nga aplikasyon

Sa pipila ka mga control circuit, ang logic nga bahin naggamit sa usa ka tipikal nga 5V o 3.3V nga digital nga boltahe, samtang ang bahin sa gahum naggamit sa boltahe nga 12V o mas taas pa. Ang duha ka boltahe konektado sa usa ka komon nga yuta.

Nagpataas kini sa usa ka kinahanglanon sa paggamit sa usa ka sirkito aron ang ubos nga boltahe nga bahin epektibo nga makontrol ang MOSFET sa taas nga boltahe nga bahin. Sa parehas nga oras, ang MOSFET sa taas nga boltahe nga bahin mag-atubang usab sa mga problema nga gihisgutan sa 1 ug 2.

Niining tulo ka mga kaso, ang istruktura sa totem pole dili makatagbo sa mga kinahanglanon sa output, ug daghang mga off-the-shelf nga MOSFET driver ICs daw wala maglakip sa mga istruktura nga naglimite sa boltahe sa ganghaan.

 

Mao nga nagdisenyo ako usa ka medyo kinatibuk-an nga sirkito aron matubag kining tulo nga mga panginahanglanon.

nga

Driver circuit alang sa NMOS

Dinhi maghimo lang ako usa ka yano nga pagtuki sa circuit driver sa NMOS:

Ang Vl ug Vh mao ang mga low-end ug high-end nga suplay sa kuryente. Ang duha ka boltahe mahimong managsama, apan ang Vl kinahanglan dili molapas sa Vh.

Ang Q1 ug Q2 nagporma usa ka balit-ad nga poste sa totem aron makab-ot ang pagkalain samtang gisiguro nga ang duha nga mga tubo sa drayber nga Q3 ug Q4 dili mag-on sa parehas nga oras.

Ang R2 ug R3 naghatag sa PWM voltage reference. Pinaagi sa pagbag-o niini nga reperensiya, ang sirkito mahimong maoperahan sa usa ka posisyon diin ang PWM signal waveform medyo titip.

Ang Q3 ug Q4 gigamit sa paghatag og drive current. Kung gi-on, ang Q3 ug Q4 adunay labing gamay nga pag-drop sa boltahe sa Vce kalabot sa Vh ug GND. Kini nga pag-drop sa boltahe kasagaran mga 0.3V lamang, nga mas ubos kaysa Vce nga 0.7V.

Ang R5 ug R6 mga feedback resistors, nga gigamit sa pag-sample sa boltahe sa ganghaan. Ang sample nga boltahe nagmugna og usa ka kusgan nga negatibo nga feedback sa mga base sa Q1 ug Q2 hangtod sa Q5, sa ingon naglimite sa boltahe sa ganghaan sa limitado nga kantidad. Kini nga kantidad mahimong ipasibo pinaagi sa R5 ug R6.

Sa katapusan, ang R1 naghatag sa base sa kasamtangan nga limitasyon alang sa Q3 ug Q4, ug ang R4 naghatag sa ganghaan sa kasamtangan nga limitasyon alang sa MOSFET, nga mao ang limitasyon sa Ice sa Q3 ug Q4. Kung gikinahanglan, ang usa ka acceleration capacitor mahimong konektado sa parallel sa R4.

Kini nga sirkito naghatag sa mosunod nga mga bahin:

1. Gamita ang ubos nga bahin nga boltahe ug PWM sa pagmaneho sa taas nga kilid nga MOSFET.

2. Gamita ang gamay nga amplitude PWM signal sa pagmaneho sa MOSFET nga adunay taas nga mga kinahanglanon sa boltahe sa ganghaan.

3. Kinatas-ang limitasyon sa boltahe sa ganghaan

4. Input ug output kasamtangan nga mga limitasyon

5. Pinaagi sa paggamit sa angay nga mga resistor, ang ubos kaayo nga konsumo sa kuryente mahimong makab-ot.

6. Ang signal sa PWM balit-ad. Ang NMOS wala magkinahanglan niini nga bahin ug mahimong masulbad pinaagi sa pagbutang og inverter sa atubangan.

Kung nagdesinyo sa mga portable device ug wireless nga mga produkto, ang pagpaayo sa performance sa produkto ug pagpalugway sa kinabuhi sa baterya maoy duha ka isyu nga kinahanglang atubangon sa mga tigdesinyo. Ang DC-DC converters adunay mga bentaha sa taas nga episyente, dako nga output nga kasamtangan, ug ubos nga quiescent nga kasamtangan, nga naghimo kanila nga angayan kaayo alang sa pagpaandar sa mga portable device. Sa pagkakaron, ang mga nag-unang uso sa pag-uswag sa teknolohiya sa disenyo sa DC-DC converter mao ang: (1) High-frequency nga teknolohiya: Samtang nagkadaghan ang switching frequency, ang gidak-on sa switching converter gikunhoran usab, ang power density usab miuswag pag-ayo, ug ang dinamikong tubag gipauswag. . Ang pagbalhin frequency sa mga low-power DC-DC converters mosaka sa megahertz nga lebel. (2) Ubos nga teknolohiya sa boltahe sa output: Uban sa padayon nga pag-uswag sa teknolohiya sa paghimo sa semiconductor, ang operating boltahe sa mga microprocessors ug portable nga mga aparato nga elektroniko nagkaanam ug ubos, nga nanginahanglan sa umaabot nga mga converter sa DC-DC nga maghatag gamay nga boltahe sa output aron ipahiangay sa mga microprocessor. mga kinahanglanon alang sa mga processor ug madaladala nga elektronik nga mga himan.

Ang pag-uswag niini nga mga teknolohiya nagbutang sa unahan sa mas taas nga mga kinahanglanon alang sa disenyo sa mga power chip circuits. Una sa tanan, samtang nagpadayon ang pagtaas sa frequency sa pagbalhin, ang taas nga mga kinahanglanon gibutang sa paghimo sa mga elemento sa pagbalhin. Sa samang higayon, ang katugbang nga switching element drive circuits kinahanglang ihatag aron maseguro nga ang switching elements nagtrabaho sa normal sa switching frequency hangtod sa MHz. Ikaduha, alang sa mga portable electronic device nga gipadagan sa baterya, ang boltahe sa pagtrabaho sa sirkito gamay (pagkuha sa mga baterya sa lithium ingon usa ka pananglitan, ang boltahe sa pagtrabaho mao ang 2.5 ~ 3.6V), busa, ang boltahe sa pagtrabaho sa power chip gamay.

 

Ang MOSFET adunay ubos kaayo nga resistensya ug ubos nga kusog ang gigamit. Ang MOSFET kanunay nga gigamit ingon usa ka switch sa kuryente sa karon nga sikat nga high-efficiency DC-DC chips. Apan, tungod sa dako nga parasitic capacitance sa MOSFET, ang gate capacitance sa NMOS switching tubes kasagaran sama ka taas sa napulo ka picofarads. Nagbutang kini sa mas taas nga mga kinahanglanon alang sa disenyo sa taas nga operating frequency DC-DC converter switching tube drive circuit.

Sa ubos nga boltahe nga ULSI nga mga disenyo, adunay lain-laing CMOS ug BiCMOS logic circuits gamit ang bootstrap boost structures ug drive circuits isip dagkong capacitive load. Kini nga mga sirkito mahimong molihok nga normal nga adunay boltahe sa suplay sa kuryente nga mas ubos kaysa 1V, ug mahimo’g molihok sa frequency nga napulo ka megahertz o bisan gatusan nga megahertz nga adunay kapasidad sa pagkarga nga 1 hangtod 2pF. Kini nga artikulo naggamit sa usa ka bootstrap boost circuit aron sa pagdesinyo sa usa ka drive circuit nga adunay dako nga load capacitance drive nga kapabilidad nga angay alang sa ubos nga boltahe, taas nga switching frequency boost DC-DC converters. Ang sirkito gidisenyo base sa Samsung AHP615 BiCMOS nga proseso ug gipamatud-an sa Hspice simulation. Kung ang boltahe sa suplay mao ang 1.5V ug ang kapasidad sa pagkarga mao ang 60pF, ang frequency sa pag-opera mahimong moabot sa labaw sa 5MHz.

nga

Mga kinaiya sa pagbalhin sa MOSFET

nga

1. Static nga mga kinaiya

Isip usa ka elemento sa switching, ang MOSFET naglihok usab sa duha ka estado: off o on. Tungod kay ang MOSFET usa ka sangkap nga kontrolado sa boltahe, ang estado sa pagtrabaho niini labi nga gitino sa uGS nga gigikanan sa boltahe sa ganghaan.

 

Ang mga kinaiya sa pagtrabaho mao ang mga musunud:

※ uGS＜turn-on boltahe UT: MOSFET nagtrabaho sa cut-off nga lugar, ang drain-source nga kasamtangan nga iDS mao ang batakan 0, ang output boltahe uDS≈UDD, ug ang MOSFET anaa sa "off" nga kahimtang.

※ uGS>Turn-on nga boltahe UT: MOSFET nagtrabaho sa conduction region, drain-source current iDS=UDD/(RD+rDS). Lakip niini, ang rDS mao ang resistensya sa gigikanan sa tubig kung gi-on ang MOSFET. Ang output boltahe UDS=UDD?rDS/(RD+rDS), kon rDS＜＜RD, uDS≈0V, ang MOSFET anaa sa "on" nga estado.

2. Dinamikong mga kinaiya

Ang MOSFET usab adunay proseso sa transisyon kung magbalhinbalhin tali sa on ug off nga mga estado, apan ang dinamikong mga kinaiya niini nag-agad sa oras nga gikinahanglan aron ma-charge ug ma-discharge ang stray capacitance nga may kalabutan sa circuit, ug ang accumulation ug discharge kung ang tubo mismo on and off. Gamay ra kaayo ang oras sa pagsabwag.

Kung ang input voltage ui mausab gikan sa taas ngadto sa ubos ug ang MOSFET mausab gikan sa on state ngadto sa off state, ang power supply nga UDD mo-charge sa stray capacitance CL pinaagi sa RD, ug ang charging time constant τ1=RDCL. Busa, ang output boltahe uo kinahanglan nga moagi sa usa ka piho nga paglangan sa dili pa mausab gikan sa ubos nga lebel ngadto sa taas nga lebel; kung ang input boltahe ui mausab gikan sa ubos ngadto sa taas ug ang MOSFET mausab gikan sa off state ngadto sa on state, ang charge sa stray capacitance nga CL moagi sa rDS Discharge mahitabo sa discharge time constant τ2≈rDSCL. Kini makita nga ang output boltahe Uo usab nagkinahanglan sa usa ka piho nga paglangan sa dili pa kini mahimong transisyon ngadto sa usa ka ubos nga lebel. Apan tungod kay ang rDS mas gamay kay sa RD, ang panahon sa pagkakabig gikan sa cut-off ngadto sa conduction mas mubo kaysa sa conversion nga panahon gikan sa conduction ngadto sa cut-off.

Tungod kay ang drain-source resistance rDS sa MOSFET sa dihang kini gi-on mas dako pa kay sa saturation resistance rCES sa transistor, ug ang external drain resistance RD mas dako usab kay sa collector resistance RC sa transistor, ang oras sa pag-charge ug pagdiskarga. sa MOSFET mas taas, nga naghimo sa MOSFET Ang switching speed mas ubos kay sa usa ka transistor. Apan, sa CMOS circuits, tungod kay ang charging circuit ug ang discharging circuit parehas nga low-resistance circuits, ang pag-charge ug discharging nga mga proseso medyo paspas, nga miresulta sa taas nga switching speed para sa CMOS circuit.