Conoscenza di base e applicazione originali MOSFET

Per quanto riguarda la modalità di esaurimentoMOSFETnon vengono utilizzati, non è consigliabile andare a fondo della questione.

Per questi due MOSFET in modalità potenziamento, è più comunemente utilizzato NMOS. Il motivo è che la resistenza ON è piccola e facile da produrre. Pertanto, NMOS viene generalmente utilizzato nelle applicazioni di alimentazione a commutazione e di azionamento di motori. Nella seguente introduzione viene utilizzato principalmente NMOS.

C'è una capacità parassita tra i tre pin del MOSFET. Questo non è ciò di cui abbiamo bisogno, ma è causato dalle limitazioni del processo di produzione. L'esistenza di capacità parassita rende più problematica la progettazione o la selezione di un circuito di pilotaggio, ma non c'è modo di evitarla. Lo presenteremo in dettaglio più avanti.

C'è un diodo parassita tra lo scarico e la sorgente. Questo è chiamato diodo corporeo. Questo diodo è molto importante quando si pilotano carichi induttivi (come i motori). A proposito, il diodo body esiste solo in un singolo MOSFET e di solito non si trova all'interno di un chip di circuito integrato.

2. Caratteristiche di conduzione del MOSFET

Condurre significa agire come un interruttore, il che equivale a chiudere l'interruttore.

La caratteristica dell'NMOS è che si accenderà quando Vgs sarà maggiore di un certo valore. È adatto per l'uso quando la sorgente è messa a terra (azionamento di fascia bassa), purché la tensione di gate raggiunga 4 V o 10 V.

Le caratteristiche del PMOS sono che si accenderà quando Vgs è inferiore a un certo valore, il che è adatto per situazioni in cui la sorgente è collegata a VCC (azionamento di fascia alta). Tuttavia, sebbenePMOSpuò essere facilmente utilizzato come driver di fascia alta, NMOS viene solitamente utilizzato nei driver di fascia alta a causa della grande resistenza in conduzione, del prezzo elevato e dei pochi tipi di sostituzione.

3. Perdita del tubo dell'interruttore MOS

Che si tratti di NMOS o PMOS, c'è una resistenza dopo l'accensione, quindi la corrente consumerà energia su questa resistenza. Questa parte dell'energia consumata è chiamata perdita di conduzione. La scelta di un MOSFET con una piccola resistenza nello stato di conduzione ridurrà le perdite di conduzione. La resistenza di accensione dei MOSFET a bassa potenza di oggi è generalmente di circa decine di milliohm e ci sono anche diversi milliohm.

Quando il MOSFET viene acceso e spento, non deve essere completato immediatamente. La tensione ai capi del MOS ha un processo decrescente e la corrente che scorre ha un processo crescente. Durante questo periodo, ilMOSFETla perdita è il prodotto di tensione e corrente, che viene chiamata perdita di commutazione. Solitamente le perdite di commutazione sono molto maggiori delle perdite di conduzione e quanto più veloce è la frequenza di commutazione, tanto maggiori sono le perdite.

Il prodotto tra tensione e corrente al momento della conduzione è molto elevato e causa grandi perdite. Accorciare il tempo di commutazione può ridurre la perdita durante ciascuna conduzione; riducendo la frequenza di commutazione è possibile ridurre il numero di commutazioni per unità di tempo. Entrambi i metodi possono ridurre le perdite di commutazione.

La forma d'onda quando il MOSFET è acceso. Si può vedere che il prodotto tra tensione e corrente al momento della conduzione è molto grande e anche la perdita causata è molto grande. Riducendo il tempo di commutazione si possono ridurre le perdite durante ciascuna conduzione; riducendo la frequenza di commutazione è possibile ridurre il numero di commutazioni per unità di tempo. Entrambi i metodi possono ridurre le perdite di commutazione.

4. Driver MOSFET

Rispetto ai transistor bipolari, si ritiene generalmente che non sia necessaria alcuna corrente per accendere un MOSFET, purché la tensione GS sia superiore a un determinato valore. Questo è facile da fare, ma abbiamo anche bisogno di velocità.

Nella struttura del MOSFET si può vedere che esiste una capacità parassita tra GS e GD e il pilotaggio del MOSFET è in realtà la carica e la scarica del condensatore. La carica del condensatore richiede corrente, poiché il condensatore può essere considerato un cortocircuito al momento della carica, quindi la corrente istantanea sarà relativamente grande. La prima cosa a cui prestare attenzione quando si seleziona/progetta un driver MOSFET è la quantità di corrente di cortocircuito istantanea che può fornire.

La seconda cosa da notare è che NMOS, comunemente utilizzato per la guida di fascia alta, necessita che la tensione di gate sia maggiore della tensione di source quando è accesa. Quando il MOSFET pilotato dal lato alto è acceso, la tensione sorgente è uguale alla tensione di drain (VCC), quindi la tensione di gate è 4 V o 10 V maggiore di VCC in questo momento. Se si desidera ottenere una tensione maggiore di VCC nello stesso sistema, è necessario un circuito boost speciale. Molti motori hanno pompe di carica integrate. Va notato che è necessario selezionare un condensatore esterno appropriato per ottenere una corrente di cortocircuito sufficiente per pilotare il MOSFET.

I 4 V o 10 V menzionati sopra rappresentano la tensione di accensione dei MOSFET comunemente utilizzati e, naturalmente, è necessario consentire un certo margine durante la progettazione. E maggiore è la tensione, maggiore è la velocità di conduzione e minore è la resistenza di conduzione. Ora ci sono MOSFET con tensioni di conduzione più piccole utilizzati in diversi campi, ma nei sistemi elettronici automobilistici a 12 V, generalmente è sufficiente la conduzione a 4 V.

Per il circuito del driver MOSFET e le relative perdite, fare riferimento a AN799 Matching MOSFET Drivers to MOSFET di Microchip. È molto dettagliato, quindi non scriverò altro.

Il prodotto tra tensione e corrente al momento della conduzione è molto elevato e causa grandi perdite. Riducendo il tempo di commutazione si possono ridurre le perdite durante ciascuna conduzione; riducendo la frequenza di commutazione è possibile ridurre il numero di commutazioni per unità di tempo. Entrambi i metodi possono ridurre le perdite di commutazione.

MOSFET è un tipo di FET (l'altro è JFET). Può essere trasformato in modalità di miglioramento o modalità di esaurimento, canale P o canale N, per un totale di 4 tipi. Tuttavia, viene effettivamente utilizzato solo il MOSFET a canale N in modalità miglioramento. e MOSFET a canale P di tipo potenziato, quindi NMOS o PMOS di solito si riferiscono a questi due tipi.

5. Circuito applicativo MOSFET?

La caratteristica più significativa del MOSFET sono le sue buone caratteristiche di commutazione, quindi è ampiamente utilizzato in circuiti che richiedono interruttori elettronici, come alimentatori a commutazione e azionamenti di motori, nonché dimmerazione dell'illuminazione.

I driver MOSFET di oggi hanno diversi requisiti speciali:

1. Applicazione a bassa tensione

Quando si utilizza un alimentatore da 5 V, se viene utilizzata una struttura totem tradizionale, poiché il transistor ha una caduta di tensione di circa 0,7 V, la tensione finale effettiva applicata al gate è di soli 4,3 V. In questo momento scegliamo la potenza nominale del cancello

Esiste un certo rischio quando si utilizza un MOSFET da 4,5 V. Lo stesso problema si verifica anche quando si utilizzano alimentatori da 3 V o altri a bassa tensione.

2. Ampia applicazione di tensione

La tensione di ingresso non è un valore fisso, cambierà con il tempo o altri fattori. Questa modifica rende instabile la tensione di pilotaggio fornita dal circuito PWM al MOSFET.

Per rendere i MOSFET sicuri in caso di tensioni di gate elevate, molti MOSFET dispongono di regolatori di tensione integrati per limitare forzatamente l'ampiezza della tensione di gate. In questo caso, quando la tensione di pilotaggio fornita supera la tensione del tubo regolatore di tensione, si verificherà un elevato consumo di energia statica.

Allo stesso tempo, se si utilizza semplicemente il principio della divisione della tensione del resistore per ridurre la tensione di gate, il MOSFET funzionerà bene quando la tensione di ingresso è relativamente alta, ma quando la tensione di ingresso viene ridotta, la tensione di gate sarà insufficiente, causando conduzione incompleta, aumentando così il consumo energetico.

3. Applicazione a doppia tensione

In alcuni circuiti di controllo, la parte logica utilizza una tipica tensione digitale di 5 V o 3,3 V, mentre la parte di potenza utilizza una tensione di 12 V o anche superiore. Le due tensioni sono collegate a una massa comune.

Ciò solleva l'esigenza di utilizzare un circuito in modo che il lato a bassa tensione possa controllare efficacemente il MOSFET sul lato ad alta tensione. Allo stesso tempo, anche il MOSFET sul lato alta tensione dovrà affrontare i problemi menzionati ai punti 1 e 2.

In questi tre casi, la struttura del totem non può soddisfare i requisiti di uscita e molti circuiti integrati driver MOSFET standard non sembrano includere strutture di limitazione della tensione di gate.

Quindi ho progettato un circuito relativamente generale per soddisfare queste tre esigenze.

Circuito driver per NMOS

Qui farò solo una semplice analisi del circuito del driver NMOS:

Vl e Vh sono rispettivamente gli alimentatori di fascia bassa e di fascia alta. Le due tensioni possono essere uguali, ma Vl non deve superare Vh.

Q1 e Q2 formano un totem invertito per ottenere l'isolamento garantendo allo stesso tempo che i due tubi driver Q3 e Q4 non si accendano contemporaneamente.

R2 e R3 forniscono il riferimento di tensione PWM. Modificando questo riferimento, il circuito può essere utilizzato in una posizione in cui la forma d'onda del segnale PWM è relativamente ripida.

Q3 e Q4 vengono utilizzati per fornire corrente al convertitore. Quando sono accesi, Q3 e Q4 hanno solo una caduta di tensione minima di Vce rispetto a Vh e GND. Questa caduta di tensione è solitamente solo di circa 0,3 V, che è molto inferiore alla Vce di 0,7 V.

R5 e R6 sono resistori di feedback, utilizzati per campionare la tensione di gate. La tensione campionata genera un forte feedback negativo alle basi di Q1 e Q2 attraverso Q5, limitando così la tensione di gate ad un valore limitato. Questo valore può essere regolato tramite R5 e R6.

Infine, R1 fornisce il limite di corrente di base per Q3 e Q4 e R4 fornisce il limite di corrente di gate per il MOSFET, che è il limite dell'Ice di Q3 e Q4. Se necessario è possibile collegare un condensatore di accelerazione in parallelo a R4.

Questo circuito fornisce le seguenti funzionalità:

1. Utilizzare la tensione low-side e PWM per pilotare il MOSFET high-side.

2. Utilizzare un segnale PWM di piccola ampiezza per pilotare un MOSFET con requisiti di tensione di gate elevati.

3. Limite di picco della tensione di gate

4. Limiti di corrente in ingresso e in uscita

5. Utilizzando resistori adeguati, è possibile ottenere un consumo energetico molto basso.

6. Il segnale PWM è invertito. NMOS non necessita di questa funzionalità e può essere risolta posizionando un inverter davanti.

Quando si progettano dispositivi portatili e prodotti wireless, il miglioramento delle prestazioni del prodotto e l'estensione della durata della batteria sono due questioni che i progettisti devono affrontare. I convertitori DC-DC presentano i vantaggi di alta efficienza, grande corrente di uscita e bassa corrente di quiescenza, che li rendono molto adatti per alimentare dispositivi portatili. Allo stato attuale, le principali tendenze nello sviluppo della tecnologia di progettazione del convertitore DC-DC sono: (1) Tecnologia ad alta frequenza: all'aumentare della frequenza di commutazione, anche la dimensione del convertitore di commutazione viene ridotta, anche la densità di potenza aumenta notevolmente, e la risposta dinamica è migliorata. . La frequenza di commutazione dei convertitori DC-DC a bassa potenza salirà al livello dei megahertz. (2) Tecnologia a bassa tensione di uscita: con il continuo sviluppo della tecnologia di produzione dei semiconduttori, la tensione operativa dei microprocessori e dei dispositivi elettronici portatili sta diventando sempre più bassa, il che richiede che i futuri convertitori CC-CC forniscano una bassa tensione di uscita per adattarsi ai microprocessori. requisiti per processori e dispositivi elettronici portatili.

Lo sviluppo di queste tecnologie ha posto requisiti più elevati per la progettazione dei circuiti dei chip di potenza. Innanzitutto, poiché la frequenza di commutazione continua ad aumentare, vengono posti requisiti elevati alle prestazioni degli elementi di commutazione. Allo stesso tempo, devono essere previsti circuiti di comando degli elementi di commutazione corrispondenti per garantire che gli elementi di commutazione funzionino normalmente a frequenze di commutazione fino a MHz. In secondo luogo, per i dispositivi elettronici portatili alimentati a batteria, la tensione di funzionamento del circuito è bassa (prendendo come esempio le batterie al litio, la tensione di funzionamento è 2,5~3,6 V), quindi la tensione di funzionamento del chip di alimentazione è bassa.

Il MOSFET ha una resistenza molto bassa e consuma poca energia. Il MOSFET viene spesso utilizzato come interruttore di alimentazione nei chip DC-DC ad alta efficienza attualmente più diffusi. Tuttavia, a causa della grande capacità parassita del MOSFET, la capacità di gate dei tubi di commutazione NMOS è generalmente pari a decine di picofarad. Ciò pone requisiti più elevati per la progettazione del circuito di comando del tubo di commutazione del convertitore CC-CC ad alta frequenza operativa.

Nei progetti ULSI a bassa tensione, sono presenti una varietà di circuiti logici CMOS e BiCMOS che utilizzano strutture di boost bootstrap e circuiti di pilotaggio come grandi carichi capacitivi. Questi circuiti possono funzionare normalmente con una tensione di alimentazione inferiore a 1 V e possono funzionare a una frequenza di decine di megahertz o addirittura centinaia di megahertz con una capacità di carico compresa tra 1 e 2 pF. Questo articolo utilizza un circuito di boost bootstrap per progettare un circuito di pilotaggio con capacità di pilotaggio di grande capacità di carico adatto per convertitori DC-DC boost a bassa tensione e alta frequenza di commutazione. Il circuito è progettato sulla base del processo BiCMOS Samsung AHP615 e verificato mediante simulazione Hspice. Quando la tensione di alimentazione è 1,5 V e la capacità di carico è 60 pF, la frequenza operativa può raggiungere più di 5 MHz.

Caratteristiche di commutazione del MOSFET

1. Caratteristiche statiche

Come elemento di commutazione, anche il MOSFET funziona in due stati: spento o acceso. Poiché il MOSFET è un componente controllato in tensione, il suo stato di funzionamento è determinato principalmente dalla tensione gate-source uGS.

Le caratteristiche di lavoro sono le seguenti:

※ uGS＜tensione di accensione UT: il MOSFET funziona nell'area di interruzione, la corrente drain-source iDS è sostanzialmente 0, la tensione di uscita uDS≈UDD e il MOSFET è nello stato "off".

※ uGS>Tensione di accensione UT: MOSFET funziona nella regione di conduzione, corrente drain-source iDS=UDD/(RD+rDS). Tra questi, rDS è la resistenza drain-source quando il MOSFET è acceso. La tensione di uscita UDS=UDD?rDS/(RD+rDS), se rDS＜＜RD, uDS≈0V, il MOSFET è nello stato "on".

2. Caratteristiche dinamiche

Il MOSFET ha anche un processo di transizione quando si passa dallo stato acceso a quello spento, ma le sue caratteristiche dinamiche dipendono principalmente dal tempo necessario per caricare e scaricare la capacità parassita relativa al circuito e dall'accumulo e scarico della carica quando il tubo stesso è acceso e spento. Il tempo di dissipazione è molto ridotto.

Quando la tensione di ingresso ui cambia da alta a bassa e il MOSFET passa dallo stato acceso allo stato spento, l'alimentatore UDD carica la capacità parassita CL attraverso RD e la costante di tempo di carica τ1=RDCL. Pertanto, la tensione di uscita uo deve subire un certo ritardo prima di passare dal livello basso a quello alto; quando la tensione di ingresso ui cambia da bassa ad alta e il MOSFET passa dallo stato spento allo stato acceso, la carica sulla capacità parassita CL passa attraverso rDS. La scarica avviene con una costante di tempo di scarica τ2≈rDSCL. Si può vedere che anche la tensione di uscita Uo necessita di un certo ritardo prima di poter passare ad un livello basso. Ma poiché rDS è molto più piccolo di RD, il tempo di conversione da cut-off a conduzione è più breve del tempo di conversione da conduzione a cut-off.

Poiché la resistenza drain-source rDS del MOSFET quando è acceso è molto maggiore della resistenza di saturazione rCES del transistor e anche la resistenza di drain esterna RD è maggiore della resistenza del collettore RC del transistor, il tempo di carica e scarica del MOSFET è più lungo, rendendo il MOSFET La velocità di commutazione è inferiore a quella di un transistor. Tuttavia, nei circuiti CMOS, poiché il circuito di carica e quello di scarica sono entrambi circuiti a bassa resistenza, i processi di carica e scarica sono relativamente veloci, con conseguente elevata velocità di commutazione per il circuito CMOS.