MOSFET анхны суурь мэдлэг, хэрэглээ

Яагаад шавхагдах горимын тухайдMOSFETsашиглагдахгүй, түүний ёроолд хүрэхийг зөвлөдөггүй.

Эдгээр хоёр сайжруулалтын горимын MOSFET-ийн хувьд NMOS илүү өргөн хэрэглэгддэг. Үүний шалтгаан нь эсэргүүцэл нь жижиг бөгөөд үйлдвэрлэхэд хялбар байдаг. Тиймээс NMOS-ийг цахилгаан хангамж болон мотор хөтчийн хэрэглээний программуудад шилжихэд ихэвчлэн ашигладаг. Дараах танилцуулгад NMOS-ийг ихэвчлэн ашигладаг.

MOSFET-ийн гурван зүү хооронд шимэгчийн багтаамж байдаг. Энэ нь бидэнд хэрэгтэй зүйл биш, харин үйлдвэрлэлийн процессын хязгаарлалтаас үүдэлтэй юм. Шимэгчийн багтаамж байгаа нь хөтөчийн хэлхээг зохион бүтээх эсвэл сонгоход илүү төвөгтэй болгодог боловч үүнээс зайлсхийх арга байхгүй. Бид үүнийг дараа дэлгэрэнгүй танилцуулах болно.

Ус зайлуулах суваг болон эх үүсвэрийн хооронд шимэгч диод байдаг. Үүнийг биеийн диод гэж нэрлэдэг. Энэ диод нь индуктив ачааллыг (мотор гэх мэт) жолоодоход маш чухал юм. Дашрамд хэлэхэд, биеийн диод нь зөвхөн нэг MOSFET-д байдаг бөгөөд ихэвчлэн нэгдсэн хэлхээний чип дотор байдаггүй.

 

2. MOSFET дамжуулалтын шинж чанар

Дамжуулах гэдэг нь унтраалгын үүрэг гүйцэтгэхийг хэлдэг бөгөөд энэ нь унтраалга хаагдсантай тэнцүү юм.

NMOS-ийн онцлог нь Vgs тодорхой утгаас их байх үед асах болно. Хаалганы хүчдэл 4V эсвэл 10V хүрэх тохиолдолд эх үүсвэрийг газардуулсан үед ашиглахад тохиромжтой (бага түвшний хөтөч).

PMOS-ийн онцлог шинж чанарууд нь Vgs тодорхой утгаас бага байх үед асах бөгөөд энэ нь эх үүсвэр нь VCC (өндөр түвшний хөтөч) холбогдсон тохиолдолд тохиромжтой. Гэсэн хэдий ч, хэдий чPMOSӨндөр түвшний драйвер болгон ашиглахад хялбар байдаг, NMOS нь их хэмжээний эсэргүүцэл, өндөр үнэ, цөөн төрлийн солих зэргээс шалтгаалан ихэвчлэн дээд зэрэглэлийн драйверуудад ашиглагддаг.

 

3. MOS шилжүүлэгч хоолойн алдагдал

Энэ нь NMOS эсвэл PMOS эсэхээс үл хамааран үүнийг асаасаны дараа асаалттай байдаг тул гүйдэл нь энэ эсэргүүцэл дээр эрчим хүч зарцуулна. Хэрэглэсэн энергийн энэ хэсгийг дамжуулалтын алдагдал гэж нэрлэдэг. Бага зэргийн эсэргүүцэлтэй MOSFET-ийг сонгох нь дамжуулалтын алдагдлыг багасгах болно. Өнөөдрийн бага чадалтай MOSFET-ийн эсэргүүцэл нь ерөнхийдөө хэдэн арван миллиом, мөн хэд хэдэн миллиом байдаг.

MOSFET-ийг асаах, унтраах үед шууд дуусгах ёсгүй. MOS дээрх хүчдэл нь буурах процесстой, урсах гүйдэл нь нэмэгдэж буй процесстой байдаг. Энэ хугацаандMOSFET-үүдалдагдал нь хүчдэл ба гүйдлийн бүтээгдэхүүн бөгөөд үүнийг шилжүүлэгчийн алдагдал гэж нэрлэдэг. Ихэвчлэн сэлгэн залгах алдагдал нь дамжуулалтын алдагдлаас хамаагүй их байдаг бөгөөд шилжих давтамж хурдан байх тусам алдагдал их байдаг.

Дамжуулах агшин дахь хүчдэл ба гүйдлийн бүтээгдэхүүн нь маш том бөгөөд их хэмжээний алдагдал үүсгэдэг. Сэлгэн залгах хугацааг богиносгох нь дамжуулалт бүрийн үед алдагдлыг бууруулах боломжтой; сэлгэн залгах давтамжийг багасгах нь нэгж хугацаанд сэлгэлтийн тоог бууруулж болно. Хоёр арга хоёулаа шилжүүлгийн алдагдлыг бууруулж чадна.

MOSFET асаалттай байх үеийн долгионы хэлбэр. Дамжуулах үеийн хүчдэл ба гүйдлийн үржвэр нь маш их, учирсан алдагдал нь ч маш их байгааг харж болно. Сэлгэн залгах хугацааг багасгах нь дамжуулалт бүрийн үед алдагдлыг бууруулах боломжтой; сэлгэн залгах давтамжийг багасгах нь нэгж хугацаанд сэлгэлтийн тоог бууруулж болно. Хоёр арга хоёулаа шилжүүлгийн алдагдлыг бууруулж чадна.

 

4. MOSFET драйвер

Хоёр туйлт транзистортой харьцуулахад GS хүчдэл нь тодорхой утгаас өндөр байвал MOSFET-ийг асаахад гүйдэл шаардагдахгүй гэж ерөнхийд нь үздэг. Үүнийг хийхэд хялбар ч бидэнд хурд хэрэгтэй.

MOSFET-ийн бүтцээс харахад GS ба GD-ийн хооронд шимэгчийн багтаамж байдаг бөгөөд MOSFET-ийн жолоодлого нь үнэндээ конденсаторын цэнэг ба цэнэг юм. Конденсаторыг цэнэглэхэд гүйдэл шаардлагатай, учир нь конденсаторыг цэнэглэх үед богино холболт гэж үзэж болох тул агшин зуурын гүйдэл харьцангуй их байх болно. MOSFET драйверийг сонгох/дизайн хийхдээ анхаарах ёстой хамгийн эхний зүйл бол түүний өгч чадах агшин зуурын богино залгааны гүйдлийн хэмжээ юм. .

Анхаарах хоёр дахь зүйл бол өндөр түвшний жолоодлогод түгээмэл хэрэглэгддэг NMOS-ийг асаах үед хаалганы хүчдэл нь эх үүсвэрийн хүчдэлээс их байх шаардлагатай. Өндөр талдаа хөтлөгчтэй MOSFET асаалттай үед эх үүсвэрийн хүчдэл нь ус зайлуулах хүчдэлтэй (VCC) ижил байдаг тул хаалганы хүчдэл нь VCC-ээс 4V эсвэл 10V-ээс их байна. Хэрэв та нэг системд VCC-ээс их хүчдэл авахыг хүсвэл тусгай өргөлтийн хэлхээ хэрэгтэй. Олон моторт жолооч нар нэгдсэн цэнэглэгч насостой байдаг. MOSFET-ийг жолоодох хангалттай богино залгааны гүйдлийг олж авахын тулд тохирох гадаад конденсаторыг сонгох хэрэгтэй гэдгийг тэмдэглэх нь зүйтэй.

 

Дээр дурдсан 4V эсвэл 10V нь түгээмэл хэрэглэгддэг MOSFET-ийн асаах хүчдэл бөгөөд мэдээжийн хэрэг дизайны явцад тодорхой хязгаарыг зөвшөөрөх шаардлагатай. Мөн хүчдэл өндөр байх тусам дамжуулах хурд хурдан, дамжуулах эсэргүүцэл бага байх болно. Одоо өөр өөр салбарт ашигладаг бага дамжуулалтын хүчдэл бүхий MOSFET-ууд байдаг боловч 12V автомашины электрон системд ерөнхийдөө 4V дамжуулалт хангалттай байдаг.

 

MOSFET драйверын хэлхээ ба түүний алдагдлын талаар Microchip-ийн AN799 MOSFET драйверуудыг MOSFET-тэй тааруулахыг үзнэ үү. Энэ нь маш нарийн зүйл учраас би илүү бичихгүй.

 

Дамжуулах агшин дахь хүчдэл ба гүйдлийн бүтээгдэхүүн нь маш том бөгөөд их хэмжээний алдагдал үүсгэдэг. Сэлгэн залгах хугацааг багасгах нь дамжуулалт бүрийн үед алдагдлыг бууруулах боломжтой; сэлгэн залгах давтамжийг багасгах нь нэгж хугацаанд сэлгэлтийн тоог бууруулж болно. Хоёр арга хоёулаа шилжүүлгийн алдагдлыг бууруулж чадна.

MOSFET бол FET-ийн төрөл (нөгөө нь JFET). Үүнийг сайжруулах горим эсвэл хомсдолын горим, P суваг эсвэл N суваг, нийт 4 төрлийн болгож болно. Гэсэн хэдий ч, зөвхөн сайжруулах горимын N-суваг MOSFET нь үнэндээ ашиглагддаг. болон сайжруулалтын төрлийн P-суваг MOSFET тул NMOS эсвэл PMOS нь ихэвчлэн эдгээр хоёр төрлийг хэлдэг.

 

5. MOSFET хэрэглээний хэлхээ?

MOSFET-ийн хамгийн чухал шинж чанар нь түүний сайн сэлгэн залгах шинж чанартай байдаг тул цахилгаан хангамж, моторын хөтчүүдийг солих, гэрэлтүүлгийг бүдгэрүүлэх гэх мэт электрон унтраалга шаарддаг хэлхээнд өргөн хэрэглэгддэг.

 

Өнөөгийн MOSFET драйверууд хэд хэдэн тусгай шаардлага тавьдаг:

1. Бага хүчдэлийн хэрэглээ

5V-ийн цахилгаан хангамжийг ашиглах үед хэрэв энэ үед уламжлалт тотем туйлын бүтцийг ашиглаж байгаа бол транзистор нь ойролцоогоор 0.7V хүчдэлийн уналттай тул хаалганд өгсөн бодит эцсийн хүчдэл ердөө 4.3V байна. Энэ үед бид хаалганы нэрлэсэн хүчийг сонгодог

4.5V MOSFET ашиглах үед тодорхой эрсдэл байдаг. 3V эсвэл бусад бага хүчдэлийн тэжээлийн хангамжийг ашиглах үед ижил асуудал гардаг.

2. Өргөн хүчдэлийн хэрэглээ

Оролтын хүчдэл нь тогтмол утга биш бөгөөд энэ нь цаг хугацаа эсвэл бусад хүчин зүйлээс хамаарч өөрчлөгдөнө. Энэ өөрчлөлт нь PWM хэлхээний MOSFET-д өгсөн жолоодлогын хүчдэлийг тогтворгүй болгоход хүргэдэг.

MOSFET-ийг хаалганы өндөр хүчдэлд аюулгүй байлгахын тулд олон MOSFET нь хаалганы хүчдэлийн далайцыг хүчээр хязгаарлахын тулд суурилуулсан хүчдэлийн зохицуулагчтай байдаг. Энэ тохиолдолд өгөгдсөн жолоодлогын хүчдэл нь хүчдэлийн зохицуулагч хоолойн хүчдэлээс давсан тохиолдолд энэ нь их хэмжээний статик эрчим хүчний хэрэглээг бий болгоно.

Үүний зэрэгцээ, хэрэв та хаалганы хүчдэлийг багасгахын тулд резисторын хүчдэлийг хуваах зарчмыг ашиглавал оролтын хүчдэл харьцангуй өндөр үед MOSFET сайн ажиллах боловч оролтын хүчдэл буурах үед хаалганы хүчдэл хангалтгүй байх болно. бүрэн бус дамжуулалт, улмаар эрчим хүчний хэрэглээг нэмэгдүүлдэг.

3. Хос хүчдэлийн хэрэглээ

Зарим хяналтын хэлхээнд логик хэсэг нь ердийн 5V эсвэл 3.3V дижитал хүчдэл ашигладаг бол тэжээлийн хэсэг нь 12V ба түүнээс дээш хүчдэлийг ашигладаг. Хоёр хүчдэл нь нийтлэг газардуулгатай холбогдсон.

Энэ нь бага хүчдэлийн тал нь өндөр хүчдэлийн тал дээр MOSFET-ийг үр дүнтэй удирдахын тулд хэлхээг ашиглах шаардлагыг бий болгодог. Үүний зэрэгцээ өндөр хүчдэлийн талд байгаа MOSFET нь 1 ба 2-т дурдсан асуудлуудтай тулгарах болно.

Эдгээр гурван тохиолдолд тотем туйлын бүтэц нь гаралтын шаардлагыг хангаж чадахгүй байгаа бөгөөд олон бэлэн MOSFET драйверын IC нь хаалганы хүчдэлийг хязгаарлах бүтцийг агуулаагүй бололтой.

 

Тиймээс би эдгээр гурван хэрэгцээг хангахын тулд харьцангуй ерөнхий хэлхээ зохион бүтээсэн.

.

NMOS-д зориулсан драйверын хэлхээ

Энд би зөвхөн NMOS драйверын хэлхээний энгийн дүн шинжилгээ хийх болно.

Vl ба Vh нь доод ба дээд зэрэглэлийн тэжээлийн хангамж юм. Хоёр хүчдэл ижил байж болох ч Vl Vh-ээс хэтрэхгүй байх ёстой.

Q1 ба Q2 нь урвуу тотем шон үүсгэдэг бөгөөд Q3 ба Q4 хоёр драйверын хоолой зэрэг асахгүй байхыг баталгаажуулдаг.

R2 ба R3 нь PWM хүчдэлийн лавлагааг өгдөг. Энэ лавлагааг өөрчилснөөр хэлхээг PWM дохионы долгионы хэлбэр харьцангуй эгц байх байрлалд ажиллуулж болно.

Q3 ба Q4 нь хөтөчийн гүйдлийг хангахад ашиглагддаг. Асаах үед Q3 ба Q4 нь зөвхөн Vh ба GND-тэй харьцуулахад Vce-ийн хамгийн бага хүчдэлийн уналттай байна. Энэ хүчдэлийн уналт нь ихэвчлэн 0.3V орчим байдаг бөгөөд энэ нь Vce-ээс 0.7V-ээс хамаагүй бага юм.

R5 ба R6 нь хаалганы хүчдэлийг дээж авахад ашигладаг санал хүсэлтийн резистор юм. Дээж авсан хүчдэл нь Q1 ба Q2-аас Q5 хүртэлх суурь дээр хүчтэй сөрөг хариу урвал үүсгэдэг бөгөөд ингэснээр хаалганы хүчдэлийг хязгаарлагдмал утгаар хязгаарладаг. Энэ утгыг R5 ба R6-аар тохируулж болно.

Эцэст нь R1 нь Q3 ба Q4-ийн үндсэн гүйдлийн хязгаарыг, R4 нь MOSFET-ийн гүйдлийн хязгаарыг өгдөг бөгөөд энэ нь Q3 ба Q4-ийн Ice-ийн хязгаар юм. Шаардлагатай бол хурдатгалын конденсаторыг R4-тэй зэрэгцээ холбож болно.

Энэ хэлхээ нь дараахь функцуудыг хангадаг.

1. Өндөр талын MOSFET-ийг жолоодохын тулд бага талын хүчдэл ба PWM ашиглана уу.

2. Хаалганы хүчдэлийн өндөр шаардлага бүхий MOSFET-ийг жолоодохын тулд жижиг далайцтай PWM дохиог ашиглана.

3. Хаалганы хүчдэлийн оргил хязгаар

4. Оролтын болон гаралтын гүйдлийн хязгаар

5. Тохиромжтой резисторыг ашигласнаар маш бага эрчим хүчний зарцуулалтад хүрч болно.

6. PWM дохио нь урвуу байна. NMOS-д энэ функц хэрэггүй бөгөөд урд талд нь инвертер байрлуулах замаар шийдэж болно.

Зөөврийн төхөөрөмж болон утасгүй бүтээгдэхүүнийг зохион бүтээхдээ бүтээгдэхүүний гүйцэтгэлийг сайжруулж, батерейны ашиглалтын хугацааг уртасгах нь дизайнеруудад тулгардаг хоёр асуудал юм. DC-DC хувиргагч нь өндөр үр ашигтай, их гаралтын гүйдэл, нам тайван гүйдлийн давуу талтай тул зөөврийн төхөөрөмжийг тэжээхэд маш тохиромжтой. Одоогийн байдлаар DC-DC хувиргагч дизайны технологийн хөгжлийн гол чиг хандлага нь: (1) Өндөр давтамжийн технологи: Шилжүүлэгчийн давтамж нэмэгдэхийн хэрээр шилжүүлэгч хувиргагчийн хэмжээ багасч, эрчим хүчний нягтрал ихээхэн нэмэгддэг. мөн динамик хариу үйлдэл сайжирсан. . Бага чадлын DC-DC хувиргагчийн шилжих давтамж нь мегагерцийн түвшинд хүрнэ. (2) Бага гаралтын хүчдэлийн технологи: Хагас дамжуулагч үйлдвэрлэх технологийг тасралтгүй хөгжүүлснээр микропроцессор болон зөөврийн электрон төхөөрөмжүүдийн ажиллах хүчдэл улам бүр буурч байгаа бөгөөд энэ нь ирээдүйн DC-DC хувиргагчаас микропроцессоруудад дасан зохицохын тулд бага гаралтын хүчдэл өгөхийг шаарддаг. процессор болон зөөврийн электрон төхөөрөмжид тавигдах шаардлага.

Эдгээр технологийг хөгжүүлэх нь цахилгаан чипийн хэлхээний дизайнд илүү өндөр шаардлагыг тавьсан. Юуны өмнө, сэлгэн залгах давтамж нэмэгдсээр байгаа тул шилжүүлэгч элементүүдийн гүйцэтгэлд өндөр шаардлага тавьдаг. Үүний зэрэгцээ шилжүүлэгч элементүүд нь МГц хүртэлх давтамжтай шилжих үед хэвийн ажиллахын тулд холбогдох шилжүүлэгч элементийн хөтчийн хэлхээг хангасан байх ёстой. Хоёрдугаарт, батерейгаар ажилладаг зөөврийн электрон төхөөрөмжүүдийн хувьд хэлхээний ажиллах хүчдэл бага (лити батерейг жишээ болгон авч үзвэл ажлын хүчдэл 2.5 ~ 3.6 В), тиймээс цахилгаан чипийн ажиллах хүчдэл бага байна.

 

MOSFET нь маш бага эсэргүүцэлтэй бөгөөд бага энерги зарцуулдаг. MOSFET-ийг ихэвчлэн өндөр үр ашигтай DC-DC чипүүдэд цахилгаан унтраалга болгон ашигладаг. Гэсэн хэдий ч MOSFET-ийн их хэмжээний шимэгчийн багтаамжаас шалтгаалан NMOS шилжүүлэгч хоолойн хаалганы багтаамж нь ерөнхийдөө хэдэн арван пикофарад хүртэл өндөр байдаг. Энэ нь өндөр давтамжийн тогтмол гүйдлийн тогтмол гүйдлийн хөрвүүлэгчийн шилжүүлэгч хоолойн хөтчийн хэлхээний дизайнд илүү өндөр шаардлага тавьдаг.

Бага хүчдэлийн ULSI загварт ачаалах систем болон хөтчийн хэлхээг том багтаамжийн ачаалал болгон ашигладаг олон төрлийн CMOS болон BiCMOS логик хэлхээнүүд байдаг. Эдгээр хэлхээ нь 1V-ээс бага тэжээлийн хүчдэлтэй хэвийн ажиллах боломжтой бөгөөд 1-ээс 2pF хүртэлх ачааллын багтаамжтай хэдэн арван мегагерц, бүр хэдэн зуун мегагерц давтамжтайгаар ажиллах боломжтой. Энэ нийтлэл нь бага хүчдэлтэй, өндөр сэлгэн залгах давтамжтай DC-DC хувиргагчид тохиромжтой, том ачааллын багтаамжтай хөтөчийн хэлхээг зохион бүтээхэд ачаалах хэлхээг ашигладаг. Энэхүү хэлхээг Samsung AHP615 BiCMOS процесс дээр үндэслэн бүтээсэн бөгөөд Hspice симуляциар баталгаажуулсан. Нийлүүлэлтийн хүчдэл 1.5V, ачааллын багтаамж нь 60pF байх үед ажлын давтамж 5МГц-ээс их хүрч болно.

.

MOSFET солих шинж чанарууд

.

1. Статик шинж чанар

Шилжүүлэгч элементийн хувьд MOSFET нь унтраах эсвэл асаах гэсэн хоёр төлөвт ажилладаг. MOSFET нь хүчдэлийн удирдлагатай бүрэлдэхүүн хэсэг тул түүний ажиллах төлөвийг голчлон хаалганы эх үүсвэрийн uGS хүчдэлээр тодорхойлдог.

 

Ажлын онцлог нь дараах байдалтай байна.

※ uGS＜асаах хүчдэл UT: MOSFET нь таслах хэсэгт ажилладаг, ус зайлуулах эх үүсвэрийн гүйдэл iDS үндсэндээ 0, гаралтын хүчдэл uDS≈UDD, MOSFET нь "унтраах" төлөвт байна.

※ uGS>Асаах хүчдэл UT: MOSFET нь дамжуулалтын мужид ажилладаг, ус зайлуулах эх үүсвэрийн гүйдэл iDS=UDD/(RD+rDS). Тэдгээрийн дотроос rDS нь MOSFET асаалттай үед ус зайлуулах эх үүсвэрийн эсэргүүцэл юм. Гаралтын хүчдэл UDS=UDD?rDS/(RD+rDS), хэрэв rDS＜＜RD, uDS≈0V бол MOSFET "асаалттай" төлөвт байна.

2. Динамик шинж чанарууд

MOSFET нь асаах, унтраах төлөв хооронд шилжих шилжилтийн процесстой байдаг боловч түүний динамик шинж чанар нь голчлон хэлхээнд хамаарах төөрсөн багтаамжийг цэнэглэх, цэнэггүй болгоход шаардагдах хугацаа, хоолой өөрөө асаалттай, унтарсан үед цэнэгийн хуримтлал, цэнэггүйдэл зэргээс хамаардаг. Хагарах хугацаа маш бага байна.

Оролтын хүчдэлийн ui өндөрөөс бага болж, MOSFET нь асаалттай төлөвөөс унтарсан төлөвт шилжих үед тэжээлийн UDD нь RD-ээр дамжсан CL багтаамжийг цэнэглэж, цэнэглэх хугацааны тогтмол τ1=RDCL. Тиймээс гаралтын хүчдэл uo нь бага түвшнээс өндөр түвшинд шилжихээс өмнө тодорхой саатал гарах шаардлагатай; оролтын хүчдэлийн ui багаас өндөр рүү өөрчлөгдөх ба MOSFET унтарсан төлөвөөс асаалттай төлөв рүү шилжих үед CL төөрсөн багтаамжийн цэнэг rDS-ээр дамждаг. Uo гаралтын хүчдэл нь бага түвшинд шилжихээс өмнө тодорхой саатал шаарддаг болохыг харж болно. Гэхдээ rDS нь RD-ээс хамаагүй бага тул таслагдахаас дамжуулалт хүртэлх хувиргах хугацаа нь дамжуулалтаас таслах хүртэлх хувиргах хугацаанаас богино байдаг.

MOSFET-ийг асаах үед ус зайлуулах эх үүсвэрийн эсэргүүцэл rDS нь транзисторын ханалтын эсэргүүцлийн rCES-ээс хамаагүй их, гадаад ус зайлуулах эсэргүүцэл нь транзисторын коллекторын эсэргүүцлийн RC-ээс их байдаг тул цэнэглэх, цэнэглэх хугацаа MOSFET-ийн урт нь MOSFET-ийг бий болгодог Шилжүүлэгч хурд нь транзистороос бага байна. Гэсэн хэдий ч CMOS хэлхээнд цэнэглэх болон цэнэглэх хэлхээ нь бага эсэргүүцэлтэй хэлхээнүүд байдаг тул цэнэглэх болон цэнэглэх процессууд харьцангуй хурдан явагддаг тул CMOS хэлхээнд шилжих өндөр хурдтай байдаг.