Κύκλωμα οδήγησης MOSFET μεγάλου πακέτου

Πρώτα απ 'όλα, ο τύπος και η δομή του MOSFET,MOSFETείναι ένα FET (άλλο είναι το JFET), μπορεί να κατασκευαστεί σε ενισχυμένο ή εξαντλητικό τύπο, κανάλι P ή N-κανάλι συνολικά τεσσάρων τύπων, αλλά η πραγματική εφαρμογή μόνο βελτιωμένων MOSFET καναλιών N και βελτιωμένων MOSFET καναλιών P, που συνήθως αναφέρεται ως NMOS ή PMOS αναφέρεται σε αυτά τα δύο είδη. Για αυτούς τους δύο τύπους βελτιωμένων MOSFET, το πιο συχνά χρησιμοποιούμενο είναι το NMOS, ο λόγος είναι ότι η αντίσταση είναι μικρή και εύκολη στην κατασκευή. Επομένως, το NMOS χρησιμοποιείται γενικά σε εφαρμογές μεταγωγής τροφοδοσίας και κίνησης κινητήρα.

Στην ακόλουθη εισαγωγή, στις περισσότερες περιπτώσεις κυριαρχεί το NMOS. Υπάρχει παρασιτική χωρητικότητα μεταξύ των τριών ακίδων του MOSFET, ένα χαρακτηριστικό που δεν χρειάζεται αλλά προκύπτει λόγω περιορισμών της διαδικασίας κατασκευής. Η παρουσία παρασιτικής χωρητικότητας καθιστά λίγο δύσκολο τον σχεδιασμό ή την επιλογή ενός κυκλώματος οδήγησης. Υπάρχει μια παρασιτική δίοδος μεταξύ της αποχέτευσης και της πηγής. Αυτό ονομάζεται δίοδος αμαξώματος και είναι σημαντικό για την οδήγηση επαγωγικών φορτίων όπως οι κινητήρες. Παρεμπιπτόντως, η δίοδος σώματος υπάρχει μόνο σε μεμονωμένα MOSFET και συνήθως δεν υπάρχει μέσα σε ένα τσιπ IC.

MOSFETΑπώλεια σωλήνων μεταγωγής, είτε είναι NMOS είτε PMOS, αφού υπάρχει η αγωγιμότητα της αντίστασης ενεργοποίησης, έτσι ώστε το ρεύμα να καταναλώνει ενέργεια σε αυτήν την αντίσταση, αυτό το μέρος της ενέργειας που καταναλώνεται ονομάζεται απώλεια αγωγιμότητας. Η επιλογή MOSFET με χαμηλή αντίσταση κατά την ενεργοποίηση θα μειώσει την απώλεια αντίστασης. Σήμερα, η αντίσταση των MOSFET χαμηλής κατανάλωσης είναι γενικά γύρω στα δεκάδες χιλιοστά και μερικά χιλιοστά είναι επίσης διαθέσιμα. Τα MOSFET δεν πρέπει να ολοκληρώνονται σε μια στιγμή όταν είναι ενεργοποιημένα και απενεργοποιημένα. Υπάρχει μια διαδικασία μείωσης της τάσης στο τα δύο άκρα του MOSFET, και υπάρχει μια διαδικασία αύξησης του ρεύματος που ρέει μέσα από αυτό. Κατά τη διάρκεια αυτής της χρονικής περιόδου, η απώλεια των MOSFET είναι το γινόμενο της τάσης και του ρεύματος, που ονομάζεται απώλεια μεταγωγής. Συνήθως η απώλεια μεταγωγής είναι πολύ μεγαλύτερη από την απώλεια αγωγιμότητας και όσο πιο γρήγορη είναι η συχνότητα μεταγωγής, τόσο μεγαλύτερη είναι η απώλεια. Το γινόμενο της τάσης και του ρεύματος τη στιγμή της αγωγιμότητας είναι πολύ μεγάλο, με αποτέλεσμα μεγάλες απώλειες. Η συντόμευση του χρόνου μεταγωγής μειώνει την απώλεια σε κάθε αγωγιμότητα. Η μείωση της συχνότητας μεταγωγής μειώνει τον αριθμό των διακοπτών ανά μονάδα χρόνου. Και οι δύο αυτές προσεγγίσεις μειώνουν τις απώλειες μεταγωγής.

Σε σύγκριση με τα διπολικά τρανζίστορ, πιστεύεται γενικά ότι δεν απαιτείται ρεύμα για να γίνει αMOSFETσυμπεριφορά, εφόσον η τάση GS είναι πάνω από μια ορισμένη τιμή. Αυτό είναι εύκολο να γίνει, ωστόσο, χρειαζόμαστε και ταχύτητα. Όπως μπορείτε να δείτε στη δομή του MOSFET, υπάρχει μια παρασιτική χωρητικότητα μεταξύ GS, GD και η οδήγηση του MOSFET είναι, στην πραγματικότητα, η φόρτιση και η εκφόρτιση της χωρητικότητας. Η φόρτιση του πυκνωτή απαιτεί ρεύμα, επειδή η άμεση φόρτιση του πυκνωτή μπορεί να θεωρηθεί ως βραχυκύκλωμα, επομένως το στιγμιαίο ρεύμα θα είναι υψηλότερο. Το πρώτο πράγμα που πρέπει να προσέξετε κατά την επιλογή/σχεδιασμό ενός προγράμματος οδήγησης MOSFET είναι το μέγεθος του στιγμιαίου ρεύματος βραχυκυκλώματος που μπορεί να παρασχεθεί.

Το δεύτερο πράγμα που πρέπει να σημειωθεί είναι ότι, που χρησιμοποιείται γενικά σε NMOS μονάδας υψηλών προδιαγραφών, η τάση της πύλης στην ώρα πρέπει να είναι μεγαλύτερη από την τάση της πηγής. High-end μονάδα δίσκου MOSFET στην τάση της πηγής και την τάση αποστράγγισης (VCC) το ίδιο, οπότε η τάση πύλης από το VCC 4V ή 10V. αν στο ίδιο σύστημα, για να πάρουμε μεγαλύτερη τάση από το VCC, πρέπει να ειδικευτούμε στο κύκλωμα ενίσχυσης. Πολλοί οδηγοί κινητήρα διαθέτουν ενσωματωμένες αντλίες φόρτισης, είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι θα πρέπει να επιλέξετε την κατάλληλη εξωτερική χωρητικότητα για να έχετε αρκετό ρεύμα βραχυκυκλώματος για να κινήσετε το MOSFET. 4V ή 10V είναι το συνήθως χρησιμοποιούμενο MOSFET στην τάση, ο σχεδιασμός φυσικά, πρέπει να έχετε ένα ορισμένο περιθώριο. Όσο υψηλότερη είναι η τάση, τόσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητα στην κατάσταση και τόσο χαμηλότερη η αντίσταση στην κατάσταση λειτουργίας. Τώρα υπάρχουν επίσης μικρότερα MOSFET τάσης σε κατάσταση που χρησιμοποιούνται σε διαφορετικούς τομείς, αλλά στο σύστημα ηλεκτρονικών αυτοκινήτων 12V, γενικά αρκούν τα 4V σε κατάσταση λειτουργίας. Το πιο αξιοσημείωτο χαρακτηριστικό των MOSFET είναι τα χαρακτηριστικά μεταγωγής του αγαθού, επομένως χρησιμοποιείται ευρέως στο ανάγκη για ηλεκτρονικά κυκλώματα μεταγωγής, όπως τροφοδοτικό μεταγωγής και κίνηση κινητήρα, αλλά και μείωση φωτισμού. Άγωγο σημαίνει ότι λειτουργεί ως διακόπτης, ο οποίος ισοδυναμεί με κλείσιμο διακόπτη. Χαρακτηριστικά NMOS, Vgs μεγαλύτερη από μια ορισμένη τιμή θα διεξάγει, κατάλληλο για χρήση στην περίπτωση που η πηγή είναι γειωμένη (οδήγηση χαμηλού επιπέδου), όσο η πύλη τάση 4V ή 10V.Χαρακτηριστικά PMOS, Vgs μικρότερη από μια ορισμένη τιμή, κατάλληλη για χρήση στην περίπτωση που η πηγή είναι συνδεδεμένη στο VCC (high-end drive). Ωστόσο, αν και το PMOS μπορεί εύκολα να χρησιμοποιηθεί ως οδηγός υψηλής τεχνολογίας, το NMOS χρησιμοποιείται συνήθως σε προγράμματα οδήγησης υψηλής τεχνολογίας λόγω της μεγάλης αντίστασης, της υψηλής τιμής και των λίγων τύπων αντικατάστασης.

Τώρα το MOSFET οδηγεί εφαρμογές χαμηλής τάσης, όταν η χρήση τροφοδοσίας 5 V, αυτή τη φορά εάν χρησιμοποιείτε την παραδοσιακή δομή πόλου τοτέμ, λόγω του τρανζίστορ είναι περίπου 0,7V πτώση τάσης, με αποτέλεσμα την πραγματική τελική προσθήκη στην πύλη στο η τάση είναι μόνο 4,3 V. Αυτή τη στιγμή, επιλέγουμε την ονομαστική τάση πύλης των 4,5 V του MOSFET για την ύπαρξη ορισμένων κινδύνους. Το ίδιο πρόβλημα παρουσιάζεται στη χρήση 3V ή άλλων περιπτώσεων παροχής ρεύματος χαμηλής τάσης. Η διπλή τάση χρησιμοποιείται σε ορισμένα κυκλώματα ελέγχου όπου το λογικό τμήμα χρησιμοποιεί μια τυπική ψηφιακή τάση 5 V ή 3,3 V και το τμήμα ισχύος χρησιμοποιεί 12 V ή ακόμη υψηλότερη. Οι δύο τάσεις συνδέονται χρησιμοποιώντας κοινή γείωση. Αυτό απαιτεί τη χρήση ενός κυκλώματος που επιτρέπει στην πλευρά της χαμηλής τάσης να ελέγχει αποτελεσματικά το MOSFET στην πλευρά της υψηλής τάσης, ενώ το MOSFET στην πλευρά της υψηλής τάσης θα αντιμετωπίσει τα ίδια προβλήματα που αναφέρονται στα 1 και 2. Και στις τρεις περιπτώσεις, Η δομή του πόλου τοτέμ δεν μπορεί να ανταποκριθεί στις απαιτήσεις εξόδου και πολλά IC οδηγού MOSFET εκτός ραφιού δεν φαίνεται να περιλαμβάνουν δομή περιορισμού τάσης πύλης. Η τάση εισόδου δεν είναι μια σταθερή τιμή, ποικίλλει ανάλογα με το χρόνο ή άλλους παράγοντες. Αυτή η διακύμανση κάνει την τάση κίνησης που παρέχεται στο MOSFET από το κύκλωμα PWM να είναι ασταθής. Προκειμένου να καταστεί το MOSFET ασφαλές από υψηλές τάσεις πύλης, πολλά MOSFET διαθέτουν ενσωματωμένους ρυθμιστές τάσης για να περιορίζουν με δύναμη το πλάτος της τάσης πύλης.

Σε αυτήν την περίπτωση, όταν η παρεχόμενη τάση μετάδοσης κίνησης υπερβαίνει την τάση του ρυθμιστή, θα προκαλέσει μεγάλη κατανάλωση στατικής ισχύος. υψηλή τάση εισόδου, το MOSFET λειτουργεί καλά, ενώ η τάση εισόδου μειώνεται όταν η τάση πύλης είναι ανεπαρκής για να προκαλέσει ανεπαρκώς πλήρης αγωγιμότητα, αυξάνοντας έτσι την κατανάλωση ισχύος.

Σχετικά κοινό κύκλωμα εδώ μόνο για το κύκλωμα προγράμματος οδήγησης NMOS για να κάνει μια απλή ανάλυση: Τα Vl και Vh είναι το τροφοδοτικό χαμηλής και υψηλής ποιότητας, αντίστοιχα, οι δύο τάσεις μπορεί να είναι ίδιες, αλλά το Vl δεν πρέπει να υπερβαίνει το Vh. Τα Q1 και Q2 σχηματίζουν έναν ανεστραμμένο τοτέμ πόλο, που χρησιμοποιείται για την επίτευξη της απομόνωσης και ταυτόχρονα για να διασφαλιστεί ότι οι δύο σωλήνες οδηγού Q3 και Q4 δεν θα είναι ταυτόχρονα ενεργοποιημένοι. Τα R2 και R3 παρέχουν την αναφορά τάσης PWM και αλλάζοντας αυτήν την αναφορά, μπορείτε να κάνετε το κύκλωμα να λειτουργεί καλά και η τάση της πύλης δεν είναι αρκετή για να προκαλέσει μια πλήρη αγωγιμότητα, αυξάνοντας έτσι την κατανάλωση ενέργειας. Τα R2 και R3 παρέχουν την αναφορά τάσης PWM, αλλάζοντας αυτήν την αναφορά, μπορείτε να αφήσετε το κύκλωμα να λειτουργεί στην κυματομορφή του σήματος PWM είναι σχετικά απότομη και ευθεία θέση. Τα Q3 και Q4 χρησιμοποιούνται για την παροχή του ρεύματος κίνησης, λόγω του χρόνου ενεργοποίησης, τα Q3 και Q4 σε σχέση με τα Vh και GND είναι μόνο μια ελάχιστη πτώση τάσης Vce, αυτή η πτώση τάσης είναι συνήθως μόνο 0,3V περίπου, πολύ χαμηλότερη από τα 0,7 V Vce R5 και R6 είναι αντιστάσεις ανάδρασης για τη δειγματοληψία τάσης πύλης, μετά τη δειγματοληψία της τάσης, την τάση της πύλης χρησιμοποιείται ως αντίσταση ανάδρασης στην τάση πύλης και η τάση του δείγματος χρησιμοποιείται στην τάση πύλης. Οι R5 και R6 είναι αντιστάσεις ανάδρασης που χρησιμοποιούνται για τη δειγματοληψία της τάσης πύλης, η οποία στη συνέχεια διέρχεται από το Q5 για να δημιουργήσει μια ισχυρή αρνητική ανάδραση στις βάσεις των Q1 και Q2, περιορίζοντας έτσι την τάση πύλης σε μια πεπερασμένη τιμή. Αυτή η τιμή μπορεί να ρυθμιστεί με R5 και R6. Τέλος, το R1 παρέχει τον περιορισμό του ρεύματος βάσης στα Q3 και Q4 και το R4 παρέχει τον περιορισμό του ρεύματος πύλης στα MOSFET, που είναι ο περιορισμός του πάγου του Q3Q4. Ένας πυκνωτής επιτάχυνσης μπορεί να συνδεθεί παράλληλα πάνω από το R4 εάν είναι απαραίτητο.                                         

Κατά το σχεδιασμό φορητών συσκευών και ασύρματων προϊόντων, η βελτίωση της απόδοσης του προϊόντος και η παράταση του χρόνου λειτουργίας της μπαταρίας είναι δύο ζητήματα που πρέπει να αντιμετωπίσουν οι σχεδιαστές. Οι μετατροπείς DC-DC έχουν τα πλεονεκτήματα της υψηλής απόδοσης, του υψηλού ρεύματος εξόδου και του χαμηλού ρεύματος ηρεμίας, τα οποία είναι πολύ κατάλληλα για την τροφοδοσία φορητών συσκευές.

Οι μετατροπείς DC-DC έχουν τα πλεονεκτήματα της υψηλής απόδοσης, του υψηλού ρεύματος εξόδου και του χαμηλού ρεύματος ηρεμίας, τα οποία είναι πολύ κατάλληλα για την τροφοδοσία φορητών συσκευών. Επί του παρόντος, οι κύριες τάσεις στην ανάπτυξη της τεχνολογίας σχεδιασμού μετατροπέων DC-DC περιλαμβάνουν: τεχνολογία υψηλής συχνότητας: με την αύξηση της συχνότητας μεταγωγής, το μέγεθος του μετατροπέα μεταγωγής μειώνεται επίσης, η πυκνότητα ισχύος έχει αυξηθεί σημαντικά και η δυναμική η απόκριση έχει βελτιωθεί. Μικρό

Η συχνότητα μεταγωγής μετατροπέα ισχύος DC-DC θα αυξηθεί στο επίπεδο των megahertz. Τεχνολογία χαμηλής τάσης εξόδου: Με τη συνεχή ανάπτυξη της τεχνολογίας κατασκευής ημιαγωγών, η τάση λειτουργίας των μικροεπεξεργαστών και φορητού ηλεκτρονικού εξοπλισμού γίνεται όλο και χαμηλότερη, γεγονός που απαιτεί ο μελλοντικός μετατροπέας DC-DC να μπορεί να παρέχει χαμηλή τάση εξόδου για να προσαρμοστεί στον μικροεπεξεργαστή και στον φορητό ηλεκτρονικό εξοπλισμό. απαιτεί μελλοντικός μετατροπέας DC-DC μπορεί να παρέχει χαμηλή τάση εξόδου για να προσαρμοστεί στον μικροεπεξεργαστή.

Αρκετά για την παροχή χαμηλής τάσης εξόδου για προσαρμογή σε μικροεπεξεργαστές και φορητό ηλεκτρονικό εξοπλισμό. Αυτές οι τεχνολογικές εξελίξεις προβάλλουν υψηλότερες απαιτήσεις για το σχεδιασμό κυκλωμάτων τσιπ τροφοδοσίας. Πρώτα απ 'όλα, με την αυξανόμενη συχνότητα μεταγωγής, προωθείται η απόδοση των εξαρτημάτων μεταγωγής

Υψηλές απαιτήσεις για την απόδοση του στοιχείου μεταγωγής, και πρέπει να έχει το αντίστοιχο κύκλωμα κίνησης στοιχείου μεταγωγής για να διασφαλίζεται ότι το στοιχείο μεταγωγής στη συχνότητα μεταγωγής μέχρι το επίπεδο των megahertz της κανονικής λειτουργίας. Δεύτερον, για φορητές ηλεκτρονικές συσκευές που τροφοδοτούνται με μπαταρία, η τάση λειτουργίας του κυκλώματος είναι χαμηλή (για παράδειγμα, στην περίπτωση των μπαταριών λιθίου).

Οι μπαταρίες λιθίου, για παράδειγμα, η τάση λειτουργίας των 2,5 ~ 3,6V), έτσι ώστε το τσιπ τροφοδοσίας για τη χαμηλότερη τάση.

Το MOSFET έχει πολύ χαμηλή αντίσταση, χαμηλή κατανάλωση ενέργειας, στο σημερινό δημοφιλές υψηλής απόδοσης τσιπ DC-DC περισσότερο MOSFET ως διακόπτης ισχύος. Ωστόσο, λόγω της μεγάλης παρασιτικής χωρητικότητας των MOSFET. Αυτό θέτει υψηλότερες απαιτήσεις στη σχεδίαση κυκλωμάτων οδήγησης σωλήνα μεταγωγής για το σχεδιασμό μετατροπέων DC-DC υψηλής συχνότητας λειτουργίας. Υπάρχουν διάφορα λογικά κυκλώματα CMOS, BiCMOS που χρησιμοποιούν δομή ενίσχυσης εκκίνησης και κυκλώματα οδήγησης ως μεγάλα χωρητικά φορτία σε σχεδιασμό ULSI χαμηλής τάσης. Αυτά τα κυκλώματα είναι σε θέση να λειτουργούν σωστά υπό συνθήκες τροφοδοσίας τάσης μικρότερης από 1 V και μπορούν να λειτουργήσουν υπό συνθήκες χωρητικότητας φορτίου 1 ~ 2 pF συχνότητα μπορεί να φτάσει δεκάδες megabit ή ακόμη και εκατοντάδες megahertz. Σε αυτό το άρθρο, το κύκλωμα ενίσχυσης του ιμάντα εκκίνησης χρησιμοποιείται για να σχεδιάσει μια ικανότητα κίνησης μεγάλης χωρητικότητας φορτίου, κατάλληλη για κύκλωμα κίνησης μετατροπέα DC-DC υψηλής συχνότητας μεταγωγής χαμηλής τάσης. Τάση χαμηλής ποιότητας και PWM για την οδήγηση MOSFET υψηλής τεχνολογίας. μικρό πλάτος σήμα PWM για την οδήγηση των απαιτήσεων υψηλής τάσης πύλης των MOSFET.