MOSFET jatorrizko oinarrizko ezagutza eta aplikazioa

Zergatik agortze moduaMOSFETakez dira erabiltzen, ez da gomendagarria hondoraino iristea.

Hobekuntza moduko bi MOSFET hauetarako, NMOS gehiago erabiltzen da. Arrazoia da on-erresistentzia txikia eta fabrikatzeko erraza dela. Hori dela eta, NMOS, oro har, elikadura-hornidura kommutaziorako eta motorra eratorritako aplikazioetan erabiltzen da. Hurrengo sarreran, NMOS erabiltzen da gehienbat.

MOSFETaren hiru pinen artean kapazitate parasito bat dago. Hau ez da behar duguna, baizik eta fabrikazio-prozesuaren mugek eragiten dute. Kapazitate parasitoa egoteak traba handiagoa egiten du disko zirkuitu bat diseinatzen edo hautatzen denean, baina ez dago saihesteko modurik. Aurrerago aurkeztuko dugu xehetasunez.

Hustubidearen eta iturriaren artean diodo parasito bat dago. Gorputz diodoa deitzen zaio horri. Diodo hau oso garrantzitsua da karga induktiboak gidatzen direnean (motorrak adibidez). Bide batez, gorputz-diodoa MOSFET bakar batean bakarrik existitzen da eta normalean ez da zirkuitu integratuko txip baten barruan aurkitzen.

 

2. MOSFETen eroapen-ezaugarriak

Eroaleak etengailu gisa jardutea esan nahi du, hau da, etengailua itxita egotearen parekoa da.

NMOSen ezaugarria Vgs balio jakin bat baino handiagoa denean piztuko dela da. Iturria lurreratuta dagoenean erabiltzeko egokia da (baxuko diskoa), betiere atearen tentsioa 4V edo 10V-ra iristen den bitartean.

PMOSen ezaugarriak dira Vgs balio jakin bat baino txikiagoa denean piztuko dela, hau da, iturria VCC (gama handiko unitatea) konektatuta dagoen egoeretarako egokia. Hala ere, nahiz etaPMOSErraz erabil daiteke goi-mailako kontrolatzaile gisa, NMOS normalean goi-mailako gidarietan erabiltzen da erresistentzia handia, prezio altua eta ordezko mota gutxi direlako.

 

3. MOS switch-hodiaren galera

NMOS edo PMOS den ala ez, piztu ondoren erresistentzia bat dago, beraz, korronteak energia kontsumituko du erresistentzia horretan. Kontsumitzen den energiaren zati honi eroapen-galera esaten zaio. On-erresistentzia txikia duen MOSFET bat aukeratzeak eroapen-galerak murriztuko ditu. Gaur egungo potentzia baxuko MOSFET on-erresistentzia hamarnaka miliohm ingurukoa da, eta hainbat miliohm ere badaude.

MOSFET-a piztu eta itzaltzen denean, ez da berehala osatu behar. MOS zeharko tentsioak beheranzko prozesua du, eta korronte korronteak gero eta handiagoa. Aldi honetan,MOSFET-akgalera tentsioaren eta korrontearen arteko biderkadura da, eta hori kommutazio-galera deritzo. Normalean konmutazio-galerak eroapen-galerak baino askoz ere handiagoak dira, eta zenbat eta azkarrago kommutazio-maiztasuna, orduan eta handiagoak dira galerak.

Tentsioaren eta korrontearen produktua eroapen unean oso handia da, galera handiak eragiten ditu. Kommutazio-denbora laburtzeak eroapen bakoitzean galera murriztu dezake; kommutazio-maiztasuna murrizteak denbora-unitateko etengailu kopurua murriztu dezake. Bi metodoek aldatze-galerak murriztu ditzakete.

MOSFET-a pizten denean uhin forma. Ikusten da eroapen unean tentsioaren eta korrontearen arteko produktua oso handia dela, eta eragindako galera ere oso handia dela. Kommutazio-denbora murrizteak eroapen bakoitzean galera murriztu dezake; kommutazio-maiztasuna murrizteak denbora-unitateko etengailu kopurua murriztu dezake. Bi metodoek aldatze-galerak murriztu ditzakete.

 

4. MOSFET kontrolatzailea

Transistore bipolarren aldean, orokorrean uste da ez dela korronterik behar MOSFET bat pizteko, betiere GS tentsioa balio jakin bat baino handiagoa bada. Hau egiteko erraza da, baina abiadura ere behar dugu.

MOSFETaren egituran ikus daiteke GS eta GDren artean kapazitate parasito bat dagoela, eta MOSFETaren gidatzea kondentsadorearen karga eta deskarga da. Kondentsadorea kargatzeko korronte bat behar da, kondentsadorea zirkuitu laburtzat har daitekeelako kargatzeko unean, beraz, berehalako korrontea nahiko handia izango da. MOSFET kontrolatzailea hautatzerakoan/diseinatzerakoan arreta jarri behar zaion lehen gauza eman dezakeen berehalako zirkuitu labur-korronte kopurua da. ,

Kontuan izan behar den bigarren gauza da NMOS, goi mailako gidatzeko erabili ohi dena, atearen tentsioa iturburuko tentsioa baino handiagoa izan behar duela pizten denean. Goi-alde gidatutako MOSFET-a pizten denean, iturri-tentsioa drain-tentsioaren (VCC) berdina da, beraz, atearen tentsioa VCC baino 4V edo 10V handiagoa da une honetan. Sistema berean VCC baino tentsio handiagoa lortu nahi baduzu, boost zirkuitu berezi bat behar duzu. Motor gidari askok karga-ponpak integratu dituzte. Kontuan izan behar da kanpoko kondentsadore egokia hautatu behar dela MOSFET-a gidatzeko zirkuitulabur-korronte nahikoa lortzeko.

 

Goian aipatutako 4V edo 10V ohiko MOSFETen pizteko tentsioa da, eta, jakina, marjina jakin bat onartu behar da diseinuan. Eta zenbat eta tentsio handiagoa izan, orduan eta kondukzio-abiadura azkarragoa eta eroapen-erresistentzia txikiagoa izango da. Orain eremu ezberdinetan erabiltzen diren eroapen-tentsio txikiagoak dituzten MOSFETak daude, baina 12V-ko automozio-sistema elektronikoetan, oro har, 4V-ko eroapena nahikoa da.

 

MOSFET kontrolatzaile-zirkuituari eta bere galerei buruz, ikusi Microchip-en AN799 MOSFET kontrolatzaileak MOSFETekin bat datozenak. Oso zehatza da, beraz, ez dut gehiago idatziko.

 

Tentsioaren eta korrontearen produktua eroapen unean oso handia da, galera handiak eragiten ditu. Kommutazio-denbora murrizteak eroapen bakoitzean galera murriztu dezake; kommutazio-maiztasuna murrizteak denbora-unitateko etengailu kopurua murriztu dezake. Bi metodoek aldatze-galerak murriztu ditzakete.

MOSFET FET mota bat da (bestea JFET da). Hobekuntza moduan edo agortze moduan egin daiteke, P kanala edo N kanala, guztira 4 mota. Hala ere, hobekuntza moduko N kanaleko MOSFET bakarrik erabiltzen da. eta hobekuntza motako P kanaleko MOSFET, beraz, NMOS edo PMOSek bi mota hauek aipatzen dituzte.

 

5. MOSFET aplikazioaren zirkuitua?

MOSFET-en ezaugarririk esanguratsuena bere kommutazio-ezaugarri onak dira, beraz, oso erabilia da etengailu elektronikoak behar dituzten zirkuituetan, hala nola, elikatze-iturri eta motor-unitate kommutazioetan, baita argiaren iluntzean ere.

 

Gaur egungo MOSFET kontrolatzaileek hainbat baldintza berezi dituzte:

1. Behe-tentsioko aplikazioa

5V-ko elikadura-iturri bat erabiltzean, une honetan totem-polearen egitura tradizionala erabiltzen bada, transistoreak 0,7V inguruko tentsio-jaitsiera duenez, ateari aplikatutako benetako azken tentsioa 4,3V baino ez da. Une honetan, atearen potentzia nominala aukeratzen dugu

4.5V MOSFET bat erabiltzean arrisku jakin bat dago. Arazo bera gertatzen da 3V edo tentsio baxuko beste hornikuntza batzuk erabiltzean.

2. Tentsioaren aplikazio zabala

Sarrerako tentsioa ez da balio finkoa, denborarekin edo beste faktore batzuekin aldatuko da. Aldaketa honek PWM zirkuituak MOSFETari emandako gidatzeko tentsioa ezegonkorra izatea eragiten du.

MOSFETak ate tentsio handietan seguru izan daitezen, MOSFET askok tentsio-erreguladoreak dituzte atearen tentsioaren anplitudea indarrez mugatzeko. Kasu honetan, emandako gidatzeko tentsioak tentsio erregulatzailearen hodiaren tentsioa gainditzen duenean, potentzia-kontsumo estatiko handia eragingo du.

Aldi berean, atearen tentsioa murrizteko erresistentzia-tentsioaren zatiketaren printzipioa besterik ez baduzu erabiltzen, MOSFET-ak ondo funtzionatuko du sarrerako tentsioa nahiko altua denean, baina sarrerako tentsioa murrizten denean, atearen tentsioa nahikoa ez da izango, ondorioz. eroapen osatugabea, beraz, energia-kontsumoa areagotuz.

3. Tentsio bikoitzeko aplikazioa

Kontrol-zirkuitu batzuetan, zati logikoak 5V-ko edo 3.3V-ko tentsio digital tipikoa erabiltzen du, potentzia-zatiak 12V-eko tentsioa edo are handiagoa erabiltzen du. Bi tentsioak lur komun batera konektatuta daude.

Horrek zirkuitu bat erabiltzeko eskakizuna sortzen du, behe-tentsioko aldean MOSFET-a eraginkortasunez kontrolatu dezan tentsio handiko aldean. Aldi berean, goi-tentsioko MOSFETek 1 eta 2.etan aipatutako arazoei ere aurre egingo die.

Hiru kasu hauetan, totem-polearen egiturak ezin ditu irteera-baldintzak bete, eta kanpoko MOSFET kontrolatzaile IC askok ez dirudi atearen tentsioa mugatzeko egiturak barne hartzen dituztenik.

 

Beraz, zirkuitu orokor samarra diseinatu nuen hiru behar horiei erantzuteko.

,

NMOSentzako gidariaren zirkuitua

Hemen NMOS kontrolatzailearen zirkuituaren analisi sinple bat baino ez dut egingo:

Vl eta Vh maila baxuko eta goi mailako elikadura-hornidurak dira, hurrenez hurren. Bi tentsioak berdinak izan daitezke, baina Vl-k ez luke Vh gainditu behar.

Q1 eta Q2 alderantzizko totem bat osatzen dute isolamendua lortzeko, Q3 eta Q4 gidari-hodiak aldi berean pizten ez direla bermatuz.

R2 eta R3 PWM tentsio-erreferentzia ematen dute. Erreferentzia hori aldatuz, zirkuitua PWM seinalearen uhin-forma nahiko maldatsua den posizio batean funtziona daiteke.

Q3 eta Q4 disko-korrontea emateko erabiltzen dira. Piztuta daudenean, Q3 eta Q4 Vce-ko tentsio-jaitsiera minimoa soilik dute Vh eta GND-rekin alderatuta. Tentsio jaitsiera hori 0,3V ingurukoa izan ohi da, hau da, 0,7V-ko Vce baino askoz txikiagoa.

R5 eta R6 feedback-erresistentziak dira, ate-tentsioa lagintzeko erabiltzen direnak. Laginatutako tentsioak feedback negatibo indartsua sortzen du Q1 eta Q2-ren oinarrietara Q5 bidez, eta horrela ate-tentsioa balio mugatu batera mugatzen du. Balio hori R5 eta R6 bidez doitu daiteke.

Azkenik, R1-ek Q3 eta Q4-ren oinarrizko korronte-muga ematen du, eta R4-k MOSFET-erako ate-korronte-muga ematen du, hau da, Q3 eta Q4-ren Izotzaren muga. Beharrezkoa izanez gero, azelerazio-kondentsadore bat konekta daiteke paraleloan R4-rekin.

Zirkuitu honek ezaugarri hauek eskaintzen ditu:

1. Erabili alde baxuko tentsioa eta PWM alde altuko MOSFET gidatzeko.

2. Erabili anplitude txikiko PWM seinalea ate tentsio handiko eskakizunak dituen MOSFET bat gidatzeko.

3. Ate-tentsioaren gailur-muga

4. Sarrera eta irteerako korronte mugak

5. Erresistentzia egokiak erabiliz, energia-kontsumo oso baxua lor daiteke.

6. PWM seinalea alderantziz dago. NMOSek ez du ezaugarri hau behar eta aurrean inbertsore bat jarriz konpon daiteke.

Gailu eramangarriak eta hari gabeko produktuak diseinatzean, produktuen errendimendua hobetzea eta bateriaren iraupena luzatzea diseinatzaileek aurre egin behar dituzten bi arazo dira. DC-DC bihurgailuek eraginkortasun handiko, irteerako korronte handia eta korronte baxuaren abantailak dituzte, eta gailu eramangarriak elikatzeko oso egokiak dira. Gaur egun, DC-DC bihurgailuen diseinuaren teknologiaren garapenaren joera nagusiak hauek dira: (1) Maiztasun handiko teknologia: kommutazio-maiztasuna handitzen den heinean, kommutazio bihurgailuaren tamaina ere murrizten da, potentzia-dentsitatea ere asko handitzen da, eta erantzun dinamikoa hobetzen da. . Potentzia baxuko DC-DC bihurgailuen kommutazio-maiztasuna megahertz mailara igoko da. (2) Irteerako tentsio baxuko teknologia: erdieroaleen fabrikazio teknologiaren etengabeko garapenarekin, mikroprozesadoreen eta gailu elektroniko eramangarrien funtzionamendu-tentsioa gero eta txikiagoa da, eta horrek etorkizuneko DC-DC bihurgailuek irteerako tentsio baxua ematea eskatzen dute mikroprozesadoreetara egokitzeko. prozesadoreen eta gailu elektroniko eramangarrien baldintzak.

Teknologia hauen garapenak eskakizun handiagoak jarri ditu potentzia txip zirkuituak diseinatzeko. Lehenik eta behin, kommutazio-maiztasuna handitzen doan heinean, konmutazio-elementuen errendimenduari baldintza handiak ezartzen zaizkio. Aldi berean, dagozkien elementu kommutazio-zirkuituak eman behar dira konmutazio-elementuek MHz-ra arteko kommutazio-maiztasunetan normal funtzionatzen dutela ziurtatzeko. Bigarrenik, bateriaz elikatzen diren gailu elektroniko eramangarrietarako, zirkuituaren lan-tentsioa baxua da (litiozko bateriak adibide gisa hartuta, lan-tentsioa 2,5 ~ 3,6V-koa da), beraz, potentzia txiparen lan-tentsioa baxua da.

 

MOSFET-ek oso erresistentzia txikia du eta energia gutxi kontsumitzen du. MOSFET sarritan erabiltzen da etengailu gisa gaur egun eraginkortasun handiko DC-DC txipetan. Hala ere, MOSFETen kapazitantzia parasito handia dela eta, NMOS kommutazio-hodien ate-kapazitatea, oro har, hamarnaka picofaradiokoa da. Honek baldintza handiagoak jartzen ditu funtzionamendu-maiztasun handiko DC-DC bihurgailuen hodi-zirkuitu aldagarriaren diseinurako.

Behe-tentsioko ULSI diseinuetan, CMOS eta BiCMOS zirkuitu logiko ugari daude bootstrap boost-egiturak eta gidatzeko zirkuituak karga kapazitibo handi gisa erabiliz. Zirkuitu hauek normaltasunez funtziona dezakete 1V baino txikiagoa den elikadura-tentsioarekin, eta hamarnaka megahertz edo ehunka megaherzioko maiztasunarekin funtziona dezakete 1 eta 2pF arteko karga-kapazitatearekin. Artikulu honek bootstrap boost-zirkuitu bat erabiltzen du karga-kapazitate handiko unitate-zirkuitu bat diseinatzeko, tentsio baxuko eta kommutazio-maiztasun handiko DC-DC bihurgailuetarako egokia dena. Zirkuitua Samsung AHP615 BiCMOS prozesuan oinarrituta diseinatu da eta Hspice simulazioaren bidez egiaztatuta dago. Hornidura-tentsioa 1.5V-koa denean eta karga-kapazitatea 60pF-koa denean, funtzionamendu-maiztasuna 5MHz baino gehiago irits daiteke.

,

MOSFET kommutazio-ezaugarriak

,

1. Ezaugarri estatikoak

Etengailu-elementu gisa, MOSFET-ek ere bi egoeratan funtzionatzen du: itzalita edo piztuta. MOSFET tentsioz ​​kontrolatutako osagaia denez, bere lan-egoera ate-iturburuko uGS tentsioak zehazten du batez ere.

 

Lanaren ezaugarriak hauek dira:

※ uGS＜pizte-tentsioa UT: MOSFET-ek mozte-eremuan funtzionatzen du, drain-iturriaren korronte iDS funtsean 0 da, irteerako tentsioa uDS≈UDD eta MOSFET-a "off" egoeran dago.

※ uGS>Pizte-tentsioa UT: MOSFET-ek eroankortasun-eskualdean funtzionatzen du, drain-iturriaren korrontea iDS=UDD/(RD+rDS). Horien artean, rDS drain-iturburuko erresistentzia da MOSFET-a pizten denean. Irteerako tentsioa UDS=UDD?rDS/(RD+rDS), rDS＜＜RD, uDS≈0V bada, MOSFET-a "aktibatuta" egoeran dago.

2. Ezaugarri dinamikoak

MOSFET-ek ere trantsizio-prozesu bat du pizteko eta itzaltzeko egoerak aldatzean, baina bere ezaugarri dinamikoak, batez ere, zirkuituarekin erlazionatutako kapazitate galdua kargatzeko eta deskargatzeko behar den denboraren araberakoak dira, eta hodia bera piztuta eta itzalita dagoenean karga metatzea eta deskargatzea. Dissipazio-denbora oso txikia da.

Sarrerako ui tentsioa altutik baxura aldatzen denean eta MOSFET-a aktibatuta dagoen egoeratik itzalita dagoen egoerara aldatzen denean, UDD elikadura-iturria CL kapazitate galdua RD bidez kargatzen du, eta kargatzeko denbora-konstantea τ1=RDCL. Hori dela eta, irteerako uo tentsioak atzerapen jakin bat igaro behar du maila baxutik maila altura aldatu aurretik; Sarrerako ui tentsioa baxutik altuera aldatzen denean eta MOSFET-a off egoeratik on egoerara aldatzen denean, CL kapazitate galduaren karga rDStik igarotzen da Deskarga τ2≈rDSCL deskarga denbora-konstantearekin gertatzen da. Ikus daiteke irteerako Uo tentsioak ere atzerapen bat behar duela maila baxu batera igaro aurretik. Baina rDS RD baino askoz txikiagoa denez, mozketatik eroapenerako bihurtze-denbora laburragoa da eroapenetik mozketarako bihurtze-denbora baino.

Piztuta dagoen MOSFET-en drainatze-iturriaren erresistentzia rDS transistorearen saturazio-erresistentzia rCES baino askoz handiagoa denez eta kanpoko drainatze-erresistentzia RD transistorearen kolektore-erresistentzia RC ere handiagoa denez, kargatzeko eta deskargatzeko denbora. MOSFETaren luzeagoa da, MOSFET-a eginez. Kommutazio-abiadura transistore batena baino txikiagoa da. Hala ere, CMOS zirkuituetan, karga-zirkuitua eta deskarga-zirkuitua biak erresistentzia baxuko zirkuituak direnez, karga- eta deskarga-prozesuak nahiko azkarrak dira, eta ondorioz, CMOS zirkuituaren aldatze-abiadura handia da.