Maarifa ya asili ya MOSFET na matumizi

Kuhusu kwa nini hali ya kupunguaMOSFETshazitumiwi, haipendekezi kupata chini yake.

Kwa MOSFET hizi mbili za hali ya uboreshaji, NMOS hutumiwa zaidi. Sababu ni kwamba upinzani wa juu ni mdogo na rahisi kutengeneza. Kwa hivyo, NMOS kwa ujumla hutumiwa katika kubadili usambazaji wa umeme na programu za kuendesha gari. Katika utangulizi ufuatao, NMOS hutumiwa zaidi.

Kuna uwezo wa vimelea kati ya pini tatu za MOSFET. Hii sio tunayohitaji, lakini inasababishwa na mapungufu ya mchakato wa utengenezaji. Uwepo wa capacitance ya vimelea hufanya kuwa shida zaidi wakati wa kubuni au kuchagua mzunguko wa gari, lakini hakuna njia ya kuepuka. Tutaitambulisha kwa undani baadaye.

Kuna diode ya vimelea kati ya kukimbia na chanzo. Hii inaitwa diode ya mwili. Diode hii ni muhimu sana wakati wa kuendesha mizigo ya inductive (kama vile motors). Kwa njia, diode ya mwili iko tu katika MOSFET moja na kwa kawaida haipatikani ndani ya chip jumuishi cha mzunguko.

 

2. Tabia za uendeshaji wa MOSFET

Kuendesha kunamaanisha kufanya kama swichi, ambayo ni sawa na swichi kufungwa.

Tabia ya NMOS ni kwamba itawashwa wakati Vgs ni kubwa kuliko thamani fulani. Inafaa kwa matumizi wakati chanzo kimewekwa msingi (gari la chini-mwisho), mradi tu voltage ya lango inafikia 4V au 10V.

Tabia za PMOS ni kwamba itawasha wakati Vgs ni chini ya thamani fulani, ambayo inafaa kwa hali ambapo chanzo kinaunganishwa na VCC (gari la juu). Hata hivyo, ingawaPMOSinaweza kutumika kwa urahisi kama kiendeshi cha hali ya juu, NMOS kawaida hutumiwa katika viendeshi vya hali ya juu kwa sababu ya upinzani mkubwa, bei ya juu, na aina chache za uingizwaji.

 

3. MOS kubadili tube hasara

Iwe ni NMOS au PMOS, kuna ukinzani baada ya kuwashwa, kwa hivyo mkondo utatumia nishati kwenye ukinzani huu. Sehemu hii ya nishati inayotumiwa inaitwa upotezaji wa upitishaji. Kuchagua MOSFET yenye upinzani mdogo itapunguza hasara za upitishaji. Ukinzani wa kisasa wa MOSFET wa nguvu ya chini kwa ujumla ni karibu makumi ya milioni, na pia kuna miliohmu kadhaa.

Wakati MOSFET imewashwa na kuzimwa, haipaswi kukamilishwa mara moja. Voltage kwenye MOS ina mchakato wa kupungua, na mtiririko wa sasa una mchakato unaoongezeka. Katika kipindi hiki,ya MOSFEThasara ni bidhaa ya voltage na sasa, ambayo inaitwa byte hasara. Kawaida hasara za kubadili ni kubwa zaidi kuliko hasara za uendeshaji, na kasi ya mzunguko wa kubadili, hasara kubwa zaidi.

Bidhaa ya voltage na ya sasa wakati wa conduction ni kubwa sana, na kusababisha hasara kubwa. Kufupisha muda wa kubadili kunaweza kupunguza hasara wakati wa kila conduction; kupunguza mzunguko wa kubadili kunaweza kupunguza idadi ya swichi kwa wakati wa kitengo. Njia zote mbili zinaweza kupunguza hasara za kubadili.

Umbo la wimbi wakati MOSFET imewashwa. Inaweza kuonekana kuwa bidhaa ya voltage na ya sasa wakati wa uendeshaji ni kubwa sana, na hasara iliyosababishwa pia ni kubwa sana. Kupunguza muda wa kubadili kunaweza kupunguza hasara wakati wa kila conduction; kupunguza mzunguko wa kubadili kunaweza kupunguza idadi ya swichi kwa wakati wa kitengo. Njia zote mbili zinaweza kupunguza hasara za kubadili.

 

4. Dereva wa MOSFET

Ikilinganishwa na transistors ya bipolar, kwa ujumla inaaminika kuwa hakuna sasa inahitajika kuwasha MOSFET, mradi tu voltage ya GS ni kubwa kuliko thamani fulani. Hii ni rahisi kufanya, lakini pia tunahitaji kasi.

Inaweza kuonekana katika muundo wa MOSFET kwamba kuna capacitance ya vimelea kati ya GS na GD, na kuendesha gari kwa MOSFET ni kweli malipo na kutokwa kwa capacitor. Kuchaji capacitor kunahitaji sasa, kwa sababu capacitor inaweza kuzingatiwa kama mzunguko mfupi wakati wa kuchaji, kwa hivyo sasa ya papo hapo itakuwa kubwa. Jambo la kwanza la kuzingatia wakati wa kuchagua / kubuni dereva wa MOSFET ni kiasi cha sasa cha mzunguko mfupi wa papo hapo kinaweza kutoa. .

Jambo la pili la kuzingatia ni kwamba NMOS, ambayo hutumiwa kwa uendeshaji wa hali ya juu, inahitaji voltage ya lango kuwa kubwa kuliko voltage ya chanzo inapowashwa. Wakati MOSFET inayoendeshwa na upande wa juu imewashwa, voltage ya chanzo ni sawa na voltage ya kukimbia (VCC), hivyo voltage ya lango ni 4V au 10V kubwa kuliko VCC kwa wakati huu. Ikiwa unataka kupata voltage kubwa kuliko VCC katika mfumo huo huo, unahitaji mzunguko maalum wa kuongeza. Madereva mengi ya magari yana pampu za malipo zilizounganishwa. Ikumbukwe kwamba capacitor ya nje inayofaa inapaswa kuchaguliwa ili kupata sasa ya kutosha ya mzunguko mfupi ili kuendesha MOSFET.

 

4V au 10V iliyotajwa hapo juu ni voltage ya kuwasha ya MOSFET zinazotumiwa kawaida, na bila shaka ukingo fulani unahitaji kuruhusiwa wakati wa kubuni. Na juu ya voltage, kasi ya kasi ya conduction na ndogo upinzani conduction. Sasa kuna MOSFET zilizo na voltages ndogo za upitishaji zinazotumiwa katika nyanja tofauti, lakini katika mifumo ya elektroniki ya magari ya 12V, kwa ujumla upitishaji wa 4V unatosha.

 

Kwa mzunguko wa viendeshaji wa MOSFET na hasara zake, tafadhali rejelea Microchip's AN799 Kulinganisha Viendeshi vya MOSFET na MOSFET. Ni ya kina sana, kwa hivyo sitaandika zaidi.

 

Bidhaa ya voltage na ya sasa wakati wa conduction ni kubwa sana, na kusababisha hasara kubwa. Kupunguza muda wa kubadili kunaweza kupunguza hasara wakati wa kila conduction; kupunguza mzunguko wa kubadili kunaweza kupunguza idadi ya swichi kwa wakati wa kitengo. Njia zote mbili zinaweza kupunguza hasara za kubadili.

MOSFET ni aina ya FET (nyingine ni JFET). Inaweza kufanywa katika hali ya uboreshaji au hali ya kupungua, P-channel au N-channel, jumla ya aina 4. Hata hivyo, MOSFET ya njia ya uboreshaji pekee ndiyo inatumika. na P-chaneli ya uboreshaji ya aina ya MOSFET, kwa hivyo NMOS au PMOS kawaida hurejelea aina hizi mbili.

 

5. Mzunguko wa maombi ya MOSFET?

Tabia muhimu zaidi ya MOSFET ni sifa zake nzuri za kubadili, kwa hivyo hutumiwa sana katika mizunguko ambayo inahitaji swichi za elektroniki, kama vile vifaa vya nguvu na viendeshi vya gari, pamoja na kufifia kwa taa.

 

Madereva ya MOSFET ya leo yana mahitaji kadhaa maalum:

1. Utumiaji wa voltage ya chini

Wakati wa kutumia umeme wa 5V, ikiwa muundo wa jadi wa totem hutumiwa wakati huu, kwa kuwa transistor kuwa ina kushuka kwa voltage ya karibu 0.7V, voltage halisi ya mwisho inayotumiwa kwenye lango ni 4.3V tu. Kwa wakati huu, tunachagua nguvu ya lango la majina

Kuna hatari fulani wakati wa kutumia MOSFET 4.5V. Tatizo sawa pia hutokea wakati wa kutumia 3V au vifaa vingine vya chini vya voltage.

2. Wide voltage maombi

Voltage ya pembejeo sio thamani ya kudumu, itabadilika kwa wakati au mambo mengine. Mabadiliko haya husababisha voltage ya kuendesha inayotolewa na mzunguko wa PWM kwa MOSFET kutokuwa thabiti.

Ili kufanya MOSFETs kuwa salama chini ya voltages ya juu ya lango, MOSFET nyingi zina vidhibiti vya voltage vilivyojengwa ili kupunguza kwa nguvu amplitude ya voltage ya lango. Katika kesi hiyo, wakati voltage ya kuendesha gari iliyotolewa inazidi voltage ya tube ya mdhibiti wa voltage, itasababisha matumizi makubwa ya nguvu ya tuli.

Wakati huo huo, ikiwa unatumia tu kanuni ya mgawanyiko wa voltage ya kupinga ili kupunguza voltage ya lango, MOSFET itafanya kazi vizuri wakati voltage ya pembejeo ni ya juu, lakini wakati voltage ya pembejeo imepunguzwa, voltage ya lango itakuwa haitoshi, na kusababisha. upitishaji usio kamili, na hivyo kuongeza matumizi ya nguvu.

3. Maombi ya voltage mbili

Katika baadhi ya nyaya za udhibiti, sehemu ya mantiki hutumia voltage ya kawaida ya 5V au 3.3V ya digital, wakati sehemu ya nguvu hutumia voltage ya 12V au hata zaidi. Voltages mbili zimeunganishwa kwenye ardhi ya kawaida.

Hii inaleta hitaji la kutumia mzunguko ili upande wa chini-voltage uweze kudhibiti kwa ufanisi MOSFET kwenye upande wa juu-voltage. Wakati huo huo, MOSFET kwenye upande wa high-voltage pia itakabiliwa na matatizo yaliyotajwa katika 1 na 2.

Katika visa hivi vitatu, muundo wa nguzo ya totem hauwezi kukidhi mahitaji ya pato, na IC nyingi za dereva za MOSFET za nje ya rafu hazionekani kujumuisha miundo ya kuzuia voltage ya lango.

 

Kwa hivyo nilitengeneza mzunguko wa jumla kiasi ili kukidhi mahitaji haya matatu.

.

Mzunguko wa kiendeshi kwa NMOS

Hapa nitafanya uchambuzi rahisi tu wa mzunguko wa dereva wa NMOS:

Vl na Vh ni vifaa vya nguvu vya chini na vya juu kwa mtiririko huo. Voltages mbili zinaweza kuwa sawa, lakini Vl haipaswi kuzidi Vh.

Q1 na Q2 huunda nguzo ya totem iliyogeuzwa ili kufikia kutengwa huku ikihakikisha kuwa mirija miwili ya kiendeshi Q3 na Q4 haiwashi kwa wakati mmoja.

R2 na R3 hutoa rejeleo la voltage ya PWM. Kwa kubadilisha rejeleo hili, mzunguko unaweza kuendeshwa katika nafasi ambapo mawimbi ya ishara ya PWM ni mwinuko kiasi.

Q3 na Q4 hutumiwa kutoa gari la sasa. Inapowashwa, Q3 na Q4 huwa na kiwango cha chini tu cha kushuka kwa voltage ya Vce ikilinganishwa na Vh na GND. Kushuka kwa voltage hii kwa kawaida ni karibu 0.3V tu, ambayo ni chini sana kuliko Vce ya 0.7V.

R5 na R6 ni vipinga vya maoni, vinavyotumika sampuli ya voltage ya lango. Sampuli ya voltage hutoa maoni hasi kali kwa misingi ya Q1 na Q2 kupitia Q5, na hivyo kupunguza voltage ya lango kwa thamani ndogo. Thamani hii inaweza kubadilishwa kupitia R5 na R6.

Hatimaye, R1 hutoa kikomo cha sasa cha msingi kwa Q3 na Q4, na R4 hutoa kikomo cha sasa cha lango kwa MOSFET, ambayo ni kikomo cha Barafu ya Q3 na Q4. Ikiwa ni lazima, capacitor ya kuongeza kasi inaweza kushikamana sambamba na R4.

Mzunguko huu hutoa vipengele vifuatavyo:

1. Tumia voltage ya upande wa chini na PWM kuendesha MOSFET ya upande wa juu.

2. Tumia ishara ndogo ya amplitude ya PWM ili kuendesha MOSFET yenye mahitaji ya juu ya voltage ya lango.

3. Kikomo cha kilele cha voltage ya lango

4. Vikomo vya sasa vya kuingiza na kutoa

5. Kwa kutumia vipinga vinavyofaa, matumizi ya chini sana ya nguvu yanaweza kupatikana.

6. Ishara ya PWM imegeuzwa. NMOS haihitaji kipengele hiki na inaweza kutatuliwa kwa kuweka kibadilishaji umeme mbele.

Wakati wa kubuni vifaa vinavyobebeka na bidhaa zisizotumia waya, kuboresha utendakazi wa bidhaa na kupanua maisha ya betri ni masuala mawili ambayo wabunifu wanapaswa kukabili. Vigeuzi vya DC-DC vina faida za ufanisi wa juu, pato kubwa la sasa, na mkondo wa utulivu wa chini, na kuwafanya kufaa sana kwa kuwasha vifaa vinavyobebeka. Kwa sasa, mwelekeo kuu katika maendeleo ya teknolojia ya kubuni ya kibadilishaji cha DC-DC ni: (1) Teknolojia ya masafa ya juu: Kadiri mzunguko wa ubadilishaji unavyoongezeka, saizi ya kibadilishaji cha ubadilishaji pia hupunguzwa, msongamano wa nguvu pia huongezeka sana; na mwitikio wa nguvu unaboreshwa. . Mzunguko wa kubadili wa vibadilishaji vya nguvu vya chini vya DC-DC vitapanda hadi kiwango cha megahertz. (2) Teknolojia ya voltage ya pato la chini: Pamoja na maendeleo endelevu ya teknolojia ya utengenezaji wa semiconductor, volteji ya uendeshaji ya vichakataji vidogo na vifaa vya kielektroniki vinavyobebeka inashuka na kushuka, ambayo inahitaji vigeuzi vya baadaye vya DC-DC ili kutoa voltage ya chini ya pato ili kukabiliana na microprocessors. mahitaji ya wasindikaji na vifaa vya elektroniki vinavyobebeka.

Ukuzaji wa teknolojia hizi umeweka mahitaji ya juu zaidi kwa muundo wa nyaya za chip za nguvu. Awali ya yote, wakati mzunguko wa kubadili unaendelea kuongezeka, mahitaji ya juu yanawekwa kwenye utendaji wa vipengele vya kubadili. Wakati huo huo, nyaya za kiendeshi zinazoendana za kipengee lazima zitolewe ili kuhakikisha kuwa vipengele vya kubadili hufanya kazi kwa kawaida katika kubadili masafa hadi MHz. Pili, kwa vifaa vya elektroniki vinavyotumia betri, voltage ya kufanya kazi ya mzunguko ni ya chini (kuchukua betri za lithiamu kama mfano, voltage ya kufanya kazi ni 2.5 ~ 3.6V), kwa hivyo, voltage ya kufanya kazi ya chip ya nguvu ni ya chini.

 

MOSFET ina upinzani mdogo sana na hutumia nishati kidogo. MOSFET mara nyingi hutumiwa kama swichi ya nguvu katika chipsi maarufu za DC-DC za ufanisi wa juu kwa sasa. Hata hivyo, kutokana na uwezo mkubwa wa vimelea wa MOSFET, uwezo wa lango la mirija ya kubadilishia NMOS kwa ujumla ni kubwa kama makumi ya pikofaradi. Hii inaweka mbele mahitaji ya juu zaidi ya muundo wa mzunguko wa juu wa uendeshaji wa kibadilishaji cha DC-DC cha kubadilisha kiendeshi cha kiendeshi.

Katika miundo ya ULSI yenye voltage ya chini, kuna aina mbalimbali za saketi za mantiki za CMOS na BiCMOS zinazotumia miundo ya kuimarisha bootstrap na mizunguko ya kuendesha kama mizigo mikubwa ya uwezo. Mizunguko hii inaweza kufanya kazi kwa kawaida na voltage ya usambazaji wa nguvu chini ya 1V, na inaweza kufanya kazi kwa masafa ya makumi ya megahertz au hata mamia ya megahertz yenye uwezo wa kubeba wa 1 hadi 2pF. Kifungu hiki kinatumia mzunguko wa kuongeza kasi ya bootstrap ili kuunda mzunguko wa kiendeshi na uwezo mkubwa wa kiendeshi wa uwezo wa kubeba ambao unafaa kwa volti ya chini, vibadilishaji vigeuzi vya DC-DC vinavyoongeza masafa ya juu. Saketi imeundwa kulingana na mchakato wa Samsung AHP615 BiCMOS na kuthibitishwa na simulation ya Hspice. Wakati voltage ya usambazaji ni 1.5V na uwezo wa mzigo ni 60pF, mzunguko wa uendeshaji unaweza kufikia zaidi ya 5MHz.

.

Tabia za kubadilisha MOSFET

.

1. Tabia tuli

Kama kipengele cha kubadili, MOSFET pia inafanya kazi katika majimbo mawili: imezimwa au imewashwa. Kwa kuwa MOSFET ni sehemu inayodhibitiwa na voltage, hali yake ya kufanya kazi imedhamiriwa hasa na uGS wa voltage ya lango-chanzo.

 

Tabia za kazi ni kama ifuatavyo:

※ uGS＜voltage ya kuwasha UT: MOSFET inafanya kazi katika eneo lililokatwa, iDS ya sasa ya chanzo cha maji ni 0, voltage ya pato uDS≈UDD, na MOSFET iko katika hali ya "kuzima".

※ uGS>Washa voltage UT: MOSFET inafanya kazi katika eneo la upitishaji, chanzo cha sasa cha kukimbia iDS=UDD/(RD+rDS). Miongoni mwao, rDS ni upinzani wa chanzo cha kukimbia wakati MOSFET imewashwa. Voltage ya pato UDS=UDD?rDS/(RD+rDS), ikiwa rDS＜＜RD, uDS≈0V, MOSFET iko katika hali ya "kuwasha".

2. Tabia za nguvu

MOSFET pia ina mchakato wa mpito wakati wa kubadili kati ya majimbo ya kuwasha na kuzima, lakini sifa zake zinazobadilika hutegemea hasa wakati unaohitajika kuchaji na kutekeleza uwezo wa kupotoka unaohusiana na saketi, na mkusanyiko wa chaji na kutokwa wakati bomba yenyewe imewashwa na kuzimwa. Wakati wa kuota ni mdogo sana.

Wakati voltage ya pembejeo ui inabadilika kutoka juu hadi chini na MOSFET inabadilika kutoka hali ya kuwasha hadi hali ya nje, usambazaji wa umeme UDD huchaji uwezo wa kupotea wa CL kupitia RD, na wakati wa kuchaji mara kwa mara τ1=RDCL. Kwa hiyo, voltage ya pato uo inahitaji kupitia kuchelewa fulani kabla ya kubadilisha kutoka ngazi ya chini hadi ngazi ya juu; wakati voltage ya pembejeo ui inabadilika kutoka chini hadi juu na MOSFET inabadilika kutoka hali ya mbali hadi kwenye hali, malipo kwenye capacitance iliyopotea CL inapita kupitia rDS Utekelezaji hutokea kwa muda wa kutokwa mara kwa mara τ2≈rDSCL. Inaweza kuonekana kuwa voltage ya pato Uo pia inahitaji ucheleweshaji fulani kabla ya mpito hadi kiwango cha chini. Lakini kwa sababu rDS ni ndogo sana kuliko RD, muda wa ubadilishaji kutoka kwa kukatwa hadi upitishaji ni mfupi kuliko wakati wa ubadilishaji kutoka kwa upitishaji hadi kukatwa.

Kwa kuwa rDS ya upinzani wa chanzo cha kukimbia cha MOSFET inapowashwa ni kubwa zaidi kuliko upinzani wa kueneza rCES ya transistor, na upinzani wa nje wa kukimbia RD pia ni kubwa kuliko upinzani wa mtoza wa transistor, wakati wa malipo na kutokwa. ya MOSFET ni ndefu, na kufanya MOSFET Kasi ya kubadili ni ya chini kuliko ile ya transistor. Walakini, katika mizunguko ya CMOS, kwa kuwa mzunguko wa malipo na mzunguko wa kutokwa ni saketi zenye upinzani mdogo, michakato ya kuchaji na kutokwa ni ya haraka, na kusababisha kasi ya juu ya kubadili kwa mzunguko wa CMOS.