دانش و کاربرد اصلی ماسفت

در مورد چرا حالت تخلیهماسفت هااستفاده نمی شود، توصیه نمی شود به انتهای آن بروید.

برای این دو ماسفت با حالت بهبود، NMOS بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد. دلیل آن این است که مقاومت روی آن کوچک است و ساخت آن آسان است. بنابراین، NMOS به طور کلی در منبع تغذیه سوئیچینگ و برنامه های درایو موتور استفاده می شود. در مقدمه زیر بیشتر از NMOS استفاده می شود.

بین سه پایه ماسفت یک ظرفیت انگلی وجود دارد. این چیزی نیست که ما به آن نیاز داریم، بلکه ناشی از محدودیت های فرآیند تولید است. وجود خازن انگلی هنگام طراحی یا انتخاب مدار درایو دردسرسازتر می شود، اما راهی برای اجتناب از آن وجود ندارد. در ادامه به تفصیل آن را معرفی خواهیم کرد.

یک دیود انگلی بین درین و منبع وجود دارد. به این دیود بدنه می گویند. این دیود در هنگام راندن بارهای القایی (مانند موتورها) بسیار مهم است. به هر حال، دیود بدنه فقط در یک ماسفت وجود دارد و معمولاً در داخل یک تراشه مدار مجتمع یافت نمی شود.

 

2. ویژگی های هدایت ماسفت

هدایت به معنای عمل کردن به عنوان یک کلید است که معادل بسته شدن کلید است.

ویژگی NMOS این است که وقتی Vgs بیشتر از مقدار مشخصی باشد روشن می شود. برای استفاده زمانی که منبع به زمین متصل است (درایو پایین رده)، تا زمانی که ولتاژ گیت به 4 ولت یا 10 ولت برسد، مناسب است.

ویژگی‌های PMOS این است که وقتی Vgs کمتر از مقدار مشخصی باشد روشن می‌شود، که برای موقعیت‌هایی که منبع به VCC (درایو پیشرفته) متصل است، مناسب است. با این حال، اگرچهPMOSمی تواند به راحتی به عنوان یک درایور پیشرفته استفاده شود، NMOS معمولاً در درایورهای سطح بالا به دلیل مقاومت زیاد، قیمت بالا و انواع جایگزینی کمی استفاده می شود.

 

3. از دست دادن لوله سوئیچ MOS

خواه NMOS باشد یا PMOS، پس از روشن شدن، یک مقاومت روشن وجود دارد، بنابراین جریان در این مقاومت انرژی مصرف می کند. این بخش از انرژی مصرفی را از دست دادن هدایت می نامند. انتخاب یک ماسفت با مقاومت روشن کوچک باعث کاهش تلفات هدایت می شود. مقاومت روشن ماسفت کم مصرف امروزی معمولاً حدود ده ها میلی اهم است و چندین میلی اهم نیز وجود دارد.

هنگامی که ماسفت روشن و خاموش می شود، نباید فوراً تکمیل شود. ولتاژ در سراسر MOS روند کاهشی دارد و جریان جریان روند افزایشی دارد. در این دوره،ماسفت هاتلفات حاصل ضرب ولتاژ و جریان است که به آن تلفات سوئیچینگ می گویند. معمولا تلفات سوئیچینگ بسیار بزرگتر از تلفات هدایت است و هر چه فرکانس سوئیچینگ سریعتر باشد تلفات بیشتر است.

حاصلضرب ولتاژ و جریان در لحظه هدایت بسیار زیاد است و باعث تلفات زیادی می شود. کوتاه کردن زمان سوئیچینگ می تواند تلفات را در طول هر رسانش کاهش دهد. کاهش فرکانس سوئیچینگ می تواند تعداد سوئیچ ها را در واحد زمان کاهش دهد. هر دو روش می توانند تلفات سوئیچینگ را کاهش دهند.

شکل موج زمانی که ماسفت روشن می شود. مشاهده می شود که حاصل ضرب ولتاژ و جریان در لحظه هدایت بسیار زیاد است و تلفات ایجاد شده نیز بسیار زیاد است. کاهش زمان سوئیچینگ می تواند تلفات را در طول هر هدایت کاهش دهد. کاهش فرکانس سوئیچینگ می تواند تعداد سوئیچ ها را در واحد زمان کاهش دهد. هر دو روش می توانند تلفات سوئیچینگ را کاهش دهند.

 

4. درایور ماسفت

در مقایسه با ترانزیستورهای دوقطبی، عموماً اعتقاد بر این است که تا زمانی که ولتاژ GS از مقدار معینی بالاتر باشد، برای روشن کردن ماسفت به جریانی نیاز نیست. انجام این کار آسان است، اما ما به سرعت نیز نیاز داریم.

در ساختار ماسفت مشاهده می شود که بین GS و GD یک ظرفیت انگلی وجود دارد و حرکت ماسفت در واقع شارژ و دشارژ خازن است. شارژ خازن نیاز به جریان دارد، زیرا خازن را می توان به عنوان یک اتصال کوتاه در لحظه شارژ در نظر گرفت، بنابراین جریان لحظه ای نسبتا زیاد خواهد بود. اولین چیزی که هنگام انتخاب/طراحی درایور ماسفت باید به آن توجه کرد، میزان جریان اتصال کوتاه آنی است که می تواند ارائه دهد. را

دومین موردی که باید به آن توجه کرد این است که NMOS که معمولاً برای رانندگی با کیفیت بالا استفاده می شود، نیاز دارد که ولتاژ گیت در هنگام روشن شدن بیشتر از ولتاژ منبع باشد. هنگامی که ماسفت رانده سمت بالا روشن است، ولتاژ منبع همان ولتاژ تخلیه (VCC) است، بنابراین ولتاژ گیت در این زمان 4 ولت یا 10 ولت بیشتر از VCC است. اگر می خواهید ولتاژی بزرگتر از VCC در همان سیستم دریافت کنید، به یک مدار تقویت کننده ویژه نیاز دارید. بسیاری از درایورهای موتور دارای پمپ شارژ یکپارچه هستند. لازم به ذکر است که باید یک خازن خارجی مناسب برای به دست آوردن جریان اتصال کوتاه کافی برای راه اندازی ماسفت انتخاب شود.

 

ولتاژ 4 یا 10 ولتی که در بالا ذکر شد ولتاژ روشن شدن ماسفت های معمولی است و البته در طول طراحی باید حاشیه مشخصی در نظر گرفته شود. و هر چه ولتاژ بالاتر باشد سرعت رسانش سریعتر و مقاومت هدایت کمتر می شود. در حال حاضر ماسفت هایی با ولتاژ هدایت کمتر در زمینه های مختلف مورد استفاده قرار می گیرند، اما در سیستم های الکترونیکی خودرو 12 ولت، به طور کلی رسانایی 4 ولت کافی است.

 

برای مدار درایور MOSFET و تلفات آن، لطفاً به AN799 Microchip's Matching MOSFET Drivers to MOSFET مراجعه کنید. خیلی مفصل است، بنابراین بیشتر نمی نویسم.

 

حاصلضرب ولتاژ و جریان در لحظه هدایت بسیار زیاد است و باعث تلفات زیادی می شود. کاهش زمان سوئیچینگ می تواند تلفات را در طول هر هدایت کاهش دهد. کاهش فرکانس سوئیچینگ می تواند تعداد سوئیچ ها را در واحد زمان کاهش دهد. هر دو روش می توانند تلفات سوئیچینگ را کاهش دهند.

ماسفت نوعی FET است (دیگری JFET است). می توان آن را به حالت بهبود یا حالت تخلیه، کانال P یا کانال N، در مجموع 4 نوع تبدیل کرد. با این حال، فقط MOSFET کانال N با حالت بهبود در واقع استفاده می شود. و MOSFET کانال P نوع ارتقاء، بنابراین NMOS یا PMOS معمولاً به این دو نوع اشاره دارد.

 

5. مدار کاربرد ماسفت؟

مهم‌ترین ویژگی ماسفت، ویژگی‌های سوئیچینگ خوب آن است، بنابراین در مدارهایی که نیاز به کلیدهای الکترونیکی دارند، مانند منابع تغذیه سوئیچینگ و درایوهای موتور و همچنین کم‌نور کردن روشنایی، به طور گسترده استفاده می‌شود.

 

درایورهای ماسفت امروزی چندین الزام ویژه دارند:

1. کاربرد ولتاژ پایین

هنگام استفاده از منبع تغذیه 5 ولت، اگر در این زمان از ساختار قطب توتم سنتی استفاده شود، از آنجایی که ترانزیستور افت ولتاژی در حدود 0.7 ولت دارد، ولتاژ نهایی واقعی اعمال شده به گیت تنها 4.3 ولت است. در این زمان، قدرت نامی گیت را انتخاب می کنیم

هنگام استفاده از ماسفت 4.5 ولت خطر خاصی وجود دارد. همین مشکل در هنگام استفاده از 3 ولت یا سایر منابع تغذیه با ولتاژ پایین نیز رخ می دهد.

2. کاربرد ولتاژ گسترده

ولتاژ ورودی یک مقدار ثابت نیست، با گذشت زمان یا عوامل دیگر تغییر می کند. این تغییر باعث می شود ولتاژ محرک ارائه شده توسط مدار PWM به ماسفت ناپایدار باشد.

به منظور ایمن ساختن ماسفت ها تحت ولتاژ بالای گیت، بسیاری از ماسفت ها دارای تنظیم کننده های ولتاژ داخلی هستند تا دامنه ولتاژ گیت را به شدت محدود کنند. در این حالت، زمانی که ولتاژ محرک ارائه شده از ولتاژ لوله تنظیم کننده ولتاژ بیشتر شود، باعث مصرف برق استاتیک زیادی می شود.

در عین حال، اگر به سادگی از اصل تقسیم ولتاژ مقاومت برای کاهش ولتاژ گیت استفاده کنید، ماسفت زمانی که ولتاژ ورودی نسبتاً بالا باشد به خوبی کار می کند، اما زمانی که ولتاژ ورودی کاهش می یابد، ولتاژ گیت ناکافی است و باعث می شود هدایت ناقص، در نتیجه افزایش مصرف برق.

3. کاربرد دو ولتاژ

در برخی مدارهای کنترلی، بخش منطقی از ولتاژ دیجیتال معمولی 5 ولت یا 3.3 ولت استفاده می کند، در حالی که قسمت برق از ولتاژ 12 ولت یا حتی بالاتر استفاده می کند. این دو ولتاژ به یک زمین مشترک متصل هستند.

این امر نیاز به استفاده از یک مدار را افزایش می دهد تا طرف ولتاژ پایین بتواند به طور موثر ماسفت را در سمت ولتاژ بالا کنترل کند. در عین حال ماسفت سمت فشار قوی نیز با مشکلات ذکر شده در 1 و 2 مواجه خواهد شد.

در این سه مورد، ساختار قطب توتم نمی‌تواند الزامات خروجی را برآورده کند، و به نظر نمی‌رسد بسیاری از آی‌سی‌های درایور MOSFET خارج از قفسه شامل ساختارهای محدودکننده ولتاژ گیت باشند.

 

بنابراین یک مدار نسبتاً کلی برای رفع این سه نیاز طراحی کردم.

را

مدار درایور برای NMOS

در اینجا من فقط یک تجزیه و تحلیل ساده از مدار درایور NMOS انجام می دهم:

Vl و Vh به ترتیب منبع تغذیه رده پایین و رده بالا هستند. دو ولتاژ می توانند یکسان باشند، اما Vl نباید از Vh تجاوز کند.

Q1 و Q2 یک قطب توتم معکوس را تشکیل می دهند تا به ایزوله دست یابند و در عین حال اطمینان حاصل کنند که دو لوله محرک Q3 و Q4 به طور همزمان روشن نمی شوند.

R2 و R3 مرجع ولتاژ PWM را ارائه می دهند. با تغییر این مرجع، مدار را می توان در موقعیتی کار کرد که شکل موج سیگنال PWM نسبتاً شیب دار است.

Q3 و Q4 برای تامین جریان درایو استفاده می شوند. هنگامی که روشن است، Q3 و Q4 فقط دارای حداقل افت ولتاژ Vce نسبت به Vh و GND هستند. این افت ولتاژ معمولاً فقط حدود 0.3 ولت است که بسیار کمتر از Vce 0.7 ولت است.

R5 و R6 مقاومت های فیدبک هستند که برای نمونه برداری از ولتاژ گیت استفاده می شوند. ولتاژ نمونه برداری یک بازخورد منفی قوی به پایه های Q1 و Q2 تا Q5 ایجاد می کند، بنابراین ولتاژ گیت را به مقدار محدود محدود می کند. این مقدار را می توان از طریق R5 و R6 تنظیم کرد.

در نهایت، R1 حد جریان پایه را برای Q3 و Q4 و R4 حد جریان گیت را برای MOSFET، که حد یخ Q3 و Q4 است، ارائه می دهد. در صورت لزوم، یک خازن شتاب را می توان به موازات R4 متصل کرد.

این مدار دارای ویژگی های زیر است:

1. از ولتاژ سمت پایین و PWM برای راه اندازی ماسفت سمت بالا استفاده کنید.

2. از یک سیگنال PWM با دامنه کوچک برای راه اندازی ماسفت با ولتاژ گیت بالا استفاده کنید.

3. حد اوج ولتاژ دروازه

4. محدودیت جریان ورودی و خروجی

5. با استفاده از مقاومت های مناسب می توان به مصرف برق بسیار پایین دست یافت.

6. سیگنال PWM معکوس است. NMOS نیازی به این ویژگی ندارد و با قرار دادن اینورتر در جلو قابل حل است.

هنگام طراحی دستگاه های قابل حمل و محصولات بی سیم، بهبود عملکرد محصول و افزایش عمر باتری دو مسئله ای است که طراحان باید با آن روبرو شوند. مبدل های DC-DC دارای مزایای راندمان بالا، جریان خروجی زیاد و جریان ساکن کم هستند که آنها را برای تغذیه دستگاه های قابل حمل بسیار مناسب می کند. در حال حاضر، روندهای اصلی در توسعه فناوری طراحی مبدل DC-DC عبارتند از: (1) فناوری فرکانس بالا: با افزایش فرکانس سوئیچینگ، اندازه مبدل سوئیچینگ نیز کاهش می یابد، چگالی توان نیز به شدت افزایش می یابد. و پاسخ پویا بهبود یافته است. . فرکانس سوئیچینگ مبدل های DC-DC کم مصرف تا سطح مگاهرتز افزایش می یابد. (2) فناوری ولتاژ خروجی پایین: با توسعه مداوم فناوری تولید نیمه هادی، ولتاژ عملیاتی ریزپردازنده ها و دستگاه های الکترونیکی قابل حمل کمتر و کمتر می شود، که به مبدل های DC-DC آینده نیاز دارد تا ولتاژ خروجی پایین را برای انطباق با ریزپردازنده ها ارائه دهند. الزامات برای پردازنده ها و دستگاه های الکترونیکی قابل حمل.

توسعه این فناوری ها الزامات بالاتری را برای طراحی مدارهای تراشه های قدرت مطرح کرده است. اول از همه، با ادامه افزایش فرکانس سوئیچینگ، الزامات بالایی بر روی عملکرد عناصر سوئیچینگ اعمال می شود. در عین حال، مدارهای محرک عنصر سوئیچینگ مربوطه باید برای اطمینان از عملکرد عادی عناصر سوئیچینگ در فرکانس های سوئیچینگ تا مگاهرتز ارائه شود. ثانیا، برای دستگاه های الکترونیکی قابل حمل با باتری، ولتاژ کاری مدار کم است (به عنوان مثال باتری های لیتیومی، ولتاژ کار 2.5 ~ 3.6 ولت است)، بنابراین ولتاژ کاری تراشه قدرت کم است.

 

ماسفت مقاومت روشن بسیار کمی دارد و انرژی کمی مصرف می کند. ماسفت اغلب به عنوان کلید برق در تراشه های DC-DC با راندمان بالا در حال حاضر مورد استفاده قرار می گیرد. با این حال، به دلیل ظرفیت انگلی بزرگ MOSFET، ظرفیت گیت لوله های سوئیچینگ NMOS به طور کلی به ده ها پیکوفاراد می رسد. این امر الزامات بالاتری را برای طراحی مدار درایو لوله سوئیچینگ مبدل DC-DC با فرکانس کاری بالا ایجاد می کند.

در طرح های ULSI ولتاژ پایین، انواع مدارهای منطقی CMOS و BiCMOS وجود دارد که از ساختارهای تقویت کننده بوت استرپ و مدارهای درایو به عنوان بارهای خازنی بزرگ استفاده می کنند. این مدارها می توانند به طور معمول با ولتاژ منبع تغذیه کمتر از 1 ولت کار کنند و می توانند در فرکانس ده ها مگاهرتز یا حتی صدها مگاهرتز با ظرفیت بار 1 تا 2 pF کار کنند. این مقاله از یک مدار تقویت بوت استرپ برای طراحی مدار درایو با قابلیت درایو ظرفیت بار بزرگ استفاده می کند که برای مبدل های DC-DC تقویت کننده فرکانس سوئیچینگ بالا و ولتاژ پایین مناسب است. مدار بر اساس فرآیند Samsung AHP615 BiCMOS طراحی شده و توسط شبیه سازی Hspice تایید شده است. هنگامی که ولتاژ تغذیه 1.5 ولت و ظرفیت بار 60 pF است، فرکانس کاری می تواند به بیش از 5 مگاهرتز برسد.

را

ویژگی های سوئیچینگ ماسفت

را

1. خصوصیات استاتیک

به عنوان یک عنصر سوئیچینگ، ماسفت در دو حالت خاموش یا روشن کار می کند. از آنجایی که ماسفت یک جزء کنترل شده با ولتاژ است، وضعیت کاری آن عمدتاً توسط ولتاژ منبع گیت uGS تعیین می شود.

 

مشخصات کار به شرح زیر است:

※ uGS＜ولتاژ روشن UT: ماسفت در ناحیه قطع کار می کند، iDS جریان منبع تخلیه اساساً 0 است، ولتاژ خروجی uDS≈UDD، و ماسفت در حالت "خاموش" است.

※ uGS> ولتاژ روشن UT: ماسفت در ناحیه هدایت کار می کند، جریان منبع تخلیه iDS=UDD/(RD+rDS). در میان آنها، rDS مقاومت منبع تخلیه هنگام روشن شدن ماسفت است. ولتاژ خروجی UDS=UDD?rDS/(RD+rDS)، اگر rDS＜＜RD، uDS≈0V باشد، ماسفت در حالت "روشن" است.

2. ویژگی های پویا

ماسفت همچنین در هنگام سوئیچ کردن بین حالت های روشن و خاموش دارای یک فرآیند انتقال است، اما ویژگی های دینامیکی آن عمدتاً به زمان مورد نیاز برای شارژ و تخلیه خازن سرگردان مربوط به مدار و تجمع و تخلیه بار زمانی که خود لوله روشن و خاموش است بستگی دارد. زمان اتلاف بسیار کم است.

هنگامی که ولتاژ ورودی از بالا به پایین تغییر می کند و ماسفت از حالت روشن به حالت خاموش تغییر می کند، منبع تغذیه UDD ظرفیت سرگردان CL را از طریق RD شارژ می کند و ثابت زمان شارژ τ1=RDCL را شارژ می کند. بنابراین، ولتاژ خروجی uo باید قبل از تغییر از سطح پایین به سطح بالا، یک تاخیر مشخص را طی کند. هنگامی که رابط کاربری ولتاژ ورودی از کم به زیاد تغییر می‌کند و ماسفت از حالت خاموش به حالت روشن تغییر می‌کند، شارژ خازن سرگردان CL از rDS عبور می‌کند تخلیه با ثابت زمان دشارژ τ2≈rDSCL رخ می‌دهد. مشاهده می شود که ولتاژ خروجی Uo نیز قبل از اینکه بتواند به سطح پایین تبدیل شود به تأخیر خاصی نیاز دارد. اما از آنجایی که rDS بسیار کوچکتر از RD است، زمان تبدیل از قطع به رسانش کوتاهتر از زمان تبدیل از رسانش به قطع است.

از آنجایی که مقاومت منبع تخلیه rDS ماسفت هنگامی که روشن است بسیار بزرگتر از مقاومت اشباع rCES ترانزیستور است و مقاومت تخلیه خارجی RD نیز بزرگتر از مقاومت کلکتور RC ترانزیستور است، زمان شارژ و دشارژ ترانزیستور ماسفت طولانی تر است و باعث می شود ماسفت سرعت سوئیچینگ کمتر از ترانزیستور باشد. با این حال، در مدارهای CMOS، از آنجایی که مدار شارژ و مدار تخلیه هر دو مدارهایی با مقاومت پایین هستند، فرآیندهای شارژ و دشارژ نسبتا سریع هستند و در نتیجه سرعت سوئیچینگ بالایی برای مدار CMOS ایجاد می‌شود.