مدار درایور ماسفت پکیج بزرگ

اول از همه، نوع و ساختار ماسفت،ماسفتیک FET است (یکی دیگر JFET است)، می تواند به چهار نوع پیشرفته یا کاهشی، کانال P یا کانال N تولید شود، اما کاربرد واقعی فقط ماسفت های کانال N پیشرفته و ماسفت های کانال P پیشرفته، بنابراین معمولاً به عنوان NMOS یا PMOS نامیده می شود به این دو نوع اشاره دارد. برای این دو نوع ماسفت پیشرفته، NMOS بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد، دلیل آن این است که مقاومت روشن 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 موارد تحت سلطه NMOS هستند. ظرفیت انگلی بین سه پایه ماسفت وجود دارد، ویژگی که مورد نیاز نیست اما به دلیل محدودیت‌های فرآیند تولید به وجود می‌آید. وجود خازن انگلی طراحی یا انتخاب مدار درایور را کمی دشوار می کند. یک دیود انگلی بین درین و منبع وجود دارد. این دیود بدنه نامیده می شود و در راندن بارهای القایی مانند موتورها مهم است. به هر حال، دیود بدنه فقط در ماسفت های جداگانه وجود دارد و معمولاً در داخل یک تراشه آی سی وجود ندارد.

 

ماسفتتلفات لوله سوئیچینگ، خواه NMOS یا PMOS باشد، پس از اینکه رسانایی مقاومت روشن وجود داشته باشد، به طوری که جریان در این مقاومت انرژی مصرف می کند، این بخش از انرژی مصرف شده را افت هدایت می نامند. انتخاب ماسفت ها با مقاومت روشن کم باعث کاهش تلفات در مقاومت می شود. امروزه، مقاومت روشن ماسفت های کم مصرف معمولاً حدود ده ها میلی اهم است و چند میلی اهم نیز موجود است. ماسفت ها نباید در یک لحظه زمانی که روشن و خاموش می شوند تکمیل شوند. روند کاهش ولتاژ وجود دارد. دو سر ماسفت است و روند افزایش جریان از طریق آن وجود دارد. در این مدت زمان تلفات ماسفت ها 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 رسانش بسیار زیاد است و در نتیجه تلفات زیادی به همراه دارد. کوتاه کردن زمان سوئیچینگ باعث کاهش تلفات در هر انتقال می شود. کاهش فرکانس سوئیچینگ تعداد سوئیچ ها را در واحد زمان کاهش می دهد. هر دوی این رویکردها تلفات سوئیچینگ را کاهش می دهند.

در مقایسه با ترانزیستورهای دوقطبی، عموماً اعتقاد بر این است که برای ایجاد الف به جریانی نیاز نیستماسفتتا زمانی که ولتاژ GS بالاتر از یک مقدار معین باشد. انجام این کار آسان است، با این حال، ما به سرعت نیز نیاز داریم. همانطور که در ساختار ماسفت مشاهده می کنید، یک ظرفیت انگلی بین GS، GD وجود دارد و حرکت ماسفت در واقع شارژ و تخلیه خازن است. شارژ خازن نیاز به جریان دارد، زیرا شارژ آنی خازن را می توان به عنوان یک اتصال کوتاه دید، بنابراین جریان آنی بیشتر خواهد بود. اولین چیزی که هنگام انتخاب/طراحی درایور ماسفت باید به آن توجه کرد، اندازه جریان اتصال کوتاه لحظه ای است که می توان ارائه کرد.

دومین نکته ای که باید به آن توجه کرد این است که معمولاً در NMOS درایوهای پیشرفته استفاده می شود، ولتاژ گیت به موقع باید بیشتر از ولتاژ منبع باشد. بالا پایان درایو ماسفت در ولتاژ منبع و ولتاژ تخلیه (VCC) یکسان است، پس از آن ولتاژ دروازه از VCC 4V یا 10V. اگر در همان سیستم، برای دریافت ولتاژ بزرگتر از VCC، باید در مدار بوست تخصص داشته باشیم. بسیاری از درایورهای موتور دارای پمپ شارژ یکپارچه هستند، توجه به این نکته مهم است که باید ظرفیت خارجی مناسب را انتخاب کنید تا جریان اتصال کوتاه کافی برای راه اندازی ماسفت به دست آید. 4 ولت یا 10 ولت ماسفت رایجی است که روی ولتاژ استفاده می شود، البته در طراحی، باید حاشیه خاصی داشته باشید. هر چه ولتاژ بالاتر باشد سرعت روشن تر و مقاومت در حالت پایین تر است. در حال حاضر ماسفت‌های ولتاژ روشن‌تر کوچک‌تری نیز در زمینه‌های مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند، اما در سیستم الکترونیک خودرو 12 ولت، به طور کلی 4 ولت در حالت کافی است. قابل توجه‌ترین ویژگی ماسفت‌ها ویژگی‌های سوئیچینگ کالا است، بنابراین به طور گسترده در سیستم‌های الکترونیکی خودرو استفاده می‌شود. نیاز به مدارهای سوئیچینگ الکترونیکی، مانند منبع تغذیه سوئیچینگ و درایو موتور، و همچنین کاهش نور. هدایت به معنای عمل کردن به عنوان یک سوئیچ است که معادل بسته شدن سوئیچ است. ویژگی های NMOS، Vgs بیشتر از مقدار معینی هدایت می کند، مناسب برای استفاده در مواردی که منبع زمین است (درایو پایین رده)، تا زمانی که گیت ولتاژ 4 ولت یا 10 ولت. مشخصه های PMOS، Vgs کمتر از مقدار مشخصی هدایت می کند، مناسب برای استفاده در مواردی که منبع به VCC (درایو پیشرفته) متصل است. با این حال، اگرچه PMOS می تواند به راحتی به عنوان یک درایور سطح بالا استفاده شود، NMOS معمولاً در درایورهای سطح بالا به دلیل مقاومت زیاد، قیمت بالا و انواع جایگزینی کمی استفاده می شود.

در حال حاضر ماسفت درایو برنامه های کاربردی ولتاژ پایین، زمانی که استفاده از منبع تغذیه 5 ولت، این بار اگر از ساختار قطب توتم سنتی استفاده می کنید، با توجه به ترانزیستور حدود 0.7 ولت افت ولتاژ، و در نتیجه نهایی واقعی اضافه شده به دروازه در ولتاژ فقط 4.3 ولت است. در این زمان، ولتاژ نامی گیت 4.5 ولت ماسفت را در مورد وجود خطرات خاص انتخاب می کنیم. همین مشکل در استفاده از 3 ولت یا سایر موارد منبع تغذیه با ولتاژ پایین رخ می دهد. ولتاژ دوگانه در برخی از مدارهای کنترلی استفاده می شود که در آن بخش منطقی از ولتاژ دیجیتال معمولی 5 ولت یا 3.3 ولت و بخش برق از 12 ولت یا حتی بالاتر استفاده می کند. دو ولتاژ با استفاده از یک زمین مشترک متصل می شوند. این امر نیاز به استفاده از مداری را ایجاد می‌کند که به سمت ولتاژ پایین اجازه می‌دهد تا ماسفت را در سمت ولتاژ بالا به طور مؤثر کنترل کند، در حالی که ماسفت در سمت ولتاژ بالا با مشکلات مشابه ذکر شده در 1 و 2 مواجه خواهد شد. در هر سه مورد، ساختار قطب توتم نمی تواند الزامات خروجی را برآورده کند و به نظر نمی رسد بسیاری از آی سی های درایور ماسفت خارج از قفسه دارای ساختار محدود کننده ولتاژ گیت باشند. ولتاژ ورودی یک مقدار ثابت نیست، با زمان یا عوامل دیگر تغییر می کند. این تغییر باعث می شود ولتاژ درایو ارائه شده به ماسفت توسط مدار PWM ناپایدار باشد. به منظور ایمن ساختن ماسفت از 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 درایو ارائه شده از ولتاژ رگولاتور بیشتر شود، باعث مصرف برق استاتیک زیادی می شود، در عین حال، اگر به سادگی از اصل تقسیم کننده ولتاژ مقاومت برای کاهش ولتاژ گیت استفاده کنید، ولتاژ نسبتاً وجود خواهد داشت. ولتاژ ورودی بالا، ماسفت به خوبی کار می کند، در حالی که ولتاژ ورودی کاهش می یابد زمانی که ولتاژ گیت برای ایجاد هدایت ناکافی کامل کافی نیست، در نتیجه مصرف برق افزایش می یابد.

مدار نسبتاً رایج در اینجا فقط برای مدار درایور NMOS برای انجام یک تجزیه و تحلیل ساده: Vl و Vh به ترتیب منبع تغذیه کم پایان و 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 که برای رسیدن به ایزوله استفاده می شود و در همان زمان برای اطمینان از اینکه دو لوله محرک Q3 و Q4 همزمان روشن نمی شوند استفاده می شود. R2 و R3 مرجع ولتاژ PWM را ارائه می دهند و با تغییر این مرجع می توانید مدار را به خوبی کار کند و ولتاژ گیت برای ایجاد رسانایی کامل کافی نیست و در نتیجه مصرف برق را افزایش می دهد. R2 و R3 مرجع ولتاژ PWM را ارائه می دهند، با تغییر این مرجع، می توانید اجازه دهید مدار کار کند در شکل موج سیگنال PWM موقعیت نسبتاً شیب دار و مستقیم دارد. Q3 و Q4 برای تامین جریان درایو استفاده می شوند، به دلیل زمان روشن، Q3 و Q4 نسبت به Vh و GND تنها حداقل یک افت ولتاژ Vce هستند، این افت ولتاژ معمولاً فقط 0.3 ولت یا بیشتر است، بسیار کمتر است. از 0.7 ولت Vce R5 و R6 مقاومت های فیدبک برای نمونه برداری ولتاژ دروازه هستند، پس از نمونه برداری از ولتاژ، ولتاژ دروازه به عنوان مقاومت بازخوردی به ولتاژ دروازه استفاده می شود و ولتاژ نمونه به ولتاژ دروازه استفاده می شود. R5 و R6 مقاومت‌های فیدبکی هستند که برای نمونه‌برداری از ولتاژ گیت استفاده می‌شوند، که سپس از Q5 عبور داده می‌شود تا یک بازخورد منفی قوی روی پایه‌های Q1 و Q2 ایجاد کند، بنابراین ولتاژ گیت را به مقدار محدود محدود می‌کند. این مقدار را می توان با R5 و R6 تنظیم کرد. در نهایت، R1 محدودیت جریان پایه به Q3 و Q4 را فراهم می کند و R4 محدودیت جریان دروازه را برای ماسفت ها، که محدودیت یخ Q3Q4 است، فراهم می کند. در صورت لزوم می توان خازن شتاب را به صورت موازی بالای R4 وصل کرد.                                         

هنگام طراحی دستگاه های قابل حمل و محصولات بی سیم، بهبود عملکرد محصول و افزایش زمان کارکرد باتری دو موضوعی است که طراحان باید با آن مواجه شوند. مبدل های DC-DC دارای مزایای راندمان بالا، جریان خروجی بالا و جریان ساکن کم هستند که برای تامین انرژی قابل حمل بسیار مناسب هستند. دستگاه ها

مبدل های DC-DC دارای مزایای راندمان بالا، جریان خروجی بالا و جریان ساکن کم هستند که برای تغذیه دستگاه های قابل حمل بسیار مناسب هستند. در حال حاضر، روندهای اصلی در توسعه فناوری طراحی مبدل DC-DC عبارتند از: فناوری فرکانس بالا: با افزایش فرکانس سوئیچینگ، اندازه مبدل سوئیچینگ نیز کاهش می یابد، چگالی توان به طور قابل توجهی افزایش یافته است و دینامیک پاسخ بهبود یافته است. کوچک

فرکانس سوئیچینگ مبدل DC-DC برق تا سطح مگاهرتز افزایش می یابد. فناوری ولتاژ خروجی پایین: با توسعه مداوم فناوری تولید نیمه هادی، ولتاژ عملیاتی ریزپردازنده ها و تجهیزات الکترونیکی قابل حمل در حال کاهش و کاهش است، که نیاز دارد مبدل DC-DC آینده بتواند ولتاژ خروجی پایینی را برای انطباق با ریزپردازنده و تجهیزات الکترونیکی قابل حمل فراهم کند. نیاز مبدل DC-DC آینده می تواند ولتاژ خروجی کم را برای انطباق با ریزپردازنده فراهم کند.

برای انطباق با ریزپردازنده ها و تجهیزات الکترونیکی قابل حمل به اندازه کافی ولتاژ خروجی پایین را فراهم می کند. این پیشرفت های تکنولوژیکی الزامات بالاتری را برای طراحی مدارهای تراشه منبع تغذیه مطرح می کند. اول از همه، با افزایش فرکانس سوئیچینگ، عملکرد اجزای سوئیچینگ مطرح می شود

الزامات بالا برای عملکرد عنصر سوئیچینگ، و باید مدار درایو عنصر سوئیچینگ مربوطه را داشته باشد تا اطمینان حاصل شود که عنصر سوئیچینگ در فرکانس سوئیچینگ تا سطح مگاهرتز عملکرد عادی دارد. ثانیا، برای دستگاه های الکترونیکی قابل حمل با باتری، ولتاژ کار مدار پایین است (مثلاً در مورد باتری های لیتیومی).

باتری های لیتیوم، به عنوان مثال، ولتاژ عامل 2.5 ~ 3.6V)، بنابراین تراشه منبع تغذیه برای ولتاژ پایین تر.

ماسفت دارای مقاومت روشن بسیار کم، مصرف انرژی کم است، در تراشه رایج فعلی DC-DC با راندمان بالا، ماسفت بیشتر به عنوان کلید برق است. با این حال، به دلیل ظرفیت انگلی زیاد ماسفت ها. این امر الزامات بیشتری را برای طراحی مدارهای درایور لوله سوئیچینگ برای طراحی مبدل های DC-DC با فرکانس کاری بالا ایجاد می کند. مدارهای منطقی مختلف CMOS، BiCMOS با استفاده از ساختار بوت استرپ و مدارهای راه انداز به عنوان بارهای خازنی بزرگ در طراحی ULSI ولتاژ پایین وجود دارد. این مدارها می توانند در شرایط منبع ولتاژ کمتر از 1 ولت به درستی کار کنند و در شرایط ظرفیت بار می توانند کار کنند فرکانس 1 ~ 2 pF می تواند به ده ها مگابیت یا حتی صدها مگاهرتز برسد. در این مقاله، از مدار تقویت بوت استرپ برای طراحی یک ظرفیت درایو ظرفیت بار بزرگ، مناسب برای مدار درایو مبدل DC-DC با ولتاژ پایین و فرکانس سوئیچینگ بالا استفاده شده است. ولتاژ پایین و PWM برای راه اندازی ماسفت های سطح بالا. سیگنال PWM با دامنه کوچک برای هدایت ولتاژ بالای گیت مورد نیاز ماسفت ها.