Conhecimento básico e aplicação original do MOSFET

Quanto ao motivo do modo de esgotamentoMOSFETsnão são usados, não é recomendado ir ao fundo da questão.

Para esses dois MOSFETs de modo de aprimoramento, o NMOS é mais comumente usado. A razão é que a resistência é pequena e fácil de fabricar. Portanto, o NMOS é geralmente usado em aplicações de comutação de fontes de alimentação e acionamento de motores. Na introdução a seguir, o NMOS é usado principalmente.

Existe uma capacitância parasita entre os três pinos do MOSFET. Não é disso que precisamos, mas é causado por limitações do processo de fabricação. A existência de capacitância parasita torna mais problemático projetar ou selecionar um circuito de acionamento, mas não há como evitá-la. Iremos apresentá-lo em detalhes mais tarde.

Existe um diodo parasita entre o dreno e a fonte. Isso é chamado de diodo corporal. Este diodo é muito importante ao acionar cargas indutivas (como motores). A propósito, o diodo corporal só existe em um único MOSFET e geralmente não é encontrado dentro de um chip de circuito integrado.

 

2. Características de condução MOSFET

Conduzir significa atuar como uma chave, o que equivale ao fechamento da chave.

A característica do NMOS é que ele será ativado quando o Vgs for maior que um determinado valor. É adequado para uso quando a fonte está aterrada (drive low-end), desde que a tensão da porta atinja 4V ou 10V.

As características do PMOS são que ele ligará quando o Vgs for menor que um determinado valor, o que é adequado para situações onde a fonte está conectada ao VCC (drive high-end). No entanto, emboraPMOSpode ser facilmente usado como um driver de última geração, o NMOS é geralmente usado em drivers de última geração devido à grande resistência, alto preço e poucos tipos de substituição.

 

3. Perda do tubo do interruptor MOS

Quer seja NMOS ou PMOS, existe uma resistência ligada após ser ligada, portanto a corrente consumirá energia nesta resistência. Esta parte da energia consumida é chamada de perda de condução. A escolha de um MOSFET com uma pequena resistência reduzirá as perdas de condução. A resistência atual do MOSFET de baixa potência é geralmente em torno de dezenas de miliohms, e também há vários miliohms.

Quando o MOSFET é ligado e desligado, não deve ser concluído instantaneamente. A tensão através do MOS tem um processo decrescente e a corrente que flui tem um processo crescente. Durante este período, oMOSFETsa perda é o produto da tensão e da corrente, que é chamada de perda de comutação. Normalmente, as perdas de comutação são muito maiores que as perdas de condução e, quanto mais rápida for a frequência de comutação, maiores serão as perdas.

O produto da tensão pela corrente no momento da condução é muito grande, causando grandes perdas. Reduzir o tempo de comutação pode reduzir a perda durante cada condução; reduzir a frequência de comutação pode reduzir o número de interruptores por unidade de tempo. Ambos os métodos podem reduzir as perdas de comutação.

A forma de onda quando o MOSFET está ligado. Percebe-se que o produto da tensão e da corrente no momento da condução é muito grande, e a perda causada também é muito grande. A redução do tempo de comutação pode reduzir a perda durante cada condução; reduzir a frequência de comutação pode reduzir o número de interruptores por unidade de tempo. Ambos os métodos podem reduzir as perdas de comutação.

 

4. Driver MOSFET

Comparado com os transistores bipolares, geralmente acredita-se que nenhuma corrente é necessária para ligar um MOSFET, desde que a tensão GS seja superior a um determinado valor. Isso é fácil de fazer, mas também precisamos de velocidade.

Pode-se observar na estrutura do MOSFET que existe uma capacitância parasita entre GS e GD, e o acionamento do MOSFET é na verdade a carga e descarga do capacitor. Carregar o capacitor requer corrente, pois o capacitor pode ser considerado um curto-circuito no momento do carregamento, portanto a corrente instantânea será relativamente grande. A primeira coisa a se prestar atenção ao selecionar/projetar um driver MOSFET é a quantidade de corrente de curto-circuito instantânea que ele pode fornecer. ​

A segunda coisa a notar é que o NMOS, que é comumente usado para condução de ponta, precisa que a tensão da porta seja maior que a tensão da fonte quando ligado. Quando o MOSFET acionado no lado alto é ligado, a tensão da fonte é igual à tensão de dreno (VCC), portanto, a tensão da porta é 4V ou 10V maior que VCC neste momento. Se você deseja obter uma tensão maior que VCC no mesmo sistema, você precisa de um circuito de reforço especial. Muitos drivers de motor possuem bombas de carga integradas. Deve-se notar que um capacitor externo apropriado deve ser selecionado para obter corrente de curto-circuito suficiente para acionar o MOSFET.

 

Os 4 V ou 10 V mencionados acima são a tensão de ativação dos MOSFETs comumente usados ​​e, claro, uma certa margem precisa ser permitida durante o projeto. E quanto maior a tensão, mais rápida será a velocidade de condução e menor será a resistência de condução. Agora existem MOSFETs com tensões de condução menores usadas em diferentes campos, mas em sistemas eletrônicos automotivos de 12V, geralmente a condução de 4V é suficiente.

 

Para o circuito driver MOSFET e suas perdas, consulte AN799 da Microchip Matching MOSFET Drivers to MOSFETs. É muito detalhado, então não vou escrever mais.

 

O produto da tensão pela corrente no momento da condução é muito grande, causando grandes perdas. A redução do tempo de comutação pode reduzir a perda durante cada condução; reduzir a frequência de comutação pode reduzir o número de interruptores por unidade de tempo. Ambos os métodos podem reduzir as perdas de comutação.

MOSFET é um tipo de FET (o outro é JFET). Pode ser transformado em modo de aprimoramento ou modo de esgotamento, canal P ou canal N, um total de 4 tipos. No entanto, apenas o MOSFET de canal N em modo de aprimoramento é realmente usado. e MOSFET de canal P do tipo aprimoramento, portanto NMOS ou PMOS geralmente se referem a esses dois tipos.

 

5. Circuito de aplicação MOSFET?

A característica mais significativa do MOSFET são suas boas características de comutação, por isso é amplamente utilizado em circuitos que requerem interruptores eletrônicos, como comutação de fontes de alimentação e acionamentos de motores, bem como dimerização de iluminação.

 

Os drivers MOSFET atuais têm vários requisitos especiais:

1. Aplicação de baixa tensão

Ao usar uma fonte de alimentação de 5 V, se uma estrutura de totem tradicional for usada neste momento, como o transistor tem uma queda de tensão de cerca de 0,7 V, a tensão final real aplicada ao portão é de apenas 4,3 V. Neste momento, escolhemos a potência nominal do portão

Existe um certo risco ao usar um MOSFET de 4,5V. O mesmo problema também ocorre ao usar fontes de alimentação de 3V ou outras fontes de alimentação de baixa tensão.

2. Ampla aplicação de tensão

A tensão de entrada não é um valor fixo, ela mudará com o tempo ou outros fatores. Esta mudança faz com que a tensão de acionamento fornecida pelo circuito PWM ao MOSFET seja instável.

Para tornar os MOSFETs seguros sob altas tensões de porta, muitos MOSFETs possuem reguladores de tensão integrados para limitar à força a amplitude da tensão de porta. Neste caso, quando a tensão de acionamento fornecida exceder a tensão do tubo regulador de tensão, causará grande consumo de energia estática.

Ao mesmo tempo, se você simplesmente usar o princípio da divisão da tensão do resistor para reduzir a tensão da porta, o MOSFET funcionará bem quando a tensão de entrada for relativamente alta, mas quando a tensão de entrada for reduzida, a tensão da porta será insuficiente, causando condução incompleta, aumentando assim o consumo de energia.

3. Aplicação de dupla tensão

Em alguns circuitos de controle, a parte lógica utiliza uma tensão digital típica de 5V ou 3,3V, enquanto a parte de alimentação utiliza uma tensão de 12V ou até superior. As duas tensões estão conectadas a um terreno comum.

Isto levanta a necessidade de usar um circuito para que o lado de baixa tensão possa controlar efetivamente o MOSFET no lado de alta tensão. Ao mesmo tempo, o MOSFET do lado de alta tensão também enfrentará os problemas mencionados em 1 e 2.

Nestes três casos, a estrutura do totem não pode atender aos requisitos de saída, e muitos CIs de driver MOSFET disponíveis no mercado não parecem incluir estruturas limitadoras de tensão de porta.

 

Então projetei um circuito relativamente geral para atender a essas três necessidades.

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Circuito driver para NMOS

Aqui farei apenas uma análise simples do circuito do driver NMOS:

Vl e Vh são as fontes de alimentação de gama baixa e de gama alta, respectivamente. As duas tensões podem ser iguais, mas Vl não deve exceder Vh.

Q1 e Q2 formam um totem invertido para obter isolamento e, ao mesmo tempo, garantir que os dois tubos condutores Q3 e Q4 não liguem ao mesmo tempo.

R2 e R3 fornecem a referência de tensão PWM. Ao alterar esta referência, o circuito pode ser operado em uma posição onde a forma de onda do sinal PWM é relativamente íngreme.

Q3 e Q4 são usados ​​para fornecer corrente ao inversor. Quando ligados, Q3 e Q4 apresentam apenas uma queda de tensão mínima de Vce em relação a Vh e GND. Essa queda de tensão geralmente é de apenas 0,3 V, o que é muito menor que o Vce de 0,7 V.

R5 e R6 são resistores de feedback, usados ​​para amostrar a tensão da porta. A tensão amostrada gera um forte feedback negativo para as bases de Q1 e Q2 até Q5, limitando assim a tensão da porta a um valor limitado. Este valor pode ser ajustado através de R5 e R6.

Finalmente, R1 fornece o limite de corrente de base para Q3 e Q4, e R4 fornece o limite de corrente de porta para o MOSFET, que é o limite do Ice de Q3 e Q4. Se necessário, um capacitor de aceleração pode ser conectado em paralelo ao R4.

Este circuito fornece os seguintes recursos:

1. Use tensão do lado baixo e PWM para acionar o MOSFET do lado alto.

2. Use um sinal PWM de pequena amplitude para acionar um MOSFET com requisitos de alta tensão de porta.

3. Limite de pico da tensão da porta

4. Limites de corrente de entrada e saída

5. Usando resistores apropriados, pode-se obter um consumo de energia muito baixo.

6. O sinal PWM está invertido. O NMOS não precisa desse recurso e pode ser resolvido colocando um inversor na frente.

Ao projetar dispositivos portáteis e produtos sem fio, melhorar o desempenho do produto e prolongar a vida útil da bateria são dois problemas que os designers precisam enfrentar. Os conversores DC-DC têm as vantagens de alta eficiência, grande corrente de saída e baixa corrente quiescente, tornando-os muito adequados para alimentar dispositivos portáteis. Atualmente, as principais tendências no desenvolvimento da tecnologia de projeto de conversores DC-DC são: (1) Tecnologia de alta frequência: À medida que a frequência de comutação aumenta, o tamanho do conversor de comutação também é reduzido, a densidade de potência também aumenta bastante, e a resposta dinâmica é melhorada. . A frequência de comutação dos conversores DC-DC de baixa potência aumentará para o nível de megahertz. (2) Tecnologia de baixa tensão de saída: Com o desenvolvimento contínuo da tecnologia de fabricação de semicondutores, a tensão operacional de microprocessadores e dispositivos eletrônicos portáteis está cada vez mais baixa, o que exige que futuros conversores DC-DC forneçam baixa tensão de saída para se adaptarem aos microprocessadores. requisitos para processadores e dispositivos eletrônicos portáteis.

O desenvolvimento dessas tecnologias impôs requisitos mais elevados para o projeto de circuitos de chips de potência. Em primeiro lugar, à medida que a frequência de comutação continua a aumentar, são impostos elevados requisitos ao desempenho dos elementos de comutação. Ao mesmo tempo, os circuitos de acionamento dos elementos de comutação correspondentes devem ser fornecidos para garantir que os elementos de comutação funcionem normalmente em frequências de comutação de até MHz. Em segundo lugar, para dispositivos eletrônicos portáteis alimentados por bateria, a tensão de trabalho do circuito é baixa (tomando as baterias de lítio como exemplo, a tensão de trabalho é de 2,5 ~ 3,6 V), portanto, a tensão de trabalho do chip de potência é baixa.

 

O MOSFET tem resistência muito baixa e consome pouca energia. O MOSFET é frequentemente usado como um interruptor de alimentação em chips DC-DC de alta eficiência atualmente populares. No entanto, devido à grande capacitância parasita do MOSFET, a capacitância da porta dos tubos de comutação NMOS é geralmente tão alta quanto dezenas de picofarads. Isso apresenta requisitos mais elevados para o projeto de circuito de acionamento de tubo de comutação de conversor CC-CC de alta frequência operacional.

Em projetos ULSI de baixa tensão, há uma variedade de circuitos lógicos CMOS e BiCMOS usando estruturas de reforço de bootstrap e circuitos de acionamento como grandes cargas capacitivas. Esses circuitos podem operar normalmente com tensão de alimentação inferior a 1V, podendo operar em frequência de dezenas de megahertz ou até centenas de megahertz com capacitância de carga de 1 a 2pF. Este artigo usa um circuito de reforço de bootstrap para projetar um circuito de acionamento com grande capacidade de acionamento de capacitância de carga que é adequado para conversores CC-CC de reforço de baixa tensão e alta frequência de comutação. O circuito foi projetado com base no processo Samsung AHP615 BiCMOS e verificado pela simulação Hspice. Quando a tensão de alimentação é de 1,5 V e a capacitância de carga é de 60pF, a frequência de operação pode atingir mais de 5 MHz.

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Características de comutação MOSFET

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1. Características estáticas

Como elemento de comutação, o MOSFET também funciona em dois estados: desligado ou ligado. Como o MOSFET é um componente controlado por tensão, seu estado de funcionamento é determinado principalmente pela tensão porta-fonte uGS.

 

As características de trabalho são as seguintes:

※ uGS＜tensão de ativação UT: o MOSFET funciona na área de corte, a corrente da fonte de drenagem iDS é basicamente 0, a tensão de saída uDS≈UDD e o MOSFET está no estado "desligado".

※ uGS>Tensão de ativação UT: MOSFET funciona na região de condução, corrente de fonte de drenagem iDS=UDD/(RD+rDS). Entre eles, rDS é a resistência da fonte de drenagem quando o MOSFET está ligado. A tensão de saída UDS=UDD?rDS/(RD+rDS), se rDS＜＜RD, uDS≈0V, o MOSFET está no estado "ligado".

2. Características dinâmicas

O MOSFET também possui um processo de transição ao alternar entre os estados ligado e desligado, mas suas características dinâmicas dependem principalmente do tempo necessário para carregar e descarregar a capacitância parasita relacionada ao circuito e do acúmulo de carga e descarga quando o próprio tubo está ligado e desligado O tempo de dissipação é muito pequeno.

Quando a tensão de entrada ui muda de alta para baixa e o MOSFET muda do estado ligado para o estado desligado, a fonte de alimentação UDD carrega a capacitância parasita CL através de RD e a constante de tempo de carregamento τ1 = RDCL. Portanto, a tensão de saída uo precisa passar por um certo atraso antes de passar de nível baixo para nível alto; quando a tensão de entrada ui muda de baixa para alta e o MOSFET muda do estado desligado para o estado ligado, a carga na capacitância parasita CL passa por rDS. A descarga ocorre com uma constante de tempo de descarga τ2≈rDSCL. Pode-se observar que a tensão de saída Uo também precisa de um certo atraso antes de poder transitar para um nível baixo. Mas como o rDS é muito menor que o RD, o tempo de conversão do corte para a condução é menor do que o tempo de conversão da condução para o corte.

Como a resistência da fonte de dreno rDS do MOSFET quando ele está ligado é muito maior que a resistência de saturação rCES do transistor, e a resistência de dreno externa RD também é maior que a resistência do coletor RC do transistor, o tempo de carga e descarga do MOSFET é mais longo, fazendo com que o MOSFET A velocidade de comutação seja menor que a de um transistor. No entanto, em circuitos CMOS, uma vez que o circuito de carga e o circuito de descarga são ambos circuitos de baixa resistência, os processos de carga e descarga são relativamente rápidos, resultando numa alta velocidade de comutação para o circuito CMOS.