Zunächst einmal der MOSFET-Typ und die Struktur,MOSFETist ein FET (ein anderer ist JFET), der in Enhanced- oder Depletion-Typ, P-Kanal oder N-Kanal, insgesamt vier Typen hergestellt werden kann, aber die eigentliche Anwendung ist nur Enhanced N-Channel MOSFETs und Enhanced P-Channel MOSFETs, also Diese beiden Arten werden üblicherweise als NMOS oder PMOS bezeichnet. Bei diesen beiden Arten von erweiterten MOSFETs wird am häufigsten NMOS verwendet, da der Einschaltwiderstand gering und die Herstellung einfach ist. Daher wird NMOS im Allgemeinen in Schaltnetzteilen und Motorantriebsanwendungen verwendet.
In der folgenden Einleitung werden die meisten Fälle von NMOS dominiert. Zwischen den drei Pins des MOSFET besteht eine parasitäre Kapazität, ein Merkmal, das nicht benötigt wird, aber aufgrund von Einschränkungen des Herstellungsprozesses entsteht. Das Vorhandensein einer parasitären Kapazität macht es etwas schwierig, eine Treiberschaltung zu entwerfen oder auszuwählen. Zwischen Drain und Source befindet sich eine parasitäre Diode. Dies wird als Body-Diode bezeichnet und ist wichtig für den Antrieb induktiver Lasten wie Motoren. Die Body-Diode ist übrigens nur in einzelnen MOSFETs vorhanden und befindet sich normalerweise nicht im Inneren eines IC-Chips.
MOSFETDer Verlust der Schaltröhre, unabhängig davon, ob es sich um NMOS oder PMOS handelt, besteht nach der Leitung im Einschaltwiderstand, sodass der Strom in diesem Widerstand Energie verbraucht. Dieser Teil der verbrauchten Energie wird als Leitungsverlust bezeichnet. Durch die Auswahl von MOSFETs mit niedrigem Einschaltwiderstand wird der Einschaltwiderstandsverlust reduziert. Heutzutage liegt der Einschaltwiderstand von MOSFETs mit geringer Leistung im Allgemeinen bei etwa zehn Milliohm, und es sind auch einige Milliohm möglich. MOSFETs dürfen nicht in einem Moment fertiggestellt sein, wenn sie ein- und ausgeschaltet werden die beiden Enden des MOSFET, und es kommt zu einem Prozess der Erhöhung des durch ihn fließenden Stroms. Während dieser Zeitspanne ist der Verlust von MOSFETs das Produkt aus Spannung und Strom, was als Schaltverlust bezeichnet wird. Normalerweise ist der Schaltverlust viel größer als der Leitungsverlust, und je schneller die Schaltfrequenz, desto größer der Verlust. Das Produkt aus Spannung und Strom zum Zeitpunkt der Leitung ist sehr groß, was zu großen Verlusten führt. Eine Verkürzung der Schaltzeit verringert den Verlust bei jeder Leitung; Durch die Reduzierung der Schaltfrequenz verringert sich die Anzahl der Schaltvorgänge pro Zeiteinheit. Beide Ansätze reduzieren die Schaltverluste.
Im Vergleich zu Bipolartransistoren wird allgemein angenommen, dass zur Herstellung eines Transistors kein Strom erforderlich istMOSFETVerhalten, solange die GS-Spannung über einem bestimmten Wert liegt. Das ist einfach, wir brauchen aber auch Geschwindigkeit. Wie Sie an der Struktur des MOSFET sehen können, besteht zwischen GS und GD eine parasitäre Kapazität, und die Ansteuerung des MOSFET erfolgt im Endeffekt durch das Laden und Entladen der Kapazität. Das Laden des Kondensators erfordert einen Strom, da das sofortige Laden des Kondensators als Kurzschluss angesehen werden kann und daher der Momentanstrom höher ist. Das erste, was bei der Auswahl/Entwurf eines MOSFET-Treibers zu beachten ist, ist die Größe des momentanen Kurzschlussstroms, der bereitgestellt werden kann.
Zweitens ist zu beachten, dass die Ein-Zeit-Gate-Spannung bei der Verwendung in High-End-NMOS-Antrieben im Allgemeinen größer als die Source-Spannung sein muss. Bei High-End-Antriebs-MOSFETs sind die Source-Spannung und die Drain-Spannung (VCC) gleich, daher beträgt die Gate-Spannung mehr als 4 V oder 10 V bei VCC. Wenn wir im selben System eine höhere Spannung als VCC erhalten möchten, müssen wir uns auf die Boost-Schaltung spezialisieren. Viele Motortreiber verfügen über integrierte Ladungspumpen. Es ist wichtig zu beachten, dass Sie die entsprechende externe Kapazität wählen sollten, um genügend Kurzschlussstrom zum Antreiben des MOSFET zu erhalten. Die am häufigsten verwendete MOSFET-Spannung beträgt 4 V oder 10 V. Aufgrund des Designs muss natürlich ein gewisser Spielraum vorhanden sein. Je höher die Spannung, desto schneller ist die Einschaltgeschwindigkeit und desto geringer ist der Einschaltwiderstand. Mittlerweile gibt es auch MOSFETs mit kleinerer Durchlassspannung, die in verschiedenen Bereichen verwendet werden, aber im 12-V-Automobilelektroniksystem reicht im Allgemeinen ein 4-V-Einschaltzustand aus Bedarf an elektronischen Schaltkreisen, wie z. B. Schaltnetzteil und Motorantrieb, aber auch Beleuchtungsdimmung. Leitend bedeutet, dass es als Schalter fungiert, was dem Schließen eines Schalters entspricht. NMOS-Eigenschaften, Vgs größer als ein bestimmter Wert werden leitend, geeignet für den Fall, dass die Quelle geerdet ist (Low-End-Antrieb), solange das Gate Spannung von 4 V oder 10 V. PMOS-Eigenschaften, Vgs unter einem bestimmten Wert leiten, geeignet für den Einsatz, wenn die Quelle an den VCC angeschlossen ist (High-End-Laufwerk). Obwohl PMOS problemlos als High-End-Treiber verwendet werden kann, wird NMOS aufgrund des großen Einschaltwiderstands, des hohen Preises und der wenigen Ersatztypen normalerweise in High-End-Treibern verwendet.
Jetzt treibt der MOSFET Niederspannungsanwendungen an. Bei Verwendung einer 5-V-Stromversorgung, diesmal bei Verwendung der herkömmlichen Totem-Pole-Struktur, fällt aufgrund des Transistors ein Spannungsabfall von etwa 0,7 V an, was dazu führt, dass das Gate tatsächlich am Ende hinzugefügt wird Die Spannung beträgt nur 4,3 V. Zu diesem Zeitpunkt wählen wir die nominale Gate-Spannung des MOSFET von 4,5 V, da bestimmte Risiken bestehen. Das gleiche Problem tritt bei der Verwendung von 3V- oder anderen Niederspannungsnetzteilen auf. In einigen Steuerkreisen wird eine Doppelspannung verwendet, bei der der Logikabschnitt eine typische digitale Spannung von 5 V oder 3,3 V und der Leistungsabschnitt 12 V oder sogar mehr verwendet. Die Verbindung der beiden Spannungen erfolgt über eine gemeinsame Masse. Dies erfordert die Verwendung einer Schaltung, die es der Niederspannungsseite ermöglicht, den MOSFET auf der Hochspannungsseite effektiv zu steuern, während der MOSFET auf der Hochspannungsseite mit den gleichen Problemen konfrontiert ist, die in 1 und 2 erwähnt wurden. In allen drei Fällen gilt: Die Totem-Pole-Struktur kann die Ausgangsanforderungen nicht erfüllen, und viele handelsübliche MOSFET-Treiber-ICs verfügen offenbar nicht über eine Gate-Spannungsbegrenzungsstruktur. Die Eingangsspannung ist kein fester Wert, sie variiert mit der Zeit oder anderen Faktoren. Diese Variation führt dazu, dass die von der PWM-Schaltung an den MOSFET gelieferte Ansteuerspannung instabil ist. Um den MOSFET vor hohen Gate-Spannungen zu schützen, verfügen viele MOSFETs über eingebaute Spannungsregler, die die Amplitude der Gate-Spannung zwangsweise begrenzen.
Wenn in diesem Fall die bereitgestellte Antriebsspannung die Spannung des Reglers überschreitet, führt dies zu einem hohen statischen Stromverbrauch. Wenn Sie gleichzeitig einfach das Prinzip des Widerstandsspannungsteilers verwenden, um die Gate-Spannung zu reduzieren, entsteht ein relativer Stromverbrauch Bei hoher Eingangsspannung funktioniert der MOSFET gut, während die Eingangsspannung reduziert wird, wenn die Gate-Spannung nicht ausreicht, um eine unzureichend vollständige Leitung zu verursachen, wodurch der Stromverbrauch steigt.
Hier ist die relativ übliche Schaltung nur für die NMOS-Treiberschaltung, um eine einfache Analyse durchzuführen: Vl und Vh sind die Low-End- bzw. High-End-Stromversorgung, die beiden Spannungen können gleich sein, aber Vl sollte Vh nicht überschreiten. Q1 und Q2 bilden einen umgekehrten Totempfahl, der zur Isolierung dient und gleichzeitig sicherstellt, dass die beiden Treiberröhren Q3 und Q4 nicht gleichzeitig eingeschaltet sind. R2 und R3 stellen die PWM-Spannungsreferenz bereit. Durch Ändern dieser Referenz können Sie dafür sorgen, dass die Schaltung gut funktioniert und die Gate-Spannung nicht ausreicht, um eine vollständige Leitung zu bewirken, wodurch der Stromverbrauch steigt. R2 und R3 stellen die PWM-Spannungsreferenz bereit. Durch Ändern dieser Referenz können Sie die Schaltung in einer relativ steilen und geraden Wellenform des PWM-Signals arbeiten lassen. Q3 und Q4 werden verwendet, um den Antriebsstrom bereitzustellen. Aufgrund der Einschaltzeit weisen Q3 und Q4 im Verhältnis zu Vh und GND nur einen minimalen Vce-Spannungsabfall auf. Dieser Spannungsabfall beträgt normalerweise nur etwa 0,3 V und ist damit viel geringer als 0,7 V Vce R5 und R6 sind Rückkopplungswiderstände für die Gate-Spannungsabtastung. Nach der Spannungsabtastung wird die Spannung des Gates als Rückkopplungswiderstand für die Gate-Spannung und die Spannung der Probe für die Gate-Spannung verwendet. R5 und R6 sind Rückkopplungswiderstände, mit denen die Gate-Spannung abgetastet wird, die dann durch Q5 geleitet wird, um eine starke negative Rückkopplung an den Basen von Q1 und Q2 zu erzeugen und so die Gate-Spannung auf einen endlichen Wert zu begrenzen. Dieser Wert kann mit R5 und R6 angepasst werden. Schließlich sorgt R1 für die Begrenzung des Basisstroms zu Q3 und Q4, und R4 sorgt für die Begrenzung des Gate-Stroms zu den MOSFETs, was die Begrenzung des Ice von Q3Q4 darstellt. Über R4 kann bei Bedarf ein Beschleunigungskondensator parallel geschaltet werden.
Bei der Entwicklung tragbarer Geräte und drahtloser Produkte sind die Verbesserung der Produktleistung und die Verlängerung der Batteriebetriebszeit zwei Probleme, denen sich Designer stellen müssen. DC-DC-Wandler haben die Vorteile eines hohen Wirkungsgrads, eines hohen Ausgangsstroms und eines niedrigen Ruhestroms, die sich sehr gut für die Stromversorgung tragbarer Geräte eignen Geräte.
DC-DC-Wandler haben die Vorteile eines hohen Wirkungsgrads, eines hohen Ausgangsstroms und eines niedrigen Ruhestroms, die sich sehr gut für die Stromversorgung tragbarer Geräte eignen. Zu den Haupttrends in der Entwicklung der DC-DC-Wandler-Designtechnologie gehören derzeit: Hochfrequenztechnologie: Mit zunehmender Schaltfrequenz wird auch die Größe des Schaltwandlers reduziert, die Leistungsdichte wurde deutlich erhöht und die Dynamik erhöht Die Reaktionsfähigkeit wurde verbessert. Klein
Die Schaltfrequenz des DC-DC-Wandlers steigt auf Megahertz-Niveau. Technologie mit niedriger Ausgangsspannung: Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Halbleiterfertigungstechnologie wird die Betriebsspannung von Mikroprozessoren und tragbaren elektronischen Geräten immer niedriger, was erfordert, dass zukünftige DC-DC-Wandler eine niedrige Ausgangsspannung bereitstellen können, um sich an den Mikroprozessor und tragbare elektronische Geräte anzupassen Erfordert, dass zukünftige DC-DC-Wandler eine niedrige Ausgangsspannung bereitstellen können, um sich an den Mikroprozessor anzupassen.
Genug, um eine niedrige Ausgangsspannung zur Anpassung an Mikroprozessoren und tragbare elektronische Geräte bereitzustellen. Diese technologischen Entwicklungen stellen höhere Anforderungen an das Design von Stromversorgungs-Chipschaltungen. Mit zunehmender Schalthäufigkeit wird zunächst die Leistungsfähigkeit der Schaltkomponenten in den Vordergrund gerückt
Hohe Anforderungen an die Leistung des Schaltelements und es muss über eine entsprechende Schaltelement-Ansteuerschaltung verfügen, um sicherzustellen, dass die Schaltfrequenz des Schaltelements bis zum Megahertz-Niveau des Normalbetriebs reicht. Zweitens ist bei batteriebetriebenen tragbaren elektronischen Geräten die Betriebsspannung des Schaltkreises niedrig (z. B. bei Lithiumbatterien).
Lithiumbatterien haben beispielsweise eine Betriebsspannung von 2,5 bis 3,6 V, sodass der Stromversorgungschip eine niedrigere Spannung aufweist.
Der MOSFET hat einen sehr niedrigen Einschaltwiderstand und einen geringen Energieverbrauch. Der derzeit beliebte hocheffiziente DC-DC-Chip hat mehr MOSFET als Leistungsschalter. Allerdings aufgrund der großen parasitären Kapazität von MOSFETs. Dies stellt höhere Anforderungen an das Design von Schaltröhrentreiberschaltungen für den Entwurf von DC/DC-Wandlern mit hoher Betriebsfrequenz. Es gibt verschiedene CMOS- und BiCMOS-Logikschaltungen mit Bootstrap-Boost-Struktur und Treiberschaltungen als große kapazitive Lasten im Niederspannungs-ULSI-Design. Diese Schaltungen können unter den Bedingungen einer Spannungsversorgung von weniger als 1 V ordnungsgemäß funktionieren und können unter den Bedingungen einer Lastkapazität von 1 bis 2 pF arbeiten. Die Frequenz kann mehrere zehn Megabit oder sogar Hunderte von Megahertz erreichen. In diesem Artikel wird die Bootstrap-Boost-Schaltung verwendet, um eine Ansteuerfähigkeit mit großer Lastkapazität zu entwerfen, die für eine Ansteuerschaltung für DC/DC-Wandler mit niedriger Spannung und hoher Schaltfrequenz geeignet ist. Low-End-Spannung und PWM zur Ansteuerung von High-End-MOSFETs. PWM-Signal mit kleiner Amplitude zur Ansteuerung hoher Gate-Spannungsanforderungen von MOSFETs.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 12. April 2024
