Warum der Erschöpfungsmodus?MOSFETsnicht genutzt werden, ist es nicht empfehlenswert, der Sache auf den Grund zu gehen.
Für diese beiden Anreicherungs-MOSFETs wird häufiger NMOS verwendet. Der Grund dafür ist, dass der Einschaltwiderstand klein und einfach herzustellen ist. Daher wird NMOS im Allgemeinen in Schaltnetzteilen und Motorantriebsanwendungen verwendet. In der folgenden Einleitung wird hauptsächlich NMOS verwendet.
Zwischen den drei Pins des MOSFET besteht eine parasitäre Kapazität. Dies ist nicht das, was wir brauchen, sondern wird durch Einschränkungen des Herstellungsprozesses verursacht. Das Vorhandensein parasitärer Kapazitäten erschwert den Entwurf oder die Auswahl einer Ansteuerschaltung, lässt sich jedoch nicht vermeiden. Wir werden es später im Detail vorstellen.
Zwischen Drain und Source befindet sich eine parasitäre Diode. Dies wird als Body-Diode bezeichnet. Diese Diode ist sehr wichtig beim Antrieb induktiver Lasten (z. B. Motoren). Die Body-Diode existiert übrigens nur in einem einzelnen MOSFET und ist normalerweise nicht im Inneren eines integrierten Schaltkreischips zu finden.
2. MOSFET-Leitungseigenschaften
Leitend bedeutet, als Schalter zu fungieren, was dem Schließen des Schalters gleichkommt.
Die Besonderheit von NMOS besteht darin, dass es sich einschaltet, wenn Vgs einen bestimmten Wert überschreitet. Es ist für den Einsatz geeignet, wenn die Quelle geerdet ist (Low-End-Ansteuerung), solange die Gate-Spannung 4 V oder 10 V erreicht.
Die Eigenschaften von PMOS bestehen darin, dass es sich einschaltet, wenn Vgs unter einem bestimmten Wert liegt, was für Situationen geeignet ist, in denen die Quelle an VCC (High-End-Laufwerk) angeschlossen ist. Allerdings, obwohlPMOSkann problemlos als High-End-Treiber verwendet werden, NMOS wird aufgrund des großen Einschaltwiderstands, des hohen Preises und der wenigen Ersatztypen normalerweise in High-End-Treibern verwendet.
3. Verlust der MOS-Schaltröhre
Unabhängig davon, ob es sich um NMOS oder PMOS handelt, gibt es nach dem Einschalten einen Einschaltwiderstand, sodass der Strom an diesem Widerstand Energie verbraucht. Dieser Teil der verbrauchten Energie wird Leitungsverlust genannt. Durch die Wahl eines MOSFET mit einem kleinen Einschaltwiderstand werden Leitungsverluste reduziert. Der heutige Einschaltwiderstand von Low-Power-MOSFETs liegt im Allgemeinen bei etwa mehreren zehn Milliohm, es gibt aber auch mehrere Milliohm.
Das Ein- und Ausschalten des MOSFET darf nicht sofort abgeschlossen sein. Die Spannung am MOS nimmt ab und der fließende Strom nimmt zu. In diesem Zeitraum wurde dieMOSFETsDer Verlust ist das Produkt aus Spannung und Strom, das als Schaltverlust bezeichnet wird. Normalerweise sind die Schaltverluste viel größer als die Leitungsverluste, und je schneller die Schaltfrequenz, desto größer sind die Verluste.
Das Produkt aus Spannung und Strom im Moment der Leitung ist sehr groß und verursacht große Verluste. Eine Verkürzung der Schaltzeit kann den Verlust bei jeder Leitung verringern; Durch eine Reduzierung der Schaltfrequenz kann die Anzahl der Schaltvorgänge pro Zeiteinheit verringert werden. Beide Methoden können Schaltverluste reduzieren.
Die Wellenform, wenn der MOSFET eingeschaltet ist. Es ist ersichtlich, dass das Produkt aus Spannung und Strom zum Zeitpunkt der Leitung sehr groß ist und der verursachte Verlust ebenfalls sehr groß ist. Durch Verkürzung der Schaltzeit kann der Verlust bei jeder Leitung verringert werden. Durch eine Reduzierung der Schaltfrequenz kann die Anzahl der Schaltvorgänge pro Zeiteinheit verringert werden. Beide Methoden können Schaltverluste reduzieren.
4. MOSFET-Treiber
Im Vergleich zu Bipolartransistoren wird allgemein angenommen, dass zum Einschalten eines MOSFET kein Strom erforderlich ist, solange die GS-Spannung höher als ein bestimmter Wert ist. Das ist einfach, aber wir brauchen auch Geschwindigkeit.
Aus der Struktur des MOSFET ist ersichtlich, dass zwischen GS und GD eine parasitäre Kapazität besteht und die Ansteuerung des MOSFET tatsächlich das Laden und Entladen des Kondensators ist. Das Laden des Kondensators erfordert einen Strom, da der Kondensator zum Zeitpunkt des Ladens als Kurzschluss betrachtet werden kann, sodass der Momentanstrom relativ groß ist. Das erste, worauf Sie bei der Auswahl/Entwurf eines MOSFET-Treibers achten sollten, ist die Menge an momentanem Kurzschlussstrom, den er liefern kann.
Zweitens ist zu beachten, dass NMOS, das üblicherweise für High-End-Ansteuerung verwendet wird, beim Einschalten eine Gate-Spannung benötigt, die größer als die Source-Spannung ist. Wenn der High-Side-gesteuerte MOSFET eingeschaltet wird, ist die Source-Spannung dieselbe wie die Drain-Spannung (VCC), sodass die Gate-Spannung zu diesem Zeitpunkt 4 V oder 10 V größer als VCC ist. Wenn Sie im selben System eine Spannung größer als VCC erreichen möchten, benötigen Sie eine spezielle Boost-Schaltung. Viele Motortreiber verfügen über integrierte Ladepumpen. Es ist zu beachten, dass ein geeigneter externer Kondensator ausgewählt werden sollte, um ausreichend Kurzschlussstrom zur Ansteuerung des MOSFET zu erhalten.
Die oben genannten 4 V oder 10 V sind die Einschaltspannung häufig verwendeter MOSFETs, und beim Design muss natürlich ein gewisser Spielraum berücksichtigt werden. Und je höher die Spannung, desto schneller ist die Leitungsgeschwindigkeit und desto kleiner ist der Leitungswiderstand. Mittlerweile gibt es MOSFETs mit geringeren Leitungsspannungen, die in verschiedenen Bereichen eingesetzt werden, aber in 12-V-Elektroniksystemen für Kraftfahrzeuge reicht im Allgemeinen eine 4-V-Leitung aus.
Informationen zur MOSFET-Treiberschaltung und ihren Verlusten finden Sie im AN799 Matching MOSFET Drivers to MOSFETs von Microchip. Es ist sehr detailliert, daher werde ich nicht mehr schreiben.
Das Produkt aus Spannung und Strom im Moment der Leitung ist sehr groß und verursacht große Verluste. Durch Verkürzung der Schaltzeit kann der Verlust bei jeder Leitung reduziert werden. Durch eine Reduzierung der Schaltfrequenz kann die Anzahl der Schaltvorgänge pro Zeiteinheit verringert werden. Beide Methoden können Schaltverluste reduzieren.
MOSFET ist eine Art FET (der andere ist JFET). Es kann in den Anreicherungsmodus oder Verarmungsmodus, P-Kanal oder N-Kanal, insgesamt 4 Typen, umgewandelt werden. Tatsächlich wird jedoch nur ein N-Kanal-MOSFET im Anreicherungsmodus verwendet. und P-Kanal-MOSFET vom Anreicherungstyp, daher beziehen sich NMOS oder PMOS normalerweise auf diese beiden Typen.
5. MOSFET-Anwendungsschaltung?
Das wichtigste Merkmal von MOSFETs sind seine guten Schalteigenschaften. Daher wird er häufig in Schaltkreisen verwendet, die elektronische Schalter erfordern, wie z. B. Schaltnetzteile und Motorantriebe sowie zum Dimmen von Beleuchtung.
Heutige MOSFET-Treiber haben mehrere besondere Anforderungen:
1. Niederspannungsanwendung
Wenn bei Verwendung einer 5-V-Stromversorgung zu diesem Zeitpunkt eine herkömmliche Totempfahlstruktur verwendet wird, beträgt die tatsächliche am Gate angelegte Endspannung nur 4,3 V, da der Transistor einen Spannungsabfall von etwa 0,7 V aufweist. Zu diesem Zeitpunkt wählen wir die Nenn-Gate-Leistung
Bei der Verwendung eines 4,5-V-MOSFET besteht ein gewisses Risiko. Das gleiche Problem tritt auch bei der Verwendung von 3V- oder anderen Niederspannungsnetzteilen auf.
2. Breite Spannungsanwendung
Die Eingangsspannung ist kein fester Wert, sie ändert sich mit der Zeit oder anderen Faktoren. Diese Änderung führt dazu, dass die von der PWM-Schaltung an den MOSFET gelieferte Antriebsspannung instabil wird.
Um MOSFETs bei hohen Gate-Spannungen sicher zu machen, verfügen viele MOSFETs über eingebaute Spannungsregler, die die Amplitude der Gate-Spannung zwangsweise begrenzen. Wenn in diesem Fall die bereitgestellte Antriebsspannung die Spannung der Spannungsreglerröhre übersteigt, führt dies zu einem hohen statischen Stromverbrauch.
Wenn Sie gleichzeitig einfach das Prinzip der Widerstandsspannungsteilung verwenden, um die Gate-Spannung zu reduzieren, funktioniert der MOSFET gut, wenn die Eingangsspannung relativ hoch ist, aber wenn die Eingangsspannung reduziert wird, reicht die Gate-Spannung nicht aus, was dazu führt unvollständige Leitung, wodurch der Stromverbrauch steigt.
3. Doppelspannungsanwendung
In einigen Steuerkreisen verwendet der Logikteil eine typische digitale Spannung von 5 V oder 3,3 V, während der Leistungsteil eine Spannung von 12 V oder sogar höher verwendet. Die beiden Spannungen sind an eine gemeinsame Masse angeschlossen.
Dies erhöht die Anforderung, eine Schaltung zu verwenden, damit die Niederspannungsseite den MOSFET auf der Hochspannungsseite effektiv steuern kann. Gleichzeitig wird auch der MOSFET auf der Hochspannungsseite mit den unter 1. und 2. genannten Problemen konfrontiert sein.
In diesen drei Fällen kann die Totem-Pole-Struktur die Ausgangsanforderungen nicht erfüllen, und viele handelsübliche MOSFET-Treiber-ICs scheinen keine Gate-Spannungsbegrenzungsstrukturen zu enthalten.
Deshalb habe ich eine relativ allgemeine Schaltung entworfen, um diese drei Anforderungen zu erfüllen.
Treiberschaltung für NMOS
Hier werde ich nur eine einfache Analyse der NMOS-Treiberschaltung durchführen:
Vl und Vh sind die Low-End- bzw. High-End-Netzteile. Die beiden Spannungen können gleich sein, Vl sollte jedoch Vh nicht überschreiten.
Q1 und Q2 bilden einen umgekehrten Totempfahl, um eine Isolierung zu erreichen und gleichzeitig sicherzustellen, dass die beiden Treiberröhren Q3 und Q4 nicht gleichzeitig eingeschaltet werden.
R2 und R3 liefern die PWM-Spannungsreferenz. Durch Ändern dieser Referenz kann die Schaltung in einer Position betrieben werden, in der die Wellenform des PWM-Signals relativ steil ist.
Q3 und Q4 werden zur Bereitstellung des Antriebsstroms verwendet. Im eingeschalteten Zustand weisen Q3 und Q4 nur einen minimalen Spannungsabfall von Vce relativ zu Vh und GND auf. Dieser Spannungsabfall beträgt normalerweise nur etwa 0,3 V und ist damit viel niedriger als der Vce von 0,7 V.
R5 und R6 sind Rückkopplungswiderstände, die zum Abtasten der Gate-Spannung verwendet werden. Die abgetastete Spannung erzeugt eine starke negative Rückkopplung zu den Basen von Q1 und Q2 bis Q5 und begrenzt so die Gate-Spannung auf einen begrenzten Wert. Dieser Wert kann über R5 und R6 angepasst werden.
Schließlich stellt R1 die Basisstrombegrenzung für Q3 und Q4 bereit, und R4 stellt die Gatestrombegrenzung für den MOSFET bereit, was die Grenze des Eises von Q3 und Q4 darstellt. Bei Bedarf kann ein Beschleunigungskondensator parallel zu R4 geschaltet werden.
Diese Schaltung bietet die folgenden Funktionen:
1. Verwenden Sie Low-Side-Spannung und PWM, um den High-Side-MOSFET anzusteuern.
2. Verwenden Sie ein PWM-Signal mit kleiner Amplitude, um einen MOSFET mit hohen Anforderungen an die Gate-Spannung anzusteuern.
3. Spitzengrenze der Gate-Spannung
4. Eingangs- und Ausgangsstromgrenzen
5. Durch den Einsatz entsprechender Widerstände kann ein sehr geringer Stromverbrauch erreicht werden.
6. Das PWM-Signal wird invertiert. NMOS benötigt diese Funktion nicht und kann durch die Platzierung eines Wechselrichters davor gelöst werden.
Bei der Entwicklung tragbarer Geräte und drahtloser Produkte sind die Verbesserung der Produktleistung und die Verlängerung der Batterielebensdauer zwei Probleme, denen sich Designer stellen müssen. DC-DC-Wandler haben die Vorteile eines hohen Wirkungsgrads, eines großen Ausgangsstroms und eines niedrigen Ruhestroms, wodurch sie sich sehr gut für die Stromversorgung tragbarer Geräte eignen. Derzeit sind die Haupttrends in der Entwicklung der DC-DC-Wandler-Designtechnologie: (1) Hochfrequenztechnologie: Mit zunehmender Schaltfrequenz wird auch die Größe des Schaltwandlers verringert, und die Leistungsdichte wird ebenfalls stark erhöht. und die dynamische Reaktion wird verbessert. . Die Schaltfrequenz von DC-DC-Wandlern mit geringer Leistung wird auf den Megahertz-Bereich steigen. (2) 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, um sich an Mikroprozessoren anzupassen. Anforderungen an Prozessoren und tragbare elektronische Geräte.
Die Entwicklung dieser Technologien hat höhere Anforderungen an das Design von Leistungschipschaltungen gestellt. Erstens werden mit zunehmender Schalthäufigkeit hohe Anforderungen an die Leistungsfähigkeit von Schaltelementen gestellt. Gleichzeitig müssen entsprechende Schaltelement-Ansteuerschaltungen bereitgestellt werden, um sicherzustellen, dass die Schaltelemente bei Schaltfrequenzen bis zu MHz normal arbeiten. Zweitens ist bei batteriebetriebenen tragbaren elektronischen Geräten die Arbeitsspannung des Stromkreises niedrig (am Beispiel von Lithiumbatterien beträgt die Arbeitsspannung 2,5 bis 3,6 V), daher ist die Arbeitsspannung des Leistungschips niedrig.
MOSFET hat einen sehr niedrigen Einschaltwiderstand und verbraucht wenig Energie. MOSFETs werden häufig als Leistungsschalter in derzeit beliebten hocheffizienten DC-DC-Chips verwendet. Aufgrund der großen parasitären Kapazität von MOSFETs beträgt die Gate-Kapazität von NMOS-Schaltröhren jedoch im Allgemeinen mehrere zehn Picofarad. Dies stellt höhere Anforderungen an das Design der Hochfrequenz-DC/DC-Wandler-Schaltröhren-Ansteuerschaltung.
In Niederspannungs-ULSI-Designs gibt es eine Vielzahl von CMOS- und BiCMOS-Logikschaltungen, die Bootstrap-Boost-Strukturen und Treiberschaltungen als große kapazitive Lasten verwenden. Diese Schaltkreise können normal mit einer Versorgungsspannung von weniger als 1 V betrieben werden und können bei einer Frequenz von mehreren zehn Megahertz oder sogar Hunderten von Megahertz mit einer Lastkapazität von 1 bis 2 pF betrieben werden. In diesem Artikel wird eine Bootstrap-Boost-Schaltung verwendet, um eine Treiberschaltung mit großer Lastkapazität zu entwerfen, die für DC/DC-Boost-Wandler mit niedriger Spannung und hoher Schaltfrequenz geeignet ist. Die Schaltung basiert auf dem Samsung AHP615 BiCMOS-Prozess und wurde durch Hspice-Simulation verifiziert. Bei einer Versorgungsspannung von 1,5 V und einer Lastkapazität von 60 pF kann die Betriebsfrequenz mehr als 5 MHz erreichen.
MOSFET-Schalteigenschaften
1. Statische Eigenschaften
Als Schaltelement arbeitet der MOSFET auch in zwei Zuständen: Aus oder Ein. Da es sich bei MOSFET um ein spannungsgesteuertes Bauteil handelt, wird sein Arbeitszustand hauptsächlich durch die Gate-Source-Spannung uGS bestimmt.
Die Arbeitseigenschaften sind wie folgt:
※ uGS＜Einschaltspannung UT: MOSFET arbeitet im Sperrbereich, der Drain-Source-Strom iDS ist grundsätzlich 0, die Ausgangsspannung uDS≈UDD und der MOSFET befindet sich im „Aus“-Zustand.
※ uGS>Einschaltspannung UT: MOSFET arbeitet im Leitungsbereich, Drain-Source-Strom iDS=UDD/(RD+rDS). Darunter ist rDS der Drain-Source-Widerstand beim Einschalten des MOSFET. Die Ausgangsspannung UDS=UDD?rDS/(RD+rDS), wenn rDS<<RD, uDS≈0V, ist der MOSFET im „Ein“-Zustand.
2. Dynamische Eigenschaften
Auch bei MOSFETs gibt es einen Übergangsprozess beim Umschalten zwischen Ein- und Aus-Zuständen, aber seine dynamischen Eigenschaften hängen hauptsächlich von der Zeit ab, die zum Laden und Entladen der mit der Schaltung verbundenen Streukapazität erforderlich ist, sowie von der Ladungsakkumulation und -entladung, wenn die Röhre selbst ein- und ausgeschaltet ist Die Dissipationszeit ist sehr gering.
Wenn die Eingangsspannung ui von hoch auf niedrig wechselt und der MOSFET vom eingeschalteten Zustand in den ausgeschalteten Zustand wechselt, lädt die Stromversorgung UDD die Streukapazität CL über RD und die Ladezeitkonstante τ1=RDCL. Daher muss die Ausgangsspannung uo eine gewisse Verzögerung durchlaufen, bevor sie vom niedrigen auf den hohen Pegel wechselt. Wenn die Eingangsspannung ui von niedrig auf hoch wechselt und der MOSFET vom ausgeschalteten Zustand in den eingeschalteten Zustand wechselt, fließt die Ladung auf der Streukapazität CL durch rDS. Die Entladung erfolgt mit einer Entladezeitkonstanten τ2≈rDSCL. Man erkennt, dass auch die Ausgangsspannung Uo eine gewisse Verzögerung benötigt, bevor sie auf einen niedrigen Pegel übergehen kann. Da rDS jedoch viel kleiner als RD ist, ist die Umwandlungszeit von der Abschaltung zur Leitung kürzer als die Umwandlungszeit von der Leitung zur Abschaltung.
Da der Drain-Source-Widerstand rDS des MOSFET im eingeschalteten Zustand viel größer ist als der Sättigungswiderstand rCES des Transistors und der externe Drain-Widerstand RD ebenfalls größer ist als der Kollektorwiderstand RC des Transistors, verkürzt sich die Lade- und Entladezeit Die Schaltgeschwindigkeit des MOSFET ist länger, wodurch die Schaltgeschwindigkeit des MOSFET geringer ist als die eines Transistors. Da jedoch in CMOS-Schaltungen sowohl die Ladeschaltung als auch die Entladeschaltung niederohmige Schaltungen sind, sind die Lade- und Entladevorgänge relativ schnell, was zu einer hohen Schaltgeschwindigkeit der CMOS-Schaltung führt.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 15. April 2024
