Pengetahuan dan aplikasi dasar asli MOSFET

Adapun mengapa mode penipisanMOSFETtidak digunakan, tidak disarankan untuk sampai ke bagian bawahnya.

Untuk dua MOSFET mode peningkatan ini, NMOS lebih umum digunakan. Alasannya adalah resistansi on-nya kecil dan mudah dibuat. Oleh karena itu, NMOS umumnya digunakan dalam aplikasi switching catu daya dan penggerak motor. Dalam pendahuluan berikut, NMOS paling banyak digunakan.

Ada kapasitansi parasit antara tiga pin MOSFET. Hal ini bukan yang kita perlukan, namun disebabkan oleh keterbatasan proses pembuatannya. Keberadaan kapasitansi parasit membuatnya lebih merepotkan saat merancang atau memilih rangkaian penggerak, namun tidak ada cara untuk menghindarinya. Kami akan memperkenalkannya secara detail nanti.

Ada dioda parasit antara saluran pembuangan dan sumber. Ini disebut dioda tubuh. Dioda ini sangat penting ketika menggerakkan beban induktif (seperti motor). Omong-omong, dioda badan hanya ada dalam satu MOSFET dan biasanya tidak ditemukan di dalam chip sirkuit terintegrasi.

 

2. Karakteristik konduksi MOSFET

Menghantarkan berarti bertindak sebagai saklar, yang setara dengan saklar yang ditutup.

Ciri khas NMOS adalah akan menyala bila Vgs lebih besar dari nilai tertentu. Sangat cocok untuk digunakan ketika sumber dibumikan (penggerak low-end), selama tegangan gerbang mencapai 4V atau 10V.

Ciri-ciri PMOS adalah akan menyala ketika Vgs kurang dari nilai tertentu, cocok untuk situasi dimana sumber dihubungkan ke VCC (high-end drive). Namun demikianPMOSdapat dengan mudah digunakan sebagai driver kelas atas, NMOS biasanya digunakan pada driver kelas atas karena resistansinya yang besar, harga yang mahal, dan jenis pengganti yang sedikit.

 

3. Kehilangan tabung saklar MOS

Baik itu NMOS atau PMOS, ada resistansi yang menyala setelah dinyalakan, sehingga arus akan menghabiskan energi pada resistansi tersebut. Bagian energi yang dikonsumsi ini disebut kehilangan konduksi. Memilih MOSFET dengan resistansi kecil akan mengurangi kerugian konduksi. Resistansi MOSFET berdaya rendah saat ini umumnya sekitar puluhan miliohm, dan ada juga beberapa miliohm.

Saat MOSFET dihidupkan dan dimatikan, hal itu tidak boleh diselesaikan secara instan. Tegangan pada MOS mengalami proses penurunan, dan arus yang mengalir mengalami proses peningkatan. Selama periode ini,MOSFETrugi-rugi adalah hasil kali tegangan dan arus, yang disebut rugi-rugi switching. Biasanya rugi-rugi peralihan jauh lebih besar daripada rugi-rugi konduksi, dan semakin cepat frekuensi peralihan, semakin besar pula rugi-ruginya.

Hasil kali tegangan dan arus pada momen konduksi sangat besar sehingga menimbulkan rugi-rugi yang besar. Memperpendek waktu peralihan dapat mengurangi kerugian selama setiap konduksi; mengurangi frekuensi peralihan dapat mengurangi jumlah sakelar per satuan waktu. Kedua metode ini dapat mengurangi kerugian switching.

Bentuk gelombang saat MOSFET dihidupkan. Terlihat hasil kali tegangan dan arus pada momen konduksi sangat besar, dan rugi-rugi yang ditimbulkan juga sangat besar. Mengurangi waktu peralihan dapat mengurangi kerugian selama setiap konduksi; mengurangi frekuensi peralihan dapat mengurangi jumlah sakelar per satuan waktu. Kedua metode ini dapat mengurangi kerugian peralihan.

 

4.penggerak MOSFET

Dibandingkan dengan transistor bipolar, secara umum diyakini bahwa tidak diperlukan arus untuk menghidupkan MOSFET, selama tegangan GS lebih tinggi dari nilai tertentu. Ini mudah dilakukan, tapi kita juga butuh kecepatan.

Dapat dilihat pada struktur MOSFET bahwa terdapat kapasitansi parasit antara GS dan GD, dan penggerak MOSFET sebenarnya adalah pengisian dan pengosongan kapasitor. Pengisian kapasitor memerlukan arus, karena kapasitor dapat dikatakan mengalami hubungan pendek pada saat pengisian, sehingga arus sesaat akan relatif besar. Hal pertama yang harus diperhatikan ketika memilih/merancang driver MOSFET adalah jumlah arus hubung singkat sesaat yang dapat diberikannya. ​

Hal kedua yang perlu diperhatikan adalah NMOS, yang biasa digunakan untuk pengendaraan kelas atas, memerlukan tegangan gerbang lebih besar dari tegangan sumber saat dihidupkan. Ketika MOSFET penggerak sisi tinggi dihidupkan, tegangan sumber sama dengan tegangan pembuangan (VCC), sehingga tegangan gerbang saat ini adalah 4V atau 10V lebih besar dari VCC. Jika Anda ingin mendapatkan tegangan yang lebih besar dari VCC dalam sistem yang sama, Anda memerlukan rangkaian boost khusus. Banyak pengemudi motor yang memiliki pompa pengisian daya terintegrasi. Perlu dicatat bahwa kapasitor eksternal yang sesuai harus dipilih untuk mendapatkan arus hubung singkat yang cukup untuk menggerakkan MOSFET.

 

4V atau 10V yang disebutkan di atas adalah tegangan penyalaan MOSFET yang umum digunakan, dan tentu saja margin tertentu harus diberikan selama desain. Dan semakin tinggi tegangannya, semakin cepat kecepatan konduksinya dan semakin kecil resistansi konduksinya. Sekarang terdapat MOSFET dengan tegangan konduksi lebih kecil yang digunakan di berbagai bidang, tetapi pada sistem elektronik otomotif 12V, umumnya konduksi 4V sudah cukup.

 

Untuk rangkaian driver MOSFET dan kerugian-kerugiannya, silakan lihat AN799 Microchip yang Mencocokkan Driver MOSFET dengan MOSFET. Ini sangat detail, jadi saya tidak akan menulis lebih banyak.

 

Hasil kali tegangan dan arus pada momen konduksi sangat besar sehingga menimbulkan rugi-rugi yang besar. Mengurangi waktu peralihan dapat mengurangi kerugian selama setiap konduksi; mengurangi frekuensi peralihan dapat mengurangi jumlah sakelar per satuan waktu. Kedua metode ini dapat mengurangi kerugian peralihan.

MOSFET adalah jenis FET (yang lainnya adalah JFET). Dapat dibuat menjadi mode peningkatan atau mode penipisan, saluran P atau saluran N, total 4 jenis. Namun, hanya MOSFET saluran-N mode peningkatan yang sebenarnya digunakan. dan MOSFET saluran-P tipe peningkatan, jadi NMOS atau PMOS biasanya mengacu pada kedua jenis ini.

 

5. Rangkaian aplikasi MOSFET?

Karakteristik MOSFET yang paling signifikan adalah karakteristik switching yang baik, sehingga banyak digunakan pada rangkaian yang memerlukan saklar elektronik, seperti switching catu daya dan penggerak motor, serta peredupan pencahayaan.

 

Driver MOSFET saat ini memiliki beberapa persyaratan khusus:

1. Aplikasi tegangan rendah

Saat menggunakan catu daya 5V, jika struktur tiang totem tradisional digunakan saat ini, karena transistor memiliki penurunan tegangan sekitar 0,7V, tegangan akhir sebenarnya yang diterapkan ke gerbang hanya 4,3V. Saat ini, kami memilih kekuatan gerbang nominal

Ada risiko tertentu saat menggunakan MOSFET 4.5V. Masalah yang sama juga terjadi ketika menggunakan 3V atau catu daya bertegangan rendah lainnya.

2. Aplikasi tegangan lebar

Tegangan masukan bukanlah nilai tetap, melainkan akan berubah seiring waktu atau faktor lainnya. Perubahan ini menyebabkan tegangan penggerak yang diberikan rangkaian PWM ke MOSFET menjadi tidak stabil.

Untuk membuat MOSFET aman di bawah tegangan gerbang tinggi, banyak MOSFET memiliki pengatur tegangan bawaan untuk secara paksa membatasi amplitudo tegangan gerbang. Dalam hal ini, bila tegangan penggerak yang diberikan melebihi tegangan tabung pengatur tegangan, maka akan menyebabkan konsumsi daya statis yang besar.

Pada saat yang sama, jika Anda hanya menggunakan prinsip pembagian tegangan resistor untuk menurunkan tegangan gerbang, MOSFET akan bekerja dengan baik ketika tegangan masukan relatif tinggi, tetapi ketika tegangan masukan diturunkan, tegangan gerbang tidak akan mencukupi, sehingga menyebabkan konduksi tidak sempurna, sehingga meningkatkan konsumsi daya.

3. Aplikasi tegangan ganda

Di beberapa rangkaian kontrol, bagian logika menggunakan tegangan digital 5V atau 3,3V, sedangkan bagian daya menggunakan tegangan 12V atau bahkan lebih tinggi. Kedua tegangan tersebut dihubungkan ke titik yang sama.

Hal ini menimbulkan kebutuhan untuk menggunakan rangkaian sehingga sisi tegangan rendah dapat secara efektif mengontrol MOSFET pada sisi tegangan tinggi. Pada saat yang sama, MOSFET pada sisi tegangan tinggi juga akan menghadapi masalah yang disebutkan pada 1 dan 2.

Dalam ketiga kasus ini, struktur tiang totem tidak dapat memenuhi persyaratan keluaran, dan banyak IC driver MOSFET yang tersedia tampaknya tidak menyertakan struktur pembatas tegangan gerbang.

 

Jadi saya merancang rangkaian yang relatif umum untuk memenuhi ketiga kebutuhan ini.

​

Rangkaian driver untuk NMOS

Disini saya hanya akan melakukan analisa sederhana pada rangkaian driver NMOS:

Vl dan Vh masing-masing merupakan catu daya kelas bawah dan kelas atas. Kedua tegangan tersebut boleh sama, namun Vl tidak boleh melebihi Vh.

Q1 dan Q2 membentuk tiang totem terbalik untuk mencapai isolasi sekaligus memastikan bahwa dua tabung driver Q3 dan Q4 tidak menyala secara bersamaan.

R2 dan R3 memberikan referensi tegangan PWM. Dengan mengubah referensi ini, rangkaian dapat dioperasikan pada posisi dimana bentuk gelombang sinyal PWM relatif curam.

Q3 dan Q4 digunakan untuk menyediakan arus penggerak. Saat dihidupkan, Q3 dan Q4 hanya memiliki penurunan tegangan minimum Vce relatif terhadap Vh dan GND. Penurunan tegangan ini biasanya hanya sekitar 0,3V, jauh lebih rendah dari Vce sebesar 0,7V.

R5 dan R6 adalah resistor umpan balik, digunakan untuk mengambil sampel tegangan gerbang. Tegangan sampel menghasilkan umpan balik negatif yang kuat ke basis Q1 dan Q2 hingga Q5, sehingga membatasi tegangan gerbang ke nilai yang terbatas. Nilai ini dapat diatur melalui R5 dan R6.

Terakhir, R1 memberikan batas arus basis untuk Q3 dan Q4, dan R4 memberikan batas arus gerbang untuk MOSFET, yang merupakan batas Es dari Q3 dan Q4. Jika perlu, kapasitor percepatan dapat dihubungkan secara paralel ke R4.

Sirkuit ini menyediakan fitur-fitur berikut:

1. Gunakan tegangan sisi rendah dan PWM untuk menggerakkan MOSFET sisi tinggi.

2. Gunakan sinyal PWM amplitudo kecil untuk menggerakkan MOSFET dengan persyaratan tegangan gerbang tinggi.

3. Batas puncak tegangan gerbang

4. Batas arus masukan dan keluaran

5. Dengan menggunakan resistor yang sesuai, konsumsi daya yang sangat rendah dapat dicapai.

6. Sinyal PWM terbalik. NMOS tidak memerlukan fitur ini dan dapat diatasi dengan menempatkan inverter di depan.

Saat merancang perangkat portabel dan produk nirkabel, meningkatkan kinerja produk dan memperpanjang masa pakai baterai adalah dua masalah yang perlu dihadapi oleh para desainer. Konverter DC-DC memiliki keunggulan efisiensi tinggi, arus keluaran besar, dan arus diam rendah, sehingga sangat cocok untuk memberi daya pada perangkat portabel. Saat ini, tren utama dalam pengembangan teknologi desain konverter DC-DC adalah: (1) Teknologi frekuensi tinggi: Dengan meningkatnya frekuensi switching, ukuran konverter switching juga berkurang, kepadatan daya juga meningkat pesat, dan respons dinamis ditingkatkan. . Frekuensi peralihan konverter DC-DC berdaya rendah akan naik ke tingkat megahertz. (2) Teknologi tegangan keluaran rendah: Dengan terus berkembangnya teknologi manufaktur semikonduktor, tegangan operasi mikroprosesor dan perangkat elektronik portabel semakin rendah, sehingga memerlukan konverter DC-DC di masa depan untuk menyediakan tegangan keluaran rendah agar dapat beradaptasi dengan mikroprosesor. persyaratan untuk prosesor dan perangkat elektronik portabel.

Perkembangan teknologi ini telah mengajukan persyaratan yang lebih tinggi untuk desain sirkuit chip daya. Pertama-tama, karena frekuensi peralihan terus meningkat, persyaratan tinggi diberikan pada kinerja elemen peralihan. Pada saat yang sama, sirkuit penggerak elemen switching yang sesuai harus disediakan untuk memastikan bahwa elemen switching bekerja secara normal pada frekuensi switching hingga MHz. Kedua, untuk perangkat elektronik portabel bertenaga baterai, tegangan kerja rangkaiannya rendah (misalnya baterai litium, tegangan kerja adalah 2,5~3,6V), oleh karena itu, tegangan kerja chip daya rendah.

 

MOSFET memiliki resistansi yang sangat rendah dan mengkonsumsi energi yang rendah. MOSFET sering digunakan sebagai saklar daya pada chip DC-DC efisiensi tinggi yang populer saat ini. Namun, karena kapasitansi parasit MOSFET yang besar, kapasitansi gerbang tabung switching NMOS umumnya mencapai puluhan pikofarad. Hal ini mengedepankan persyaratan yang lebih tinggi untuk desain rangkaian penggerak tabung pengalih konverter DC-DC frekuensi operasi tinggi.

Dalam desain ULSI tegangan rendah, terdapat berbagai rangkaian logika CMOS dan BiCMOS yang menggunakan struktur penguat bootstrap dan rangkaian penggerak sebagai beban kapasitif besar. Rangkaian ini dapat beroperasi secara normal dengan tegangan catu daya lebih rendah dari 1V, dan dapat beroperasi pada frekuensi puluhan megahertz atau bahkan ratusan megahertz dengan kapasitansi beban 1 hingga 2pF. Artikel ini menggunakan rangkaian penguat bootstrap untuk merancang rangkaian penggerak dengan kemampuan penggerak kapasitansi beban besar yang cocok untuk konverter DC-DC penguat frekuensi peralihan tinggi dan tegangan rendah. Sirkuit ini dirancang berdasarkan proses Samsung AHP615 BiCMOS dan diverifikasi oleh simulasi Hspice. Ketika tegangan suplai 1.5V dan kapasitansi beban 60pF, frekuensi operasi bisa mencapai lebih dari 5MHz.

​

Karakteristik peralihan MOSFET

​

1. Karakteristik statis

Sebagai elemen switching, MOSFET juga bekerja dalam dua keadaan: mati atau hidup. Karena MOSFET adalah komponen yang dikontrol tegangan, kondisi kerjanya terutama ditentukan oleh tegangan sumber gerbang uGS.

 

Ciri-ciri kerjanya adalah sebagai berikut:

※ uGS＜tegangan penyalaan UT: MOSFET bekerja di area cut-off, arus sumber pembuangan iDS pada dasarnya 0, tegangan keluaran uDS≈UDD, dan MOSFET dalam keadaan "mati".

※ uGS>Tegangan nyala UT: MOSFET bekerja di wilayah konduksi, arus sumber pembuangan iDS=UDD/(RD+rDS). Diantaranya, rDS adalah resistansi sumber saluran ketika MOSFET dihidupkan. Tegangan keluaran UDS=UDD?rDS/(RD+rDS), jika rDS＜＜RD, uDS≈0V, MOSFET dalam keadaan "on".

2. Karakteristik dinamis

MOSFET juga memiliki proses transisi ketika beralih antara keadaan hidup dan mati, namun karakteristik dinamisnya terutama bergantung pada waktu yang diperlukan untuk mengisi dan melepaskan kapasitansi liar yang terkait dengan rangkaian, dan akumulasi dan pengosongan muatan ketika tabung itu sendiri hidup dan mati. Waktu disipasinya sangat kecil.

Ketika tegangan masukan ui berubah dari tinggi ke rendah dan MOSFET berubah dari keadaan hidup ke keadaan mati, UDD catu daya mengisi kapasitansi nyasar CL melalui RD, dan konstanta waktu pengisian τ1=RDCL. Oleh karena itu, tegangan keluaran uo perlu melalui penundaan tertentu sebelum berubah dari level rendah ke level tinggi; ketika tegangan input ui berubah dari rendah ke tinggi dan MOSFET berubah dari keadaan mati ke keadaan hidup, muatan pada kapasitansi nyasar CL melewati rDS Pelepasan terjadi dengan konstanta waktu pengosongan τ2≈rDSCL. Terlihat bahwa tegangan keluaran Uo juga memerlukan penundaan tertentu sebelum dapat berpindah ke level rendah. Namun karena rDS jauh lebih kecil dibandingkan RD, waktu konversi dari cut-off ke konduksi lebih pendek dibandingkan waktu konversi dari konduksi ke cut-off.

Karena resistansi saluran-sumber rDS MOSFET ketika dihidupkan jauh lebih besar daripada resistansi saturasi rCES transistor, dan resistansi saluran eksternal RD juga lebih besar daripada resistansi kolektor RC transistor, maka waktu pengisian dan pengosongan MOSFET lebih panjang, membuat kecepatan switching MOSFET lebih rendah dibandingkan transistor. Namun, dalam rangkaian CMOS, karena rangkaian pengisian dan pengosongan keduanya merupakan rangkaian resistansi rendah, proses pengisian dan pengosongan relatif cepat, sehingga menghasilkan kecepatan peralihan yang tinggi untuk rangkaian CMOS.