Eòlas bunaiteach agus cleachdadh MOSFET

A thaobh carson a tha modh crìonadhMOSFETanChan eilear gan cleachdadh, chan eilear a’ moladh faighinn gu bonn e.

Airson an dà MOSFET modh adhartachaidh seo, tha NMOS air a chleachdadh nas cumanta. Is e an t-adhbhar gu bheil an aghaidh-aghaidh beag agus furasta a dhèanamh. Mar sin, tha NMOS air a chleachdadh sa chumantas ann a bhith ag atharrachadh solar cumhachd agus tagraidhean dràibhidh motair. Anns an ro-ràdh a leanas, thathas a’ cleachdadh NMOS sa mhòr-chuid.

Tha comas dìosganach eadar na trì prìneachan den MOSFET. Chan e seo a tha a dhìth oirnn, ach tha e air adhbhrachadh le cuingealachaidhean pròiseas saothrachaidh. Leis gu bheil comas dìosganach ga dhèanamh nas duilghe nuair a bhios tu a’ dealbhadh no a’ taghadh cuairt dràibhidh, ach chan eil dòigh ann air a sheachnadh. Bheir sinn a-steach e gu mionaideach nas fhaide air adhart.

Tha diode dìosganach eadar an drain agus an stòr. Canar corp diode ris an seo. Tha an diode seo glè chudromach nuair a bhios tu a’ draibheadh ​​luchdan inductive (leithid motaran). Air an t-slighe, chan eil an diode bodhaig ann ach ann an aon MOSFET agus mar as trice cha lorgar e am broinn chip cuairteachaidh aonaichte.

 

2. Feartan giùlain MOSFET

Tha giùlan a’ ciallachadh a bhith ag obair mar suidse, a tha co-ionann ris an suidse a bhith dùinte.

Is e feart NMOS gun tionndaidh e air adhart nuair a tha Vgs nas àirde na luach sònraichte. Tha e freagarrach airson a chleachdadh nuair a tha an stòr stèidhichte (draibheadh ​​​​ìosal), fhad ‘s a ruigeas bholtadh a’ gheata 4V no 10V.

Is e feartan PMOS gun tionndaidh e air adhart nuair a tha Vgs nas lugha na luach sònraichte, a tha freagarrach airson suidheachaidhean far a bheil an stòr ceangailte ri VCC (dràibhear àrd). Ach, ged aPMOSfaodar a chleachdadh gu furasta mar dhràibhear àrd, mar as trice bidh NMOS air a chleachdadh ann an draibhearan àrd-ìre air sgàth seasmhachd mòr, prìs àrd, agus glè bheag de sheòrsan ùra.

 

3. MOS suidse tube call

Ge bith an e NMOS no PMOS a th’ ann, tha seasmhachd ann às deidh dha a bhith air a thionndadh air, agus mar sin cleachdaidh an sruth lùth air an aghaidh seo. Canar call giùlain ris a’ phàirt seo den lùth a thèid a chaitheamh. Le bhith a’ taghadh MOSFET le dìon beag lughdaichidh sin call giùlain. Mar as trice tha an aghaidh MOSFET le cumhachd ìosal an-diugh timcheall air deichean de mhiliohms, agus tha grunn milliohms ann cuideachd.

Nuair a thèid am MOSFET a chuir air agus dheth, chan fhaodar a chrìochnachadh sa bhad. Tha pròiseas lùghdachaidh aig a’ bholtaids thar an MOS, agus tha pròiseas a’ sìor fhàs aig an t-sruth sruthach. Rè na h-ùine seo, tha anMOSFETantha call mar thoradh air bholtaids agus sruth, ris an canar call suidse. Mar as trice tha call suidse tòrr nas motha na call giùlain, agus mar as luaithe a bhios tricead an tionndaidh, is ann as motha a bhios an call.

Tha toradh bholtachd agus sruth aig an àm giùlain glè mhòr, ag adhbhrachadh call mòr. Faodaidh giorrachadh na h-ùine tionndaidh an call a lughdachadh aig gach giùlan; faodaidh lughdachadh tricead suidse an àireamh de suidsichean gach aonad ùine a lughdachadh. Faodaidh an dà dhòigh call suidse a lughdachadh.

An cruth tonn nuair a thèid am MOSFET a thionndadh air. Chìthear gu bheil toradh bholtachd agus sruth aig an àm giùlain glè mhòr, agus tha an call a dh’ adhbhraich e cuideachd glè mhòr. Le bhith a’ lughdachadh na h-ùine suidse faodaidh sin an call a lughdachadh anns gach giùlan; faodaidh lughdachadh tricead suidse an àireamh de suidsichean gach aonad ùine a lughdachadh. Faodaidh an dà dhòigh call suidse a lughdachadh.

 

4. MOSFET dràibhear

An coimeas ri transistors bipolar, sa chumantas thathas a’ creidsinn nach eil feum air sruth sam bith gus MOSFET a thionndadh, fhad ‘s a tha bholtadh GS nas àirde na luach sònraichte. Tha seo furasta a dhèanamh, ach feumaidh sinn astar cuideachd.

Tha e ri fhaicinn ann an structar an MOSFET gu bheil comas dìosganach eadar GS agus GD, agus gu dearbh is e draibheadh ​​​​MOSFET cosgais agus sgaoileadh an capacitor. Feumaidh cosgais an capacitor sruth, oir faodar an capacitor a mheas mar chuairt ghoirid aig àm cosgais, agus mar sin bidh an sruth sa bhad an ìre mhath mòr. Is e a’ chiad rud air am bu chòir aire a thoirt nuair a tha thu a’ taghadh / a’ dealbhadh draibhear MOSFET an ìre de shruth geàrr-chuairt sa bhad as urrainn dha a thoirt seachad. Tha

Is e an dàrna rud a bu chòir a thoirt fa-near gu bheil feum aig NMOS, a thathas a’ cleachdadh gu cumanta airson dràibheadh ​​​​àrd, gum bi bholtachd a’ gheata nas àirde na bholtaids an stòr nuair a thèid a thionndadh air. Nuair a thèid am MOSFET air a stiùireadh le taobh àrd a thionndadh air, tha an bholtadh stòr co-ionann ris an bholtadh drèanaidh (VCC), agus mar sin tha bholtadh a’ gheata 4V no 10V nas motha na VCC aig an àm seo. Ma tha thu airson bholtaids nas motha na VCC fhaighinn san aon shiostam, feumaidh tu cuairt àrdachadh sònraichte. Tha pumpaichean cosgais aonaichte aig mòran de dhraibhearan motair. Bu chòir a thoirt fa-near gum bu chòir capacitor taobh a-muigh iomchaidh a thaghadh gus sruth geàrr-chuairt gu leòr fhaighinn gus am MOSFET a dhràibheadh.

 

Is e an 4V no 10V a chaidh ainmeachadh gu h-àrd bholtaids tionndaidh MOSFETan a thathas a’ cleachdadh gu cumanta, agus gu dearbh feumar iomall sònraichte a cheadachadh rè dealbhadh. Agus mar as àirde an bholtadh, is ann as luaithe a bhios an astar giùlain agus mar as lugha an aghaidh giùlain. A-nis tha MOSFETan ann le bholtaids giùlain nas lugha air an cleachdadh ann an diofar raointean, ach ann an siostaman dealanach fèin-ghluasadach 12V, mar as trice tha giùlan 4V gu leòr.

 

Airson cuairt-dràibhidh MOSFET agus a chall, thoir sùil air AN799 Microchip a’ maidseadh draibhearan MOSFET ri MOSFETs. Tha e gu math mionaideach, mar sin cha bhith mi a’ sgrìobhadh tuilleadh.

 

Tha toradh bholtachd agus sruth aig an àm giùlain glè mhòr, ag adhbhrachadh call mòr. Le bhith a’ lughdachadh na h-ùine suidse faodaidh sin an call a lughdachadh anns gach giùlan; faodaidh lughdachadh tricead suidse an àireamh de suidsichean gach aonad ùine a lughdachadh. Faodaidh an dà dhòigh call suidse a lughdachadh.

Is e seòrsa de FET a th’ ann am MOSFET (am fear eile JFET). Faodar a dhèanamh ann am modh àrdachaidh no modh ìsleachaidh, P-channel no N-sianal, 4 seòrsaichean gu h-iomlan. Ach, chan eilear a’ cleachdadh ach modh leasachaidh N-sianal MOSFET. agus MOSFET seanail-leasachaidh-seòrsa, mar sin mar as trice bidh NMOS no PMOS a’ toirt iomradh air an dà sheòrsa seo.

 

5. Cuairt tagraidh MOSFET?

Is e am feart as cudromaiche de MOSFET na feartan suidse math aige, agus mar sin tha e air a chleachdadh gu farsaing ann an cuairtean a dh’ fheumas suidsichean dealanach, leithid atharrachadh solar cumhachd agus draibhearan motair, a bharrachd air lasachadh solais.

 

Tha grunn riatanasan sònraichte aig draibhearan MOSFET an-diugh:

1. Iarrtas bholtaids ìosal

Nuair a bhios tu a’ cleachdadh solar cumhachd 5V, ma tha structar pòla totem traidiseanta air a chleachdadh aig an àm seo, leis gu bheil tuiteam bholtachd timcheall air 0.7V aig an transistor, chan eil an fhìor bholtadh deireannach a chuirear air a’ gheata ach 4.3V. Aig an àm seo, bidh sinn a’ taghadh an cumhachd geata ainmichte

Tha cunnart sònraichte ann nuair a bhios tu a’ cleachdadh MOSFET 4.5V. Bidh an aon dhuilgheadas cuideachd a’ tachairt nuair a bhios tu a’ cleachdadh 3V no solar cumhachd bholtachd ìosal eile.

2. Iarrtas bholtaids farsaing

Chan e luach stèidhichte a th’ anns a’ bholtachd cuir a-steach, atharraichidh e le ùine no le factaran eile. Tha an t-atharrachadh seo ag adhbhrachadh gu bheil an bholtadh dràibhidh a bheir an cuairteachadh PWM don MOSFET neo-sheasmhach.

Gus MOSFETs a dhèanamh sàbhailte fo bholtaids geata àrd, tha mòran de MOSFETan air riaghladairean bholtachd a chuir a-steach gus leud bholtachd a’ gheata a chuingealachadh gu làidir. Anns a 'chùis seo, nuair a tha an bholtadh dràibhidh a tha air a sholarachadh nas àirde na bholtaids an tiùb riaghlaiche bholtachd, bidh e ag adhbhrachadh caitheamh cumhachd mòr statach.

Aig an aon àm, ma chleachdas tu dìreach prionnsapal roinneadh bholtachd resistor gus bholtadh a ’gheata a lughdachadh, obraichidh am MOSFET gu math nuair a tha an bholtadh cuir a-steach an ìre mhath àrd, ach nuair a thèid an bholtadh a-steach a lughdachadh, cha bhith bholtadh a’ gheata gu leòr, ag adhbhrachadh giùlan neo-choileanta, agus mar sin a 'meudachadh caitheamh cumhachd.

3. Iarrtas bholtaids dùbailte

Ann an cuid de chuairtean smachd, bidh am pàirt loidsig a’ cleachdadh bholtadh didseatach àbhaisteach 5V no 3.3V, fhad ‘s a tha am pàirt cumhachd a’ cleachdadh bholtadh 12V no eadhon nas àirde. Tha an dà bholtaids ceangailte ri talamh cumanta.

Tha seo a’ togail riatanas airson cuairt-chuairt a chleachdadh gus an urrainn don taobh bholtachd ìosal smachd èifeachdach a chumail air MOSFET air an taobh bholtaids àrd. Aig an aon àm, bidh an MOSFET air an taobh àrd-bholtaid cuideachd a 'toirt aghaidh air na duilgheadasan a tha air an ainmeachadh ann an 1 agus 2.

Anns na trì cùisean sin, chan urrainn don structar pòla totem coinneachadh ris na riatanasan toraidh, agus tha e coltach nach eil mòran de IC draibhearan MOSFET far-na-sgeilp a’ toirt a-steach structaran cuibhreachaidh bholtachd geata.

 

Mar sin dhealbhaich mi cuairt an ìre mhath coitcheann gus coinneachadh ris na trì feumalachdan sin.

Tha

Draibhearan airson NMOS

An seo cha dèan mi ach mion-sgrùdadh sìmplidh air cuairt draibhear NMOS:

Is e Vl agus Vh na solarachaidhean cumhachd deireadh ìosal agus àrd fa leth. Faodaidh an dà bholtaids a bhith mar an ceudna, ach cha bu chòir Vl a bhith nas àirde na Vh.

Bidh Q1 agus Q2 a’ cruthachadh pòla totem inverted gus aonaranachd a choileanadh fhad ‘s a nì iad cinnteach nach tionndaidh an dà phìob draibhear Q3 agus Q4 aig an aon àm.

Bidh R2 agus R3 a’ toirt seachad an iomradh bholtaids PWM. Le bhith ag atharrachadh an iomradh seo, faodar an cuairteachadh obrachadh ann an suidheachadh far a bheil cruth tonn comharra PWM gu math cas.

Bithear a’ cleachdadh Q3 agus Q4 gus sruth dràibhidh a thoirt seachad. Nuair a thèid a thionndadh air, chan eil aig Q3 agus Q4 ach an tuiteam bholtachd as ìsle de Vce an coimeas ri Vh agus GND. Mar as trice chan eil an tuiteam bholtachd seo ach mu 0.3V, a tha mòran nas ìsle na an Vce de 0.7V.

Tha R5 agus R6 nan luchd-dìon fios-air-ais, air an cleachdadh gus bholtadh a’ gheata a shampall. Bidh an bholtadh sampall a’ gineadh fios air ais làidir àicheil gu bunaitean Q1 agus Q2 tro Q5, mar sin a’ cuingealachadh bholtachd a’ gheata gu luach cuibhrichte. Faodar an luach seo atharrachadh tro R5 agus R6.

Mu dheireadh, tha R1 a ’toirt seachad a’ chrìoch gnàthach bunaiteach airson Q3 agus Q4, agus tha R4 a ’toirt seachad a’ chrìoch sruth geata airson an MOSFET, is e sin crìoch Ice of Q3 agus Q4. Ma tha feum air, faodar capacitor luathachaidh a cheangal ann an co-shìnte ri R4.

Tha an cuairteachadh seo a’ toirt seachad na feartan a leanas:

1. Cleachd bholtaids ìseal-taobh agus PWM gus an MOSFET àrd-taobh a dhràibheadh.

2. Cleachd comharra PWM amplitude beag gus MOSFET a dhràibheadh ​​​​le riatanasan bholtaids geata àrd.

3. Crìoch as àirde de bholtadh geata

4. Crìochan sruth a-steach is toraidh

5. Le bhith a 'cleachdadh resistors iomchaidh, faodar caitheamh cumhachd glè ìosal a choileanadh.

6. Tha an comharra PWM inverted. Chan fheum NMOS am feart seo agus faodar a rèiteachadh le bhith a 'cur inverter air beulaibh.

Nuair a bhios iad a’ dealbhadh innealan so-ghiùlain agus toraidhean gun uèir, tha leasachadh coileanadh toraidh agus leudachadh beatha bataraidh nan dà chùis a dh’ fheumas a bhith aig luchd-dealbhaidh. Tha na buannachdan aig luchd-tionndaidh DC-DC airson àrd-èifeachdas, sruth toraidh mòr, agus sruth ìosal quiescent, gan dèanamh gu math freagarrach airson cumhachd a thoirt do innealan so-ghiùlain. Aig an àm seo, is iad na prìomh ghluasadan ann an leasachadh teicneòlas dealbhaidh inneal-tionndaidh DC-DC: (1) Teicneòlas àrd-tricead: Mar a bhios tricead an tionndaidh ag àrdachadh, tha meud an tionndaidh tionndaidh air a lughdachadh cuideachd, tha an dùmhlachd cumhachd air àrdachadh gu mòr cuideachd, agus tha am freagairt fiùghantach air a leasachadh. . Bidh tricead tionndaidh luchd-tionndaidh DC-DC cumhachd ìosal ag èirigh gu ìre megahertz. (2) Teicneòlas bholtachd toraidh ìosal: Le leasachadh leantainneach air teicneòlas saothrachaidh semiconductor, tha bholtadh obrachaidh microprocessors agus innealan dealanach so-ghiùlain a ’fàs nas ìsle agus nas ìsle, a dh’ fheumas luchd-tionndaidh DC-DC san àm ri teachd gus bholtadh toraidh ìosal a thoirt seachad gus atharrachadh gu microprocessors. riatanasan airson pròiseasairean agus innealan dealanach so-ghiùlain.

Tha leasachadh nan teicneòlasan sin air riatanasan nas àirde a chuir air adhart airson dealbhadh chuairtean chip cumhachd. An toiseach, mar a bhios tricead suidse a’ sìor dhol am meud, tha riatanasan àrda air an cur air coileanadh eileamaidean suidse. Aig an aon àm, feumar cuairtean dràibhidh eileamaid suidse co-fhreagarrach a thoirt seachad gus dèanamh cinnteach gu bheil na h-eileamaidean suidse ag obair gu h-àbhaisteach aig tricead suidse suas gu MHz. San dàrna h-àite, airson innealan dealanach so-ghiùlain le cumhachd bataraidh, tha bholtadh obrach a ’chuairt ìosal (a’ gabhail bataraidhean lithium mar eisimpleir, is e an bholtadh obrach 2.5 ~ 3.6V), mar sin, tha bholtadh obrach a ’chip cumhachd ìosal.

 

Tha seasmhachd glè ìosal aig MOSFET agus bidh e ag ithe lùth ìosal. Bidh MOSFET gu tric air a chleachdadh mar atharrachadh cumhachd ann an sgoltagan DC-DC àrd-èifeachdais a tha mòr-chòrdte an-dràsta. Ach, mar thoradh air comas mòr dìosganach MOSFET, tha comas geata phìoban suidse NMOS sa chumantas cho àrd ri deichean de picofarads. Tha seo a’ cur air adhart riatanasan nas àirde a thaobh dealbhadh cuairte tionndaidh tiùba tionndaidh DC-DC àrd-tricead obrachaidh.

Ann an dealbhaidhean ULSI le bholtachd ìosal, tha measgachadh de chuairtean loidsig CMOS agus BiCMOS a’ cleachdadh structaran àrdachadh bootstrap agus cuairtean dràibhidh mar luchdan mòra capacitive. Faodaidh na cuairtean sin obrachadh gu h-àbhaisteach le bholtadh solarachaidh cumhachd nas ìsle na 1V, agus faodaidh iad obrachadh aig tricead deichean de megahertz no eadhon ceudan de megahertz le comas luchdan de 1 gu 2pF. Bidh an artaigil seo a’ cleachdadh cuairt àrdachadh bootstrap gus cuairt dràibhidh a dhealbhadh le comas dràibhidh comas luchdan mòr a tha freagarrach airson bholtachd ìosal, àrdachadh tricead suidsidh àrd luchd-tionndaidh DC-DC. Tha an cuairteachadh air a dhealbhadh stèidhichte air pròiseas Samsung AHP615 BiCMOS agus air a dhearbhadh le atharrais Hspice. Nuair a tha an bholtadh solair 1.5V agus an comas luchdan 60pF, faodaidh tricead obrachaidh ruighinn barrachd air 5MHz.

Tha

Feartan atharrachadh MOSFET

Tha

1. Feartan statach

Mar eileamaid tionndaidh, bidh MOSFET cuideachd ag obair ann an dà stàit: dheth no air adhart. Leis gu bheil MOSFET na phàirt fo smachd bholtachd, tha a staid obrach air a dhearbhadh sa mhòr-chuid le bholtachd stòr-gheata uGS.

 

Tha na feartan obrach mar a leanas:

※ uGS＜ bholtaids tionndaidh UT: Bidh MOSFET ag obair anns an raon gearraidh, is e 0 an sruth stòr-drain gu bunaiteach 0, bholtadh toraidh uDS≈UDD, agus tha am MOSFET anns an staid “dheth”.

※ uGS> bholtaids tionndaidh UT: Bidh MOSFET ag obair anns an roinn giùlain, sruth drèana iDS = UDD / (RD + rDS). Nam measg, is e rDS an aghaidh stòr drèanaidh nuair a thèid am MOSFET a thionndadh air. An bholtadh toraidh UDS = UDD?rDS/(RD+rDS), ma tha rDS＜＜RD, uDS≈0V, tha am MOSFET anns an staid “air adhart”.

2. Dynamic feartan

Tha pròiseas gluasaid aig MOSFET cuideachd nuair a bhios e ag atharrachadh eadar stàitean air agus dheth, ach tha na feartan fiùghantach aige gu mòr an urra ris an ùine a dh’ fheumar gus an capacitance strae co-cheangailte ris a ’chuairt a ghearradh agus a leigeil ma sgaoil, agus an cruinneachadh cosgais agus an leigeil ma sgaoil nuair a tha an tiùb fhèin air agus dheth. Tha an ùine sgaoilidh glè bheag.

Nuair a dh’ atharraicheas bholtachd cuir a-steach ui bho àrd gu ìosal agus an MOSFET ag atharrachadh bhon stàit air adhart gu staid dheth, bidh an solar cumhachd UDD a’ cur cosgais air an comas strae CL tro RD, agus an ùine cosgais seasmhach τ1 = RDCL. Mar sin, feumaidh an bholtadh toraidh uo a dhol tro dàil sònraichte mus atharraich e bho ìre ìosal gu ìre àrd; nuair a dh’ atharraicheas bholtachd cuir a-steach ui bho ìosal gu àrd agus nuair a dh’ atharraicheas am MOSFET bhon stàit dheth gu an stàit air adhart, bidh a’ chosgais air an capacitance strae CL a’ dol tro rDS Sgaoileadh a’ tachairt le seasmhach ùine sgaoilidh τ2≈rDSCL. Chìthear gu bheil feum aig bholtadh toraidh Uo cuideachd air dàil sònraichte mus urrainn dha gluasad gu ìre ìosal. Ach leis gu bheil rDS mòran nas lugha na RD, tha an ùine tionndaidh bho ghearradh dheth gu giùlan nas giorra na an ùine tionndaidh bho ghiùlan gu gearradh dheth.

Leis gu bheil an aghaidh stòr drèanaidh rDS den MOSFET nuair a thèid a thionndadh air mòran nas motha na an aghaidh sùghaidh rCES an transistor, agus tha an aghaidh drèanadh taobh a-muigh RD cuideachd nas motha na an aghaidh cruinneachaidh RC an transistor, an ùine cosgais is sgaoilidh den MOSFET nas fhaide, a’ dèanamh am MOSFET Tha astar an suidse nas ìsle na astar an transistor. Ach, ann an cuairtean CMOS, leis gu bheil an cuairteachadh cosgais agus an cuairteachadh sgaoilidh an dà chuid nan cuairtean ìosal, tha na pròiseasan cosgais is sgaoilidh an ìre mhath luath, a’ leantainn gu astar tionndaidh àrd airson cuairt CMOS.