Trước hết, loại và cấu trúc MOSFET,MOSFETlà một FET (loại khác là JFET), có thể được sản xuất thành loại tăng cường hoặc cạn kiệt, kênh P hoặc kênh N tổng cộng có bốn loại, nhưng ứng dụng thực tế chỉ có MOSFET kênh N nâng cao và MOSFET kênh P nâng cao, vì vậy thường được gọi là NMOS hoặc PMOS đề cập đến hai loại này. Đối với hai loại MOSFET nâng cao này, loại NMOS được sử dụng phổ biến hơn, lý do là điện trở khi bật nhỏ và dễ chế tạo. Do đó, NMOS thường được sử dụng trong các ứng dụng chuyển đổi nguồn điện và điều khiển động cơ.
Trong phần giới thiệu sau đây, hầu hết các trường hợp đều do NMOS chi phối. điện dung ký sinh tồn tại giữa ba chân của MOSFET, một tính năng không cần thiết nhưng phát sinh do những hạn chế trong quy trình sản xuất. Sự hiện diện của điện dung ký sinh khiến việc thiết kế hoặc lựa chọn mạch điều khiển trở nên khó khăn một chút. Có một diode ký sinh giữa cống và nguồn. Đây được gọi là diode cơ thể và rất quan trọng trong việc điều khiển các tải cảm ứng như động cơ. Nhân tiện, diode cơ thể chỉ hiện diện trong các MOSFET riêng lẻ và thường không hiện diện bên trong chip IC.
MOSFETSuy hao trong ống chuyển mạch, dù là NMOS hay PMOS, sau khi tồn tại sự dẫn điện của điện trở, do đó dòng điện sẽ tiêu thụ năng lượng trong điện trở này, phần năng lượng tiêu thụ này được gọi là tổn thất dẫn điện. Việc lựa chọn MOSFET có điện trở thấp sẽ làm giảm tổn thất trên điện trở. Ngày nay, điện trở bật của MOSFET công suất thấp thường vào khoảng hàng chục miliohm và cũng có sẵn một vài miliohm. MOSFET không được hoàn thành ngay lập tức khi chúng bật và tắt. Có một quá trình giảm điện áp tại hai đầu của MOSFET và xảy ra quá trình tăng dòng điện chạy qua nó. Trong khoảng thời gian này, tổn thất của MOSFET là tích của điện áp và dòng điện, được gọi là tổn thất chuyển mạch. Thông thường tổn thất chuyển mạch lớn hơn nhiều so với tổn thất dẫn truyền và tần số chuyển mạch càng nhanh thì tổn thất càng lớn. Tích của điện áp và dòng điện tại thời điểm dẫn điện rất lớn dẫn đến tổn thất lớn. Việc rút ngắn thời gian chuyển mạch giúp giảm tổn thất ở mỗi lần dẫn truyền; giảm tần số chuyển mạch sẽ làm giảm số lượng chuyển mạch trên một đơn vị thời gian. Cả hai phương pháp này đều làm giảm tổn thất chuyển mạch.
So với các bóng bán dẫn lưỡng cực, người ta thường tin rằng không cần dòng điện để tạo raMOSFETtiến hành, miễn là điện áp GS cao hơn một giá trị nhất định. Điều này rất dễ thực hiện, tuy nhiên, chúng ta cũng cần tốc độ. Như bạn có thể thấy trong cấu trúc của MOSFET, có một điện dung ký sinh giữa GS, GD và việc điều khiển MOSFET trên thực tế là việc sạc và xả điện dung. Việc sạc tụ điện cần có dòng điện, vì việc sạc tụ điện ngay lập tức có thể coi là đoản mạch nên dòng điện tức thời sẽ cao hơn. Điều đầu tiên cần lưu ý khi lựa chọn/thiết kế trình điều khiển MOSFET là kích thước dòng điện ngắn mạch tức thời có thể được cung cấp.
Điều thứ hai cần lưu ý là, thường được sử dụng trong NMOS ổ đĩa cao cấp, điện áp cổng đúng giờ cần phải lớn hơn điện áp nguồn. MOSFET điều khiển cao cấp có điện áp nguồn và điện áp xả (VCC) giống nhau, nên điện áp cổng cao hơn VCC 4V hoặc 10V. nếu trong cùng một hệ thống, để có được điện áp lớn hơn VCC thì chúng ta cần phải chuyên về mạch tăng áp. Nhiều trình điều khiển động cơ có tích hợp bơm sạc, điều quan trọng cần lưu ý là bạn nên chọn điện dung bên ngoài thích hợp để có đủ dòng ngắn mạch điều khiển MOSFET. 4V hay 10V là MOSFET thông dụng về điện áp, thiết kế tất nhiên cần phải có một biên độ nhất định. Điện áp càng cao, tốc độ ở trạng thái càng nhanh và điện trở ở trạng thái càng thấp. Hiện nay cũng có các MOSFET điện áp ở trạng thái nhỏ hơn được sử dụng trong các lĩnh vực khác nhau, nhưng trong hệ thống điện tử ô tô 12V, nói chung ở trạng thái 4V là đủ. Đặc điểm đáng chú ý nhất của MOSFET là đặc tính chuyển mạch của hàng hóa, vì vậy nó được sử dụng rộng rãi trong cần các mạch chuyển mạch điện tử, chẳng hạn như chuyển mạch nguồn điện và truyền động động cơ, cũng như điều chỉnh độ sáng của ánh sáng. Dẫn điện có nghĩa là đóng vai trò như một công tắc, tương đương với một công tắc đóng. Đặc tính NMOS, VSS lớn hơn một giá trị nhất định sẽ dẫn điện, phù hợp sử dụng trong trường hợp nguồn được nối đất (ổ cấp thấp), miễn là cổng điện áp đặc trưng 4V hoặc 10V.PMOS, Vgs nhỏ hơn một giá trị nhất định sẽ dẫn điện, phù hợp sử dụng trong trường hợp nguồn được kết nối với VCC (ổ đĩa cao cấp). Tuy nhiên, mặc dù PMOS có thể dễ dàng được sử dụng như một trình điều khiển cao cấp, nhưng NMOS thường được sử dụng trong các trình điều khiển cao cấp do điện trở lớn, giá cao và ít loại thay thế.
Bây giờ MOSFET điều khiển các ứng dụng điện áp thấp, khi sử dụng nguồn điện 5V, lần này nếu bạn sử dụng cấu trúc cực vật tổ truyền thống, do bóng bán dẫn sẽ giảm điện áp khoảng 0,7V, dẫn đến cuối cùng thực tế được thêm vào cổng trên điện áp chỉ 4,3 V. Tại thời điểm này, chúng tôi chọn điện áp cổng danh định là 4,5V của MOSFET khi tồn tại một số rủi ro nhất định. Vấn đề tương tự cũng xảy ra khi sử dụng nguồn điện 3V hoặc các nguồn điện áp thấp khác. Điện áp kép được sử dụng trong một số mạch điều khiển trong đó phần logic sử dụng điện áp kỹ thuật số 5V hoặc 3,3V thông thường và phần nguồn sử dụng 12V hoặc thậm chí cao hơn. Hai điện áp được kết nối bằng cách sử dụng một điểm chung. Điều này đặt ra yêu cầu sử dụng mạch cho phép phía điện áp thấp điều khiển hiệu quả MOSFET ở phía điện áp cao, trong khi MOSFET ở phía điện áp cao sẽ gặp phải các vấn đề tương tự được đề cập ở 1 và 2. Trong cả ba trường hợp, Cấu trúc cực vật tổ không thể đáp ứng các yêu cầu đầu ra và nhiều IC điều khiển MOSFET sẵn có dường như không bao gồm cấu trúc giới hạn điện áp cổng. Điện áp đầu vào không phải là một giá trị cố định, nó thay đổi theo thời gian hoặc các yếu tố khác. Sự thay đổi này làm cho điện áp điều khiển được cung cấp cho MOSFET bởi mạch điện xung quanh không ổn định. Để làm cho MOSFET an toàn trước điện áp cổng cao, nhiều MOSFET có bộ điều chỉnh điện áp tích hợp để hạn chế mạnh biên độ của điện áp cổng.
Trong trường hợp này, khi điện áp ổ đĩa cung cấp vượt quá điện áp của bộ điều chỉnh sẽ gây ra một lượng điện năng tiêu thụ tĩnh lớn. Đồng thời, nếu chỉ đơn giản sử dụng nguyên lý điện trở chia điện áp để giảm điện áp cổng thì sẽ có hiện tượng tương đối xảy ra. điện áp đầu vào cao thì MOSFET hoạt động tốt, trong khi điện áp đầu vào giảm khi điện áp cổng không đủ dẫn đến dẫn truyền không đầy đủ, do đó làm tăng điện năng tiêu thụ.
Mạch tương đối phổ biến ở đây chỉ dành cho mạch điều khiển NMOS thực hiện một phân tích đơn giản: Vl và Vh lần lượt là nguồn cấp điện cấp thấp và cấp cao, hai điện áp có thể giống nhau, nhưng Vl không được vượt quá Vh. Q1 và Q2 tạo thành một cột vật tổ đảo ngược, được sử dụng để đạt được sự cách ly, đồng thời đảm bảo rằng hai ống dẫn động Q3 và Q4 sẽ không bật cùng lúc. R2 và R3 cung cấp tham chiếu điện ápPWM, và bằng cách thay đổi tham chiếu này, bạn có thể làm cho mạch hoạt động tốt và điện áp cổng không đủ để dẫn điện triệt để, do đó làm tăng mức tiêu thụ điện năng. R2 và R3 cung cấp tham chiếu điện ápPWM, bằng cách thay đổi tham chiếu này, bạn có thể để mạch hoạt động ở dạng sóng tín hiệuPWM ở vị trí tương đối dốc và thẳng. Q3 và Q4 được sử dụng để cung cấp dòng điện, do đúng giờ, Q3 và Q4 so với Vh và GND chỉ là mức sụt áp Vce tối thiểu, mức sụt áp này thường chỉ khoảng 0,3V, thấp hơn nhiều hơn 0,7V Vce R5 và R6 là điện trở phản hồi để lấy mẫu điện áp cổng, sau khi lấy mẫu điện áp, điện áp của cổng được dùng làm điện trở phản hồi về điện áp cổng và điện áp của mẫu được sử dụng cho điện áp cổng. R5 và R6 là các điện trở phản hồi được sử dụng để lấy mẫu điện áp cổng, sau đó được truyền qua Q5 để tạo ra phản hồi âm mạnh trên cơ sở của Q1 và Q2, do đó giới hạn điện áp cổng ở một giá trị hữu hạn. Giá trị này có thể được điều chỉnh bởi R5 và R6. Cuối cùng, R1 cung cấp giới hạn dòng cơ sở cho Q3 và Q4, còn R4 cung cấp giới hạn dòng cổng cho MOSFET, đây là giới hạn của Ice của Q3Q4. Một tụ điện tăng tốc có thể được kết nối song song trên R4 nếu cần thiết.
Khi thiết kế các thiết bị di động và sản phẩm không dây, việc cải thiện hiệu suất sản phẩm và kéo dài thời gian hoạt động của pin là hai vấn đề mà các nhà thiết kế cần phải đối mặt. Bộ chuyển đổi DC-DC có ưu điểm là hiệu suất cao, dòng điện đầu ra cao và dòng tĩnh thấp, rất phù hợp để cấp nguồn cho thiết bị di động. thiết bị.
Bộ chuyển đổi DC-DC có ưu điểm là hiệu suất cao, dòng điện đầu ra cao và dòng tĩnh thấp, rất phù hợp để cấp nguồn cho các thiết bị di động. Hiện nay, các xu hướng chính trong việc phát triển công nghệ thiết kế bộ chuyển đổi DC-DC bao gồm: công nghệ tần số cao: khi tần số chuyển mạch tăng lên, kích thước của bộ chuyển đổi chuyển mạch cũng giảm đi, mật độ công suất tăng lên đáng kể và hiệu suất động học tăng lên. phản ứng đã được cải thiện. Bé nhỏ
Tần số chuyển đổi bộ chuyển đổi DC-DC nguồn sẽ tăng lên mức megahertz. Công nghệ điện áp đầu ra thấp: Với sự phát triển không ngừng của công nghệ sản xuất chất bán dẫn, điện áp hoạt động của bộ vi xử lý và thiết bị điện tử cầm tay ngày càng thấp, điều này đòi hỏi bộ chuyển đổi DC-DC trong tương lai có thể cung cấp điện áp đầu ra thấp để thích ứng với bộ vi xử lý và thiết bị điện tử cầm tay. yêu cầu bộ chuyển đổi DC-DC trong tương lai có thể cung cấp điện áp đầu ra thấp để thích ứng với bộ vi xử lý.
Đủ để cung cấp điện áp đầu ra thấp để thích ứng với bộ vi xử lý và thiết bị điện tử cầm tay. Những phát triển công nghệ này đặt ra những yêu cầu cao hơn cho việc thiết kế mạch chip cung cấp điện. Trước hết, với tần số chuyển mạch ngày càng tăng, hiệu suất của các thành phần chuyển mạch được nâng cao
Yêu cầu cao về hiệu suất của phần tử chuyển mạch và phải có mạch điều khiển phần tử chuyển mạch tương ứng để đảm bảo rằng phần tử chuyển mạch ở tần số chuyển mạch lên đến mức megahertz hoạt động bình thường. Thứ hai, đối với các thiết bị điện tử cầm tay chạy bằng pin, điện áp hoạt động của mạch thấp (ví dụ như trong trường hợp pin lithium).
Ví dụ, pin lithium có điện áp hoạt động là 2,5 ~ 3,6V), do đó chip cấp nguồn cho điện áp thấp hơn.
MOSFET có điện trở rất thấp, tiêu thụ năng lượng thấp, trong chip DC-DC hiệu suất cao phổ biến hiện nay có nhiều MOSFET hơn làm công tắc nguồn. Tuy nhiên, do điện dung ký sinh lớn của MOSFET. Điều này đặt ra yêu cầu cao hơn trong việc thiết kế mạch điều khiển ống chuyển mạch để thiết kế bộ chuyển đổi DC-DC tần số hoạt động cao. Có nhiều mạch logic CMOS, BiCMOS khác nhau sử dụng cấu trúc tăng cường bootstrap và mạch điều khiển dưới dạng tải điện dung lớn trong thiết kế ULSI điện áp thấp. Các mạch này có thể hoạt động bình thường trong điều kiện nguồn điện áp dưới 1V và có thể hoạt động trong điều kiện điện dung tải tần số 1 ~ 2pF có thể đạt tới hàng chục megabit hoặc thậm chí hàng trăm megahertz. Trong bài báo này, mạch tăng áp bootstrap được sử dụng để thiết kế khả năng truyền động điện dung tải lớn, phù hợp với mạch điều khiển bộ chuyển đổi DC-DC tăng cường tần số chuyển mạch điện áp thấp, cao. Điện áp cấp thấp và xung điện để điều khiển MOSFET cao cấp. Tín hiệu điều khiển có biên độ nhỏ để đáp ứng yêu cầu điện áp cổng cao của MOSFET.
Thời gian đăng: 12-04-2024
