Về lý do tại sao chế độ cạn kiệtMOSFETkhông được sử dụng, không nên đi sâu vào nó.
Đối với hai MOSFET chế độ nâng cao này, NMOS được sử dụng phổ biến hơn. Lý do là điện trở trên 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, NMOS được sử dụng chủ yếu.
Có một điện dung ký sinh giữa ba chân của MOSFET. Đây không phải là thứ chúng tôi cần mà là do những hạn chế trong quy trình sản xuất. Sự tồn tại của điện dung ký sinh khiến việc thiết kế hoặc lựa chọn mạch truyền động trở nên rắc rối hơn nhưng không có cách nào tránh khỏi. Chúng tôi sẽ giới thiệu chi tiết sau.
Có một diode ký sinh giữa cống và nguồn. Đây được gọi là diode cơ thể. Diode này rất quan trọng khi truyền tải cảm ứng (chẳng hạn như động cơ). Nhân tiện, diode cơ thể chỉ tồn tại trong một MOSFET duy nhất và thường không được tìm thấy bên trong chip mạch tích hợp.
2. Đặc tính dẫn MOSFET
Dẫn điện có nghĩa là hoạt động như một công tắc, tương đương với việc công tắc được đóng lại.
Đặc điểm của NMOS là nó sẽ bật khi VSS lớn hơn một giá trị nhất định. Nó phù hợp để sử dụng khi nguồn được nối đất (ổ cấp thấp), miễn là điện áp cổng đạt 4V hoặc 10V.
Đặc điểm của PMOS là nó sẽ bật khi VSS nhỏ hơn một giá trị nhất định, phù hợp với tình huống nguồn được kết nối với VCC (ổ đĩa cao cấp). Tuy nhiên, mặc dùPMOScó thể dễ dàng sử dụng như một driver cao cấp, NMOS thường được sử dụng trong các driver cao cấp do điện trở lớn, giá thành cao và ít loại thay thế.
3. Mất ống chuyển đổi MOS
Dù là NMOS hay PMOS thì sau khi bật đều có điện trở bật nên dòng điện sẽ tiêu tốn năng lượng trên điện trở này. Phần năng lượng tiêu thụ này được gọi là tổn thất dẫn truyền. Việc chọn MOSFET có điện trở nhỏ sẽ giảm tổn thất dẫn điện. Điện trở khi bật MOSFET công suất thấp ngày nay thường vào khoảng hàng chục miliohm, và cũng có vài miliohm.
Khi bật và tắt MOSFET, nó không được hoàn thành ngay lập tức. Điện áp trên MOS có quá trình giảm dần và dòng điện chạy qua có quá trình tăng dần. Trong thời gian này,MOSFETTổn hao là tích của điện áp và dòng điện, gọi là tổn hao 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, gây tổn thất lớn. Việc rút ngắn thời gian chuyển mạch có thể làm giảm tổn thất trong mỗi lần dẫn truyền; giảm tần số chuyển mạch có thể làm giảm số lượng chuyển mạch trên một đơn vị thời gian. Cả hai phương pháp đều có thể giảm tổn thất chuyển mạch.
Dạng sóng khi MOSFET được bật. Có thể thấy, tích của điện áp và dòng điện tại thời điểm dẫn điện là rất lớn và tổn thất gây ra cũng rất lớn. Giảm thời gian chuyển mạch có thể làm giảm tổn thất trong mỗi lần dẫn truyền; giảm tần số chuyển mạch có thể làm giảm số lượng chuyển mạch trên một đơn vị thời gian. Cả hai phương pháp đều có thể giảm tổn thất chuyển mạch.
4. Trình điều khiển MOSFET
So với bóng bán dẫn lưỡng cực, người ta thường tin rằng không cần dòng điện để bật MOSFET, miễn là điện áp GS cao hơn một giá trị nhất định. Việc này dễ thực hiện nhưng chúng ta cũng cần tốc độ.
Có thể thấy trong cấu trúc của MOSFET rằng có một điện dung ký sinh giữa GS và GD, và việc điều khiển MOSFET thực chất là sự tích điện và phóng điện của tụ điện. Việc sạc tụ điện cần có dòng điện, vì tụ điện có thể được coi là ngắn mạch tại thời điểm sạc, do đó dòng điện tức thời sẽ tương đối lớn. Điều đầu tiên cần chú ý khi lựa chọn/thiết kế trình điều khiển MOSFET là lượng dòng điện ngắn mạch tức thời mà nó có thể cung cấp.
Điều thứ hai cần lưu ý là NMOS, loại thường được sử dụng cho xe cao cấp, cần điện áp cổng lớn hơn điện áp nguồn khi bật. Khi bật MOSFET điều khiển phía cao, điện áp nguồn bằng điện áp thoát (VCC), do đó điện áp cổng lớn hơn VCC 4V hoặc 10V tại thời điểm này. Nếu bạn muốn có được điện áp lớn hơn VCC trong cùng một hệ thống, bạn cần có một mạch tăng áp đặc biệt. Nhiều trình điều khiển động cơ có máy bơm tích hợp. Cần lưu ý rằng nên chọn một tụ điện bên ngoài thích hợp để có đủ dòng điện ngắn mạch để điều khiển MOSFET.
4V hoặc 10V được đề cập ở trên là điện áp bật của các MOSFET thường được sử dụng và tất nhiên cần phải cho phép một mức nhất định trong quá trình thiết kế. Và điện áp càng cao thì tốc độ dẫn truyền càng nhanh và điện trở dẫn càng nhỏ. Hiện nay có các MOSFET có điện áp dẫn nhỏ hơn được sử dụng trong các lĩnh vực khác nhau, nhưng trong hệ thống điện tử ô tô 12V, nhìn chung độ dẫn điện 4V là đủ.
Để biết về mạch điều khiển MOSFET và các tổn hao của nó, vui lòng tham khảo AN799 của Microchip So khớp trình điều khiển MOSFET với MOSFET. Nó rất chi tiết nên tôi sẽ không viết thêm.
Tích của điện áp và dòng điện tại thời điểm dẫn điện rất lớn, gây tổn thất lớn. Giảm thời gian chuyển mạch có thể làm giảm tổn thất trong mỗi lần dẫn truyền; giảm tần số chuyển mạch có thể làm giảm số lượng chuyển mạch trên một đơn vị thời gian. Cả hai phương pháp đều có thể giảm tổn thất chuyển mạch.
MOSFET là một loại FET (loại còn lại là JFET). Nó có thể được chế tạo thành chế độ nâng cao hoặc chế độ cạn kiệt, kênh P hoặc kênh N, tổng cộng có 4 loại. Tuy nhiên, chỉ MOSFET kênh N ở chế độ nâng cao mới thực sự được sử dụng. và MOSFET kênh P loại nâng cao nên NMOS hay PMOS thường đề cập đến hai loại này.
5. Mạch ứng dụng MOSFET?
Đặc tính quan trọng nhất của MOSFET là đặc tính chuyển mạch tốt, vì vậy nó được sử dụng rộng rãi trong các mạch yêu cầu chuyển mạch điện tử, chẳng hạn như chuyển đổi nguồn điện và ổ đĩa động cơ, cũng như điều chỉnh độ sáng ánh sáng.
Trình điều khiển MOSFET ngày nay có một số yêu cầu đặc biệt:
1. Ứng dụng điện áp thấp
Khi sử dụng nguồn điện 5V, nếu sử dụng cấu trúc cực vật tổ truyền thống vào thời điểm này, vì bóng bán dẫn có điện áp rơi khoảng 0,7V, nên điện áp cuối cùng thực tế đặt vào cổng chỉ là 4,3V. Lúc này chúng ta chọn công suất cổng danh định
Có một số rủi ro nhất định khi sử dụng MOSFET 4,5V. Vấn đề tương tự cũng xảy ra khi sử dụng nguồn điện 3V hoặc các nguồn điện áp thấp khác.
2. Ứng dụng điện áp rộng
Điện áp đầu vào không phải là giá trị cố định, nó sẽ thay đổi theo thời gian hoặc các yếu tố khác. Sự thay đổi này làm cho điện áp điều khiển do mạch điều khiển cung cấp cho MOSFET không ổn định.
Để làm cho MOSFET an toàn dưới 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 điều khiển được cung cấp vượt quá điện áp của ống điều chỉnh điện áp, nó sẽ gây ra mức tiêu thụ tĩnh điện lớn.
Đồng thời, nếu chỉ đơn giản sử dụng nguyên lý phân áp điện trở để giảm điện áp cổng thì MOSFET sẽ hoạt động tốt khi điện áp đầu vào tương đối cao, nhưng khi điện áp đầu vào giảm thì điện áp cổng sẽ không đủ, gây ra hiện tượng dẫn điện không hoàn toàn, do đó làm tăng điện năng tiêu thụ.
3. Ứng dụng điện áp kép
Trong một số mạch điều khiển, phần logic sử dụng điện áp kỹ thuật số 5V hoặc 3,3V thông thường, trong khi phần nguồn sử dụng điện áp 12V hoặc thậm chí cao hơn. Hai điện áp được kết nối với một điểm chung.
Điều này đặt ra yêu cầu sử dụng mạch sao cho phía điện áp thấp có thể điều khiển hiệu quả MOSFET ở phía điện áp cao. Đồng thời, MOSFET phía cao áp cũng sẽ gặp phải các vấn đề nêu ở mục 1 và 2.
Trong ba trường hợp này, cấu trúc cực vật tổ không thể đáp ứng các yêu cầu đầu ra và nhiều IC điều khiển MOSFET có sẵn dường như không bao gồm các cấu trúc giới hạn điện áp cổng.
Vì vậy tôi đã thiết kế một mạch tương đối tổng quát để đáp ứng ba nhu cầu này.
Mạch điều khiển cho NMOS
Ở đây tôi sẽ chỉ thực hiện một phân tích đơn giản về mạch điều khiển NMOS:
Vl và Vh lần lượt là bộ cấp nguồn 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 cực vật tổ đảo ngược để đạt được sự cách ly đồng thời đảm bảo rằng hai ống dẫn động Q3 và Q4 không bật cùng lúc.
R2 và R3 cung cấp điện áp tham chiếu choPWM. Bằng cách thay đổi tham chiếu này, mạch có thể được vận hành ở vị trí có dạng sóng tín hiệuPWM tương đối dốc.
Q3 và Q4 được sử dụng để cung cấp dòng điện. Khi bật, Q3 và Q4 chỉ có độ sụt điện áp tối thiểu là Vce so với Vh và GND. Điện áp rơi này thường chỉ khoảng 0,3V, thấp hơn nhiều so với Vce là 0,7V.
R5 và R6 là các điện trở phản hồi, dùng để lấy mẫu điện áp cổng. Điện áp được lấy mẫu tạo ra phản hồi âm mạnh tới các cực của Q1 và Q2 đến Q5, do đó giới hạn điện áp cổng ở một giá trị giới hạn. Giá trị này có thể được điều chỉnh thông qua 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 Q3 và Q4. Nếu cần, tụ điện tăng tốc có thể được kết nối song song với R4.
Mạch này cung cấp các tính năng sau:
1. Sử dụng điện áp phía thấp và PLC để điều khiển MOSFET phía cao.
2. Sử dụng tín hiệu xung có biên độ nhỏ để điều khiển MOSFET có yêu cầu điện áp cổng cao.
3. Giới hạn đỉnh của điện áp cổng
4. Giới hạn dòng điện đầu vào và đầu ra
5. Bằng cách sử dụng điện trở thích hợp, có thể đạt được mức tiêu thụ điện năng rất thấp.
6. Tín hiệu PLC bị đảo ngược. NMOS không cần tính năng này và có thể giải quyết bằng cách đặt một biến tần ở phía trước.
Khi thiết kế các thiết bị di động và sản phẩm không dây, việc cải thiện hiệu suất sản phẩm và kéo dài tuổi thọ 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 lớn và dòng tĩnh thấp, khiến chúng rất phù hợp để cấp nguồn cho các thiết bị di động. Hiện nay, xu hướng phát triển chính của công nghệ thiết kế bộ chuyển đổi DC-DC là: (1) 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 cũng tăng lên rất nhiều, và phản ứng năng động được cải thiện. . Tần số chuyển mạch của bộ chuyển đổi DC-DC công suất thấp sẽ tăng lên mức megahertz. (2) 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 các thiết bị điện tử cầm tay ngày càng thấp, điều này đòi hỏi các bộ chuyển đổi DC-DC trong tương lai phải cung cấp điện áp đầu ra thấp để thích ứng với bộ vi xử lý. yêu cầu đối với bộ vi xử lý và các thiết bị điện tử cầm tay.
Sự phát triển của các công nghệ này đã đặt ra những yêu cầu cao hơn cho việc thiết kế mạch chip nguồn. Trước hết, khi tần số chuyển mạch tiếp tục tăng, yêu cầu cao về hiệu suất của các phần tử chuyển mạch được đặt ra. Đồng thời, phải cung cấp các mạch điều khiển phần tử chuyển mạch tương ứng để đảm bảo các phần tử chuyển mạch hoạt động bình thường ở tần số chuyển mạch lên đến MHz. Thứ hai, đối với các thiết bị điện tử cầm tay chạy bằng pin, điện áp làm việc của mạch thấp (lấy pin lithium làm ví dụ, điện áp làm việc là 2,5 ~ 3,6V), do đó, điện áp làm việc của chip nguồn thấp.
MOSFET có điện trở rất thấp và tiêu thụ năng lượng thấp. MOSFET thường được sử dụng làm công tắc nguồn trong các chip DC-DC hiệu suất cao phổ biến hiện nay. Tuy nhiên, do điện dung ký sinh lớn của MOSFET, điện dung cổng của đèn chuyển mạch NMOS thường cao tới hàng chục picofarad. Điều này đặt ra các yêu cầu cao hơn cho việc thiết kế mạch điều khiển ống chuyển đổi DC-DC tần số hoạt động cao.
Trong các thiết kế ULSI điện áp thấp, có nhiều loại mạch logic CMOS và BiCMOS sử dụng cấu trúc tăng cường bootstrap và mạch điều khiển làm tải điện dung lớn. Các mạch này có thể hoạt động bình thường với điện áp nguồn thấp hơn 1V và có thể hoạt động ở tần số hàng chục megahertz hoặc thậm chí hàng trăm megahertz với điện dung tải từ 1 đến 2pF. Bài viết này sử dụng mạch tăng áp bootstrap để thiết kế mạch điều khiển có khả năng điều khiển điện dung tải lớn, phù hợp với các bộ chuyển đổi DC-DC tăng tần số chuyển mạch, điện áp thấp. Mạch được thiết kế dựa trên quy trình Samsung AHP615 BiCMOS và được kiểm chứng bằng mô phỏng Hspice. Khi điện áp cung cấp là 1,5V và điện dung tải là 60pF, tần số hoạt động có thể đạt hơn 5 MHz.
Đặc tính chuyển mạch MOSFET
1. Đặc tính tĩnh
Là một phần tử chuyển mạch, MOSFET cũng hoạt động ở hai trạng thái: tắt hoặc bật. Vì MOSFET là thành phần được điều khiển bằng điện áp nên trạng thái làm việc của nó chủ yếu được xác định bởi uGS điện áp nguồn cổng.
Đặc điểm làm việc như sau:
※ uGS＜điện áp bật UT: MOSFET hoạt động trong vùng cắt, dòng điện nguồn thoát iDS về cơ bản là 0, điện áp đầu ra uDS≈UDD và MOSFET ở trạng thái "tắt".
※ uGS>Điện áp bật UT: MOSFET hoạt động trong vùng dẫn điện, dòng điện nguồn iDS=UDD/(RD+rDS). Trong số đó, rDS là điện trở nguồn thoát khi bật MOSFET. Điện áp đầu ra UDS=UDD?rDS/(RD+rDS), nếu rDS＜＜RD, uDS≈0V, MOSFET ở trạng thái "bật".
2. Đặc tính động
MOSFET cũng có quá trình chuyển tiếp khi chuyển đổi giữa trạng thái bật và tắt, nhưng đặc tính động của nó chủ yếu phụ thuộc vào thời gian cần thiết để sạc và xả điện dung tạp tán liên quan đến mạch điện và sự tích tụ điện tích và phóng điện khi bản thân ống bật và tắt. Thời gian tiêu tán rất nhỏ.
Khi điện áp đầu vào ui thay đổi từ cao xuống thấp và MOSFET thay đổi từ trạng thái bật sang trạng thái tắt, UDD của bộ nguồn sẽ sạc điện dung rò CL qua RD và hằng số thời gian sạc τ1=RDCL. Do đó, điện áp đầu ra uo cần phải trải qua một độ trễ nhất định trước khi chuyển từ mức thấp sang mức cao; khi điện áp đầu vào ui thay đổi từ thấp đến cao và MOSFET chuyển từ trạng thái tắt sang trạng thái bật, điện tích trên điện dung lạc CL đi qua rDS Phóng điện xảy ra với hằng số thời gian phóng điện τ2≈rDSCL. Có thể thấy, điện áp đầu ra Uo cũng cần có độ trễ nhất định trước khi có thể chuyển sang mức thấp. Nhưng vì rDS nhỏ hơn RD rất nhiều nên thời gian chuyển đổi từ điểm cắt sang dẫn điện ngắn hơn thời gian chuyển đổi từ điểm dẫn sang điểm cắt.
Vì điện trở nguồn tiêu rDS của MOSFET khi bật lớn hơn nhiều so với điện trở bão hòa rCES của bóng bán dẫn và điện trở tiêu hao bên ngoài RD cũng lớn hơn điện trở cực góp RC của bóng bán dẫn nên thời gian sạc và xả của MOSFET dài hơn khiến MOSFET có tốc độ chuyển mạch thấp hơn so với bóng bán dẫn. Tuy nhiên, trong mạch CMOS, do mạch sạc và mạch xả đều là mạch có điện trở thấp nên quá trình sạc và xả tương đối nhanh, dẫn đến tốc độ chuyển mạch cao cho mạch CMOS.
Thời gian đăng: 15-04-2024
