חבילה גדולה מעגל מנהל התקן MOSFET

קודם כל, סוג ומבנה MOSFET,MOSFETהוא FET (אחר הוא JFET), יכול להיות מיוצר בסוג משופר או דלדול, ערוץ P או ערוץ N בסך הכל ארבעה סוגים, אך היישום בפועל של MOSFETs משופרים רק עם N-ערוץ ו-MOSFETs משופרים בערוץ P, כך המכונה בדרך כלל NMOS או PMOS מתייחסת לשני הסוגים הללו. עבור שני הסוגים הללו של MOSFETs משופרים, הנפוץ יותר הוא NMOS, הסיבה היא שההתנגדות להפעלה קטנה וקלה לייצור. לכן, נעשה שימוש בדרך כלל ב-NMOS בהחלפת יישומי אספקת חשמל והנעת מנוע.

במבוא הבא, רוב המקרים נשלטים על ידי NMOS. קיבול טפילי קיים בין שלושת הפינים של ה-MOSFET, תכונה שאינה נחוצה אך נוצרת עקב מגבלות תהליך הייצור. הנוכחות של קיבול טפילי עושה את זה קצת מסובך לתכנן או לבחור מעגל דרייבר. יש דיודה טפילית בין הניקוז למקור. זה נקרא דיודת הגוף והיא חשובה בהנעת עומסים אינדוקטיביים כגון מנועים. אגב, דיודת הגוף קיימת רק ב-MOSFETs בודדים ולרוב אינה קיימת בתוך שבב IC.

 

MOSFETאובדן צינור מיתוג, בין אם זה NMOS או PMOS, לאחר קיימת הולכה של התנגדות ההפעלה, כך שהזרם יצרוך אנרגיה בהתנגדות זו, חלק זה של האנרגיה הנצרכת נקרא אובדן הולכה. בחירה של MOSFETs עם התנגדות הפעלה נמוכה תפחית את אובדן ההתנגדות. כיום, התנגדות ההפעלה של MOSFETs בעוצמה נמוכה היא בדרך כלל בסביבות עשרות מיליאוהם, וקיימים גם כמה מיליאוהם. אסור להשלים את MOSFETs ברגע שהם מופעלים וכיבויים. יש תהליך של הפחתת המתח בשעה שני הקצוות של ה-MOSFET, ויש תהליך של הגדלת הזרם הזורם דרכו. במהלך פרק זמן זה, אובדן ה-MOSFETs הוא מכפלת המתח והזרם, אשר נקרא אובדן המיתוג. בדרך כלל אובדן המיתוג גדול בהרבה מאובדן ההולכה, וככל שתדר המיתוג מהיר יותר, כך האובדן גדול יותר. התוצר של מתח וזרם ברגע ההולכה הוא גדול מאוד, וכתוצאה מכך הפסדים גדולים. קיצור זמן המיתוג מפחית את ההפסד בכל הולכה; הפחתת תדירות המיתוג מפחיתה את מספר המתגים ליחידת זמן. שתי הגישות הללו מפחיתות את הפסדי המיתוג.

בהשוואה לטרנזיסטורים דו-קוטביים, מקובל לחשוב שאין צורך בזרם כדי ליצור אMOSFETהתנהלות, כל עוד מתח ה-GS הוא מעל ערך מסוים. זה קל לעשות, עם זאת, אנחנו גם צריכים מהירות. כפי שניתן לראות במבנה של ה-MOSFET, יש קיבול טפילי בין GS, GD, וההנעה של ה-MOSFET היא, למעשה, הטעינה והפריקה של הקיבול. טעינת הקבל מצריכה זרם, כי טעינת הקבל מיידית יכולה להיראות כקצר, ולכן הזרם המיידי יהיה גבוה יותר. הדבר הראשון שיש לשים לב אליו בעת בחירת/עיצוב דרייבר MOSFET הוא גודל זרם הקצר המיידי שניתן לספק.

הדבר השני שיש לציין הוא שבדרך כלל בשימוש בכונן NMOS מתקדם, מתח השער בזמן צריך להיות גדול ממתח המקור. High-end כונן MOSFET על מתח המקור ומתח הניקוז (VCC) זהים, אז מתח השער מ-VCC 4V או 10V. אם באותה מערכת, כדי לקבל מתח גדול יותר מה-VCC, עלינו להתמחות במעגל הגברת. לנהגי מנועים רבים יש משאבות טעינה משולבות, חשוב לציין שעליך לבחור את הקיבול החיצוני המתאים כדי לקבל מספיק זרם קצר כדי להניע את ה-MOSFET. 4V או 10V הוא ה-MOSFET הנפוץ במתח, העיצוב כמובן, צריך להיות מרווח מסוים. ככל שהמתח גבוה יותר, מהירות ההפעלה מהירה יותר וההתנגדות במצב ההפעלה נמוכה יותר. כעת ישנם גם MOSFETs קטנים יותר במתח במצב במצב בשימוש בתחומים שונים, אך במערכת האלקטרוניקה לרכב 12V, בדרך כלל די ב-4V במצב מופעל. התכונה הבולטת ביותר של MOSFET היא מאפייני המיתוג של הטוב, ולכן נעשה בו שימוש נרחב ב- צורך במעגלי מיתוג אלקטרוניים, כגון מיתוג ספק כוח והנעת מנוע, אך גם עמעום תאורה. הולכה משמעה הפועלת כמתג, המקבילה לסגירת מתג. מאפייני NMOS, Vgs גדול מערך מסוים יוביל, מתאים לשימוש במקרה שבו המקור מוארק (כונן נמוך), כל עוד השער מתח של 4V או 10V.PMOS מאפיינים, Vgs פחות מערך מסוים יוביל, מתאים לשימוש במקרה שבו המקור מחובר ל-VCC (כונן גבוה). עם זאת, למרות שניתן להשתמש ב-PMOS בקלות כמנהל התקן ברמה גבוהה, משתמשים ב-NMOS בדרך כלל במנהלי התקנים מתקדמים בשל ההתנגדות הגדולה, המחיר הגבוה וסוגי ההחלפה המועטים.

עכשיו MOSFET כונן יישומי מתח נמוך, כאשר השימוש באספקת חשמל 5V, הפעם אם אתה משתמש במבנה עמוד הטוטם המסורתי, עקב הטרנזיסטור תהיה ירידה במתח של 0.7V, וכתוצאה מכך הסופי בפועל נוסף לשער על הטרנזיסטור. המתח הוא רק 4.3 וולט. בשלב זה, אנו בוחרים את מתח השער הנומינלי של 4.5V של ה-MOSFET על קיומם של סיכונים מסוימים. אותה בעיה מתרחשת בשימוש ב-3V או מקרים אחרים של אספקת חשמל במתח נמוך. מתח כפול משמש בחלק ממעגלי הבקרה שבהם החלק הלוגי משתמש במתח דיגיטלי טיפוסי של 5V או 3.3V וחלק הכוח משתמש ב-12V או אפילו יותר. שני המתחים מחוברים באמצעות הארקה משותפת. זה מציב דרישה להשתמש במעגל המאפשר לצד המתח הנמוך לשלוט ביעילות על ה-MOSFET בצד המתח הגבוה, בעוד שה-MOSFET בצד המתח הגבוה יתמודד עם אותן בעיות שהוזכרו ב-1 ו-2. בכל שלושת המקרים, מבנה עמוד הטוטם אינו יכול לעמוד בדרישות הפלט, ונראה כי IC רבים של מנהלי ההתקן של MOSFET אינם כוללים מבנה מגביל מתח שער. מתח הכניסה אינו ערך קבוע, הוא משתנה עם הזמן או גורמים אחרים. וריאציה זו גורמת למתח הכונן המסופק ל-MOSFET על ידי מעגל PWM להיות לא יציב. על מנת להפוך את ה-MOSFET לבטוח ממתחי שער גבוהים, ל-MOSFET רבים יש ווסתי מתח מובנים כדי להגביל בכוח את משרעת מתח השער.

 

במקרה זה, כאשר מתח ההנעה המסופק חורג מהמתח של הרגולטור, זה יגרום לצריכת חשמל סטטית גדולה באותו זמן, אם פשוט תשתמש בעקרון של מחלק מתח הנגד כדי להפחית את מתח השער, יהיה יחסית מתח כניסה גבוה, ה-MOSFET פועל היטב, בעוד שמתח הכניסה מופחת כאשר מתח השער אינו מספיק כדי לגרום להולכה לא מלאה, ובכך להגדיל את צריכת החשמל.

מעגל נפוץ יחסית כאן רק עבור מעגל מנהל ההתקן של NMOS לבצע ניתוח פשוט: Vl ו-Vh הם ספק הכוח הנמוך והגבוה, בהתאמה, שני המתחים יכולים להיות זהים, אבל Vl לא יעלה על Vh. Q1 ו-Q2 יוצרים עמוד טוטם הפוך, המשמש להשגת הבידוד, ובו זמנית להבטיח ששני צינורות הדרייבר Q3 ו-Q4 לא יהיו דולקים בו זמנית. R2 ו-R3 מספקים את התייחסות המתח PWM, ועל ידי שינוי הפניה זו, אתה יכול לגרום למעגל לעבוד היטב, ומתח השער אינו מספיק כדי לגרום להולכה יסודית, ובכך להגדיל את צריכת החשמל. R2 ו-R3 מספקים את ההתייחסות למתח PWM, על ידי שינוי הפניה זו, אתה יכול לתת למעגל לעבוד בצורת גל אות PWM הוא תלול יחסית וישר. Q3 ו-Q4 משמשים לספק את זרם הכונן, בגלל הזמן המופעל, Q3 ו-Q4 ביחס ל-Vh ו-GND הם רק מינימום של מפל מתח Vce, מפל מתח זה הוא בדרך כלל רק 0.3V בערך, הרבה יותר נמוך מ-0.7V Vce R5 ו-R6 הם נגדי משוב לדגימת מתח השער, לאחר דגימת המתח, המתח של השער משמש כנגד משוב למתח השער, והמתח של הדגימה משמש למתח השער. R5 ו-R6 הם נגדי משוב המשמשים לדגימת מתח השער, אשר מועבר לאחר מכן דרך Q5 ליצירת משוב שלילי חזק על הבסיסים של Q1 ו-Q2, ובכך מגביל את מתח השער לערך סופי. ערך זה יכול להיות מותאם על ידי R5 ו-R6. לבסוף, R1 מספק את המגבלה של זרם הבסיס ל-Q3 ו-Q4, ו-R4 מספק את ההגבלה של זרם השער ל-MOSFETs, שהיא המגבלה של הקרח של Q3Q4. ניתן לחבר קבל תאוצה במקביל מעל R4 במידת הצורך.                                         

בעת תכנון מכשירים ניידים ומוצרים אלחוטיים, שיפור ביצועי המוצר והארכת זמן פעולת הסוללה הם שני נושאים שהמתכננים צריכים להתמודד עליהם. לממירי DC-DC יש את היתרונות של יעילות גבוהה, זרם פלט גבוה וזרם שקט נמוך, המתאימים מאוד להפעלת ניידים. מכשירים.

לממירי DC-DC יש יתרונות של יעילות גבוהה, זרם פלט גבוה וזרם שקט נמוך, המתאימים מאוד להנעת מכשירים ניידים. נכון לעכשיו, המגמות העיקריות בפיתוח טכנולוגיית תכנון ממירי DC-DC כוללות: טכנולוגיית תדר גבוה: עם העלייה בתדר המיתוג, גודלו של ממיר המיתוג מצטמצם גם הוא, צפיפות ההספק גדלה משמעותית, והדינמי התגובה שופרה. קָטָן

תדירות מיתוג ממיר DC-DC תעלה לרמת מגה-הרץ. טכנולוגיית מתח פלט נמוך: עם הפיתוח המתמשך של טכנולוגיית ייצור מוליכים למחצה, מתח ההפעלה של מיקרו-מעבדים וציוד אלקטרוני נייד הולך ויורד, מה שמצריך ממיר DC-DC עתידי יכול לספק מתח פלט נמוך כדי להתאים את עצמו למיקרו-מעבד ולציוד אלקטרוני נייד, אשר דורש ממיר DC-DC עתידי יכול לספק מתח פלט נמוך כדי להתאים את המיקרו-מעבד.

מספיק כדי לספק מתח פלט נמוך כדי להתאים למיקרו-מעבדים ולציוד אלקטרוני נייד. פיתוחים טכנולוגיים אלו הציבו דרישות גבוהות יותר לתכנון של מעגלי שבבי אספקת חשמל. קודם כל, עם הגדלת תדירות המיתוג, הביצועים של רכיבי המיתוג מובאים קדימה

דרישות גבוהות לביצועים של אלמנט המיתוג, וחייבים להיות בעלי מעגל ההנעה של אלמנט המיתוג המתאים כדי להבטיח שאלמנט המיתוג בתדר המיתוג עד לרמת מגה-הרץ של פעולה רגילה. שנית, עבור מכשירים אלקטרוניים ניידים המופעלים על ידי סוללה, מתח הפעולה של המעגל נמוך (במקרה של סוללות ליתיום, למשל).

סוללות ליתיום, למשל, מתח ההפעלה של 2.5 ~ 3.6V), כך שבב אספקת החשמל עבור המתח הנמוך יותר.

ל-MOSFET יש התנגדות הפעלה נמוכה מאוד, צריכת אנרגיה נמוכה, בשבב DC-DC הפופולרי הפופולרי הנוכחי יותר MOSFET כמתג הפעלה. עם זאת, בשל הקיבול הטפילי הגדול של MOSFETs. זה מציב דרישות גבוהות יותר לתכנון של מעגלי נהג צינורות מיתוג לתכנון ממירי DC-DC בתדר הפעלה גבוה. ישנם מעגלים לוגיים שונים של CMOS, BiCMOS המשתמשים במבנה ה-bootstrap boost ומעגלי דרייבר כעומסים קיבוליים גדולים בתכנון ULSI במתח נמוך. מעגלים אלו מסוגלים לעבוד כראוי בתנאים של אספקת מתח של פחות מ-1V, ויכולים לעבוד בתנאים של קיבול עומס 1 ~ 2pF תדר יכול להגיע לעשרות מגה-ביט או אפילו מאות מגה-הרץ. במאמר זה, מעגל הגברת bootstrap משמש לתכנון יכולת כונן קיבולת עומס גדולה, המתאימה למעגל הנעה של ממיר DC-DC במתח נמוך ובתדר מיתוג גבוה. מתח נמוך ו-PWM להנעת MOSFETs מתקדמים. אות PWM עם משרעת קטנה להנעת דרישות מתח גבוה של שערים של MOSFETs.