دائرة سائق MOSFET ذات الحزمة الكبيرة

أولًا، نوع MOSFET وبنيته،موسفيتهو FET (آخر هو JFET)، ويمكن تصنيعه في النوع المحسن أو المستنفد، أو قناة P أو قناة N بإجمالي أربعة أنواع، ولكن التطبيق الفعلي لوحدات MOSFET ذات القناة N المحسنة فقط و MOSFETs ذات القناة P المحسنة، لذلك يشار إليه عادة باسم NMOS أو PMOS يشير إلى هذين النوعين. بالنسبة لهذين النوعين من الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET)، الأكثر استخدامًا هو NMOS، والسبب هو أن مقاومة التشغيل صغيرة وسهلة التصنيع. ولذلك، يتم استخدام NMOS بشكل عام في تبديل تطبيقات إمدادات الطاقة ومحرك السيارات.

في المقدمة التالية، يهيمن NMOS على معظم الحالات. توجد سعة طفيلية بين أطراف MOSFET الثلاثة، وهي ميزة غير مطلوبة ولكنها تنشأ بسبب قيود عملية التصنيع. إن وجود السعة الطفيلية يجعل من الصعب بعض الشيء تصميم أو اختيار دائرة التشغيل. يوجد صمام ثنائي طفيلي بين المصرف والمصدر. وهذا ما يسمى صمام ثنائي الجسم وهو مهم في قيادة الأحمال الحثية مثل المحركات. بالمناسبة، الصمام الثنائي للجسم موجود فقط في الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) وعادةً لا يكون موجودًا داخل شريحة IC.

موسفيتتبديل فقدان الأنبوب، سواء كان NMOS أو PMOS، بعد وجود توصيل المقاومة، بحيث يستهلك التيار الطاقة في هذه المقاومة، وهذا الجزء من الطاقة المستهلكة يسمى فقدان التوصيل. سيؤدي اختيار الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) ذات المقاومة المنخفضة إلى تقليل فقدان المقاومة. في الوقت الحاضر، تبلغ مقاومة الدوائر المتكاملة منخفضة الطاقة (MOSFETs) بشكل عام حوالي عشرات الميلي أوم، ويتوفر أيضًا عدد قليل من الميلي أوم. يجب ألا تكتمل الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) في لحظة عندما تكون في وضع التشغيل والإيقاف. هناك عملية تقليل الجهد عند طرفي MOSFET، وتتم عملية زيادة التيار المتدفق من خلاله. خلال هذه الفترة الزمنية، يكون فقدان MOSFET هو حاصل ضرب الجهد والجهد الحالي، وهو ما يسمى خسارة التبديل. عادةً ما تكون خسارة التبديل أكبر بكثير من خسارة التوصيل، وكلما زاد تردد التبديل، زادت الخسارة. إن ناتج الجهد والتيار في لحظة التوصيل كبير جدًا، مما يؤدي إلى خسائر كبيرة. يؤدي تقصير وقت التبديل إلى تقليل الخسارة عند كل توصيل؛ يؤدي تقليل تردد التبديل إلى تقليل عدد المفاتيح لكل وحدة زمنية. كل من هذه الأساليب تقلل من خسائر التبديل.

بالمقارنة مع الترانزستورات ثنائية القطب، يُعتقد عمومًا أنه لا حاجة لتيار كهربائي لإنشاء تيارموسفيتالسلوك، طالما أن الجهد GS أعلى من قيمة معينة. من السهل القيام بذلك، لكننا نحتاج أيضًا إلى السرعة. كما ترون في هيكل MOSFET، هناك سعة طفيلية بين GS وGD، وقيادة MOSFET هي في الواقع عملية شحن وتفريغ السعة. يتطلب شحن المكثف تيارًا، لأن شحن المكثف على الفور يمكن اعتباره دائرة كهربائية قصيرة، وبالتالي فإن التيار اللحظي سيكون أعلى. أول شيء يجب ملاحظته عند اختيار/تصميم برنامج تشغيل MOSFET هو حجم تيار الدائرة القصيرة اللحظي الذي يمكن توفيره.

الشيء الثاني الذي يجب ملاحظته هو أن جهد البوابة في الوقت المحدد يجب أن يكون أكبر من جهد المصدر، والذي يستخدم بشكل عام في نظام NMOS للمحرك المتطور. محرك MOSFET المتطور على جهد المصدر وجهد التصريف (VCC) هو نفسه، وبالتالي فإن جهد البوابة من VCC هو 4V أو 10V. إذا كنا في نفس النظام، للحصول على جهد أكبر من VCC، فإننا بحاجة إلى التخصص في دائرة التعزيز. تحتوي العديد من محركات المحركات على مضخات شحن مدمجة، ومن المهم ملاحظة أنه يجب عليك اختيار السعة الخارجية المناسبة للحصول على تيار دائرة قصر كافٍ لتشغيل MOSFET. 4V أو 10V هو MOSFET شائع الاستخدام على الجهد، والتصميم بالطبع، يجب أن يكون لديك هامش معين. كلما زاد الجهد، زادت سرعة الحالة وقلت المقاومة على الحالة. الآن هناك أيضًا دوائر MOSFET أصغر حجمًا تستخدم في مجالات مختلفة، ولكن في نظام إلكترونيات السيارات بجهد 12 فولت، يكون 4 فولت على الحالة كافيًا بشكل عام. الميزة الأكثر بروزًا لـ MOSFET هي خصائص التبديل للسلعة، لذلك يتم استخدامها على نطاق واسع في الحاجة إلى دوائر التبديل الإلكترونية، مثل تبديل مصدر الطاقة ومحرك المحرك، ولكن أيضًا تعتيم الإضاءة. إجراء يعني العمل كمفتاح، وهو ما يعادل إغلاق التبديل. خصائص NMOS، Vgs أكبر من قيمة معينة سوف يتم توصيلها، ومناسبة للاستخدام في الحالة عندما يكون المصدر مؤرضًا (محرك منخفض النهاية)، طالما أن البوابة جهد 4 فولت أو 10 فولت. خصائص PMOS، سوف يتم توصيل VGS أقل من قيمة معينة، ومناسب للاستخدام في حالة توصيل المصدر بـ VCC (محرك الأقراص المتطور). ومع ذلك، على الرغم من أنه يمكن استخدام PMOS بسهولة كمحرك متطور، إلا أن NMOS يستخدم عادةً في برامج التشغيل المتطورة نظرًا لمقاومته الكبيرة والسعر المرتفع وأنواع الاستبدال القليلة.

الآن تعمل MOSFET على تشغيل التطبيقات ذات الجهد المنخفض، عند استخدام مصدر طاقة 5 فولت، هذه المرة إذا كنت تستخدم هيكل عمود الطوطم التقليدي، نظرًا لانخفاض الجهد الكهربي للترانزستور بحوالي 0.7 فولت، مما يؤدي إلى إضافة النهائي الفعلي إلى البوابة على الجهد هو 4.3 فولت فقط. في هذا الوقت، نختار جهد البوابة الاسمي 4.5 فولت للـ MOSFET على وجود مخاطر معينة. تحدث نفس المشكلة عند استخدام 3V أو غيرها من مناسبات إمدادات الطاقة ذات الجهد المنخفض. يتم استخدام الجهد المزدوج في بعض دوائر التحكم حيث يستخدم قسم المنطق جهدًا رقميًا نموذجيًا 5 فولت أو 3.3 فولت ويستخدم قسم الطاقة 12 فولت أو أعلى. يتم توصيل الفولتين باستخدام أرضية مشتركة. وهذا يتطلب استخدام دائرة تسمح لجانب الجهد المنخفض بالتحكم بشكل فعال في MOSFET على جانب الجهد العالي، بينما سيواجه MOSFET على جانب الجهد العالي نفس المشاكل المذكورة في 1 و 2. في جميع الحالات الثلاث، لا يمكن لهيكل عمود الطوطم أن يفي بمتطلبات الإخراج، ولا يبدو أن العديد من الدوائر المتكاملة لمشغل MOSFET الجاهزة للاستخدام تشتمل على هيكل يحد من جهد البوابة. إن جهد الدخل ليس قيمة ثابتة، فهو يختلف مع الوقت أو عوامل أخرى. يؤدي هذا الاختلاف إلى أن يكون جهد المحرك المقدم إلى MOSFET بواسطة دائرة PWM غير مستقر. من أجل جعل MOSFET آمنًا من الفولتية العالية للبوابة، تحتوي العديد من MOSFET على منظمات جهد مدمجة للحد بقوة من سعة جهد البوابة.

في هذه الحالة، عندما يتجاوز جهد المحرك المقدم جهد المنظم، فسوف يتسبب ذلك في استهلاك كبير للطاقة الساكنة. وفي الوقت نفسه، إذا كنت تستخدم ببساطة مبدأ مقسم جهد المقاوم لتقليل جهد البوابة، فسيكون هناك انخفاض نسبيًا جهد دخل مرتفع، يعمل MOSFET بشكل جيد، بينما يتم تقليل جهد الدخل عندما يكون جهد البوابة غير كافٍ للتسبب في توصيل غير كامل بشكل كافٍ، وبالتالي زيادة استهلاك الطاقة.

دائرة شائعة نسبيًا هنا فقط لدائرة تشغيل NMOS لإجراء تحليل بسيط: Vl وVh هما مصدر الطاقة المنخفض والعالي، على التوالي، يمكن أن يكون الجهدان متماثلان، لكن Vl يجب ألا يتجاوز Vh. يشكل Q1 وQ2 عمود طوطم مقلوب، يستخدم لتحقيق العزل، وفي نفس الوقت لضمان عدم تشغيل أنبوبي التشغيل Q3 وQ4 في نفس الوقت. يوفر R2 وR3 مرجع جهد PWM، ومن خلال تغيير هذا المرجع، يمكنك جعل الدائرة تعمل بشكل جيد، وجهد البوابة ليس كافيًا للتسبب في توصيل شامل، وبالتالي زيادة استهلاك الطاقة. يوفر R2 وR3 مرجع جهد PWM، ومن خلال تغيير هذا المرجع، يمكنك السماح للدائرة بالعمل في شكل موجة إشارة PWM شديدة الانحدار ومستقيمة نسبيًا. يتم استخدام Q3 وQ4 لتوفير تيار المحرك، نظرًا لأن Q3 وQ4 بالنسبة إلى Vh وGND لا يمثلان سوى الحد الأدنى من انخفاض جهد Vce، فإن انخفاض الجهد هذا عادة ما يكون 0.3 فولت فقط أو نحو ذلك، أقل بكثير أكثر من 0.7V Vce R5 و R6 عبارة عن مقاومات تغذية مرتدة لأخذ عينات جهد البوابة، وبعد أخذ عينات الجهد، يتم استخدام جهد البوابة كمقاوم تغذية مرتدة لجهد البوابة، وجهد العينة يستخدم لجهد البوابة. R5 وR6 عبارة عن مقاومات تغذية راجعة تستخدم لأخذ عينات من جهد البوابة، والذي يتم تمريره بعد ذلك عبر Q5 لإنشاء ردود فعل سلبية قوية على قواعد Q1 وQ2، وبالتالي تحديد جهد البوابة إلى قيمة محدودة. يمكن تعديل هذه القيمة بواسطة R5 وR6. أخيرًا، يوفر R1 الحد من تيار القاعدة إلى Q3 وQ4، ويوفر R4 الحد من تيار البوابة إلى الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET)، وهو الحد من الجليد في Q3Q4. يمكن توصيل مكثف التسارع على التوازي فوق R4 إذا لزم الأمر.                                         

عند تصميم الأجهزة المحمولة والمنتجات اللاسلكية، يعد تحسين أداء المنتج وتمديد وقت تشغيل البطارية مسألتين يجب على المصممين مواجهتهما. تتمتع محولات DC-DC بمزايا الكفاءة العالية وتيار الإخراج العالي والتيار الهادئ المنخفض، وهي مناسبة جدًا لتشغيل الأجهزة المحمولة الأجهزة.

تتمتع محولات DC-DC بمزايا الكفاءة العالية والتيار العالي الناتج والتيار الهادئ المنخفض، وهي مناسبة جدًا لتشغيل الأجهزة المحمولة. حاليًا، تشمل الاتجاهات الرئيسية في تطوير تقنية تصميم محول DC-DC ما يلي: تقنية التردد العالي: مع زيادة تردد التبديل، يتم أيضًا تقليل حجم محول التبديل، وتزداد كثافة الطاقة بشكل كبير، والديناميكية تم تحسين الاستجابة. صغير

سوف يرتفع تردد تحويل محول الطاقة DC-DC إلى مستوى ميغاهيرتز. تكنولوجيا الجهد المنخفض للخرج: مع التطوير المستمر لتكنولوجيا تصنيع أشباه الموصلات، فإن جهد تشغيل المعالجات الدقيقة والمعدات الإلكترونية المحمولة يتناقص أكثر فأكثر، الأمر الذي يتطلب أن يتمكن محول DC-DC المستقبلي من توفير جهد خرج منخفض للتكيف مع المعالجات الدقيقة والمعدات الإلكترونية المحمولة، والتي يتطلب محول DC-DC المستقبلي أن يوفر جهد خرج منخفض للتكيف مع المعالج الدقيق.

يكفي لتوفير جهد خرج منخفض للتكيف مع المعالجات الدقيقة والمعدات الإلكترونية المحمولة. طرحت هذه التطورات التكنولوجية متطلبات أعلى لتصميم دوائر شرائح إمداد الطاقة. بادئ ذي بدء، مع زيادة تردد التبديل، يتم طرح أداء مكونات التبديل

متطلبات عالية لأداء عنصر التبديل، ويجب أن يكون لديك دائرة محرك عنصر التبديل المقابلة للتأكد من أن عنصر التبديل في تردد التبديل يصل إلى مستوى ميغاهيرتز للتشغيل العادي. ثانيًا، بالنسبة للأجهزة الإلكترونية المحمولة التي تعمل بالبطارية، يكون جهد تشغيل الدائرة منخفضًا (في حالة بطاريات الليثيوم، على سبيل المثال).

بطاريات الليثيوم، على سبيل المثال، جهد التشغيل 2.5 ~ 3.6 فولت)، وبالتالي فإن شريحة إمداد الطاقة للجهد المنخفض.

تتمتع MOSFET بمقاومة منخفضة للغاية، واستهلاك منخفض للطاقة، في شريحة DC-DC الشائعة الحالية ذات الكفاءة العالية، أكثر MOSFET كمفتاح طاقة. ومع ذلك، وذلك بسبب السعة الطفيلية الكبيرة للدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET). وهذا يضع متطلبات أعلى على تصميم دوائر تشغيل أنبوب التبديل لتصميم محولات DC-DC ذات تردد التشغيل العالي. هناك العديد من الدوائر المنطقية CMOS وBiCMOS التي تستخدم بنية تعزيز التمهيد ودوائر التشغيل كأحمال سعوية كبيرة في تصميم ULSI منخفض الجهد. هذه الدوائر قادرة على العمل بشكل صحيح في ظل ظروف إمدادات الجهد أقل من 1V، ويمكن أن تعمل في ظل ظروف سعة الحمل 1 ~ 2pF تردد يمكن أن تصل إلى عشرات ميغابت أو حتى مئات ميغاهيرتز. في هذا البحث، يتم استخدام دائرة تعزيز التمهيد لتصميم قدرة محرك ذات سعة تحميل كبيرة، مناسبة لدائرة محرك محول DC-DC ذات الجهد المنخفض والتردد العالي. الجهد المنخفض وPWM لتشغيل الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFETs) المتطورة. إشارة PWM ذات السعة الصغيرة لدفع متطلبات جهد البوابة العالية للدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET).