MOSFET المعرفة الأساسية الأصلية والتطبيق

أما لماذا وضع النضوبالدوائر المتكاملة منخفضة المقاومةلا تستخدم، فمن غير المستحسن للوصول إلى الجزء السفلي منه.

بالنسبة لهذين النوعين من الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) في وضع التحسين، يتم استخدام NMOS بشكل أكثر شيوعًا. والسبب هو أن المقاومة صغيرة وسهلة التصنيع. ولذلك، يتم استخدام NMOS بشكل عام في تبديل تطبيقات إمدادات الطاقة ومحرك السيارات. في المقدمة التالية، يتم استخدام NMOS في الغالب.

توجد سعة طفيلية بين أطراف MOSFET الثلاثة. وهذا ليس ما نحتاجه، ولكنه ناتج عن قيود عملية التصنيع. إن وجود السعة الطفيلية يجعل الأمر أكثر إزعاجًا عند تصميم أو اختيار دائرة القيادة، ولكن لا توجد طريقة لتجنب ذلك. وسوف نقدمها بالتفصيل لاحقا.

يوجد صمام ثنائي طفيلي بين المصرف والمصدر. وهذا ما يسمى ديود الجسم. هذا الصمام الثنائي مهم جدًا عند قيادة الأحمال الحثية (مثل المحركات). بالمناسبة، الصمام الثنائي للجسم موجود فقط في MOSFET واحد وعادة لا يوجد داخل شريحة الدائرة المتكاملة.

 

2. خصائص التوصيل MOSFET

التوصيل يعني العمل كمفتاح، وهو ما يعادل إغلاق المفتاح.

ما يميز NMOS هو أنه سيتم تشغيله عندما تكون Vgs أكبر من قيمة معينة. إنها مناسبة للاستخدام عندما يكون المصدر مؤرضًا (محرك منخفض النهاية)، طالما أن جهد البوابة يصل إلى 4 فولت أو 10 فولت.

تتمثل خصائص PMOS في أنه سيتم تشغيله عندما تكون Vgs أقل من قيمة معينة، وهو مناسب للحالات التي يكون فيها المصدر متصلاً بـ VCC (محرك الأقراص المتطور). ومع ذلك، على الرغم منPMOSيمكن استخدامه بسهولة كمحرك متطور، وعادةً ما يتم استخدام NMOS في برامج التشغيل المتطورة نظرًا لمقاومته الكبيرة والسعر المرتفع وأنواع الاستبدال القليلة.

 

3. فقدان أنبوب تبديل MOS

سواء كان NMOS أو PMOS، هناك مقاومة تشغيل بعد تشغيله، وبالتالي فإن التيار سوف يستهلك الطاقة على هذه المقاومة. يسمى هذا الجزء من الطاقة المستهلكة بفقدان التوصيل. سيؤدي اختيار MOSFET بمقاومة صغيرة إلى تقليل خسائر التوصيل. تبلغ مقاومة MOSFET منخفضة الطاقة اليوم حوالي عشرات الملي أوم، وهناك أيضًا عدة ملي أوم.

عند تشغيل وإيقاف تشغيل MOSFET، يجب ألا يتم إكماله على الفور. إن الجهد عبر MOS له عملية متناقصة، والتيار المتدفق له عملية متزايدة. خلال هذه الفترة،موسفيتالخسارة هي نتاج الجهد والتيار، وهو ما يسمى خسارة التبديل. عادةً ما تكون خسائر التبديل أكبر بكثير من خسائر التوصيل، وكلما كان تردد التبديل أسرع، زادت الخسائر.

إن ناتج الجهد والتيار في لحظة التوصيل كبير جدًا، مما يسبب خسائر كبيرة. يمكن أن يؤدي تقصير وقت التبديل إلى تقليل الخسارة أثناء كل توصيل؛ يمكن أن يؤدي تقليل تردد التبديل إلى تقليل عدد المفاتيح لكل وحدة زمنية. كلتا الطريقتين يمكن أن تقلل من خسائر التبديل.

الشكل الموجي عند تشغيل MOSFET. ويمكن ملاحظة أن ناتج الجهد والتيار في لحظة التوصيل كبير جدًا، وأن الخسارة الناتجة كبيرة جدًا أيضًا. يمكن أن يؤدي تقليل وقت التبديل إلى تقليل الخسارة أثناء كل توصيل؛ يمكن أن يؤدي تقليل تردد التبديل إلى تقليل عدد المفاتيح لكل وحدة زمنية. كلتا الطريقتين يمكن أن تقلل من خسائر التبديل.

 

4. سائق MOSFET

بالمقارنة مع الترانزستورات ثنائية القطب، يُعتقد عمومًا أنه لا يلزم وجود تيار لتشغيل MOSFET، طالما أن جهد GS أعلى من قيمة معينة. من السهل القيام بذلك، ولكننا نحتاج أيضًا إلى السرعة.

يمكن أن نرى في هيكل MOSFET أن هناك سعة طفيلية بين GS وGD، وقيادة MOSFET هي في الواقع شحن وتفريغ المكثف. يتطلب شحن المكثف تيارًا، لأنه يمكن اعتبار المكثف بمثابة دائرة كهربائية قصيرة في لحظة الشحن، وبالتالي فإن التيار اللحظي سيكون كبيرًا نسبيًا. أول شيء يجب الانتباه إليه عند اختيار/تصميم برنامج تشغيل MOSFET هو مقدار تيار الدائرة القصيرة اللحظي الذي يمكن أن يوفره. ​

الشيء الثاني الذي يجب ملاحظته هو أن نظام NMOS، والذي يستخدم عادة للقيادة المتطورة، يحتاج إلى أن يكون جهد البوابة أكبر من جهد المصدر عند تشغيله. عند تشغيل MOSFET ذات الجانب العالي، يكون جهد المصدر هو نفس جهد التصريف (VCC)، وبالتالي يكون جهد البوابة أكبر بـ 4V أو 10V من VCC في هذا الوقت. إذا كنت ترغب في الحصول على جهد أكبر من VCC في نفس النظام، فأنت بحاجة إلى دائرة تعزيز خاصة. العديد من سائقي السيارات لديهم مضخات شحن متكاملة. تجدر الإشارة إلى أنه يجب اختيار مكثف خارجي مناسب للحصول على تيار دائرة قصر كافٍ لتشغيل MOSFET.

 

إن 4V أو 10V المذكور أعلاه هو جهد التشغيل لوحدات MOSFET شائعة الاستخدام، وبالطبع يجب السماح بهامش معين أثناء التصميم. وكلما زاد الجهد، زادت سرعة التوصيل وقلت مقاومة التوصيل. يوجد الآن دوائر MOSFET ذات جهود توصيل أصغر تستخدم في مجالات مختلفة، ولكن في الأنظمة الإلكترونية للسيارات بجهد 12 فولت، يكون التوصيل 4 فولت كافيًا بشكل عام.

 

للتعرف على دائرة تشغيل MOSFET وخسائرها، يرجى الرجوع إلى Microchip AN799 لمطابقة برامج تشغيل MOSFET مع MOSFETs. إنه مفصل للغاية، لذا لن أكتب المزيد.

 

إن ناتج الجهد والتيار في لحظة التوصيل كبير جدًا، مما يسبب خسائر كبيرة. يمكن أن يؤدي تقليل وقت التبديل إلى تقليل الخسارة أثناء كل توصيل؛ يمكن أن يؤدي تقليل تردد التبديل إلى تقليل عدد المفاتيح لكل وحدة زمنية. كلتا الطريقتين يمكن أن تقلل من خسائر التبديل.

MOSFET هو نوع من FET (والآخر هو JFET). ويمكن تحويلها إلى وضع التحسين أو وضع الاستنفاد، أو قناة P أو قناة N، بإجمالي 4 أنواع. ومع ذلك، يتم استخدام MOSFET للقناة N فقط في وضع التحسين. و MOSFET من النوع P-channel، لذلك عادةً ما يشير NMOS أو PMOS إلى هذين النوعين.

 

5. دائرة تطبيق MOSFET؟

أهم ما يميز MOSFET هو خصائص التبديل الجيدة، لذلك يستخدم على نطاق واسع في الدوائر التي تتطلب مفاتيح إلكترونية، مثل تبديل مصادر الطاقة ومحركات المحركات، وكذلك تعتيم الإضاءة.

 

لدى برامج تشغيل MOSFET اليوم العديد من المتطلبات الخاصة:

1. تطبيق الجهد المنخفض

عند استخدام مصدر طاقة 5 فولت، إذا تم استخدام هيكل عمود الطوطم التقليدي في هذا الوقت، نظرًا لأن الترانزستور به انخفاض جهد يبلغ حوالي 0.7 فولت، فإن الجهد النهائي الفعلي المطبق على البوابة هو 4.3 فولت فقط. في هذا الوقت، نختار قوة البوابة الاسمية

هناك خطر معين عند استخدام MOSFET 4.5V. تحدث نفس المشكلة أيضًا عند استخدام 3V أو مصادر الطاقة ذات الجهد المنخفض الأخرى.

2. تطبيق الجهد على نطاق واسع

جهد الإدخال ليس قيمة ثابتة، بل سيتغير مع مرور الوقت أو مع عوامل أخرى. يؤدي هذا التغيير إلى عدم استقرار جهد القيادة الذي توفره دائرة PWM إلى MOSFET.

من أجل جعل الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) آمنة في ظل الفولتية العالية للبوابة، تحتوي العديد من الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) على منظمات جهد مدمجة للحد بقوة من سعة جهد البوابة. في هذه الحالة، عندما يتجاوز جهد القيادة المقدم جهد أنبوب منظم الجهد، فسوف يتسبب ذلك في استهلاك كبير للطاقة الساكنة.

في الوقت نفسه، إذا كنت ببساطة تستخدم مبدأ تقسيم جهد المقاوم لتقليل جهد البوابة، فإن MOSFET سيعمل بشكل جيد عندما يكون جهد الدخل مرتفعًا نسبيًا، ولكن عندما ينخفض ​​جهد الدخل، سيكون جهد البوابة غير كافٍ، مما يتسبب في التوصيل غير مكتمل، وبالتالي زيادة استهلاك الطاقة.

3. تطبيق الجهد المزدوج

في بعض دوائر التحكم، يستخدم الجزء المنطقي جهدًا رقميًا نموذجيًا 5 فولت أو 3.3 فولت، بينما يستخدم جزء الطاقة جهدًا كهربائيًا يبلغ 12 فولت أو أعلى. يرتبط الجهدان بأرضية مشتركة.

وهذا يثير متطلبات استخدام دائرة حتى يتمكن الجانب ذو الجهد المنخفض من التحكم بشكل فعال في MOSFET على الجانب ذو الجهد العالي. وفي الوقت نفسه، فإن MOSFET على جانب الجهد العالي سيواجه أيضًا المشكلات المذكورة في 1 و 2.

في هذه الحالات الثلاث، لا يمكن لهيكل عمود الطوطم تلبية متطلبات الإخراج، ولا يبدو أن العديد من الدوائر المتكاملة لمشغل MOSFET الجاهزة تتضمن هياكل تحد من جهد البوابة.

 

لذلك قمت بتصميم دائرة عامة نسبيًا لتلبية هذه الاحتياجات الثلاثة.

​

دائرة التشغيل لـ NMOS

سأقوم هنا فقط بإجراء تحليل بسيط لدائرة تشغيل NMOS:

Vl وVh هما مصدرا الطاقة المنخفض والعالي على التوالي. يمكن أن يكون الجهدان متماثلين، ولكن يجب ألا يتجاوز Vl Vh.

يشكل Q1 وQ2 عمودًا طوطمًا مقلوبًا لتحقيق العزل مع ضمان عدم تشغيل أنبوبي التشغيل Q3 وQ4 في نفس الوقت.

يوفر R2 وR3 مرجع جهد PWM. من خلال تغيير هذا المرجع، يمكن تشغيل الدائرة في موضع يكون فيه شكل موجة إشارة PWM شديد الانحدار نسبيًا.

يتم استخدام Q3 و Q4 لتوفير تيار المحرك. عند التشغيل، يكون لدى Q3 وQ4 فقط الحد الأدنى من انخفاض الجهد Vce بالنسبة إلى Vh وGND. عادة ما يكون انخفاض الجهد هذا حوالي 0.3 فولت فقط، وهو أقل بكثير من Vce البالغ 0.7 فولت.

R5 و R6 عبارة عن مقاومات تغذية مرتدة، تستخدم لأخذ عينات من جهد البوابة. يولد جهد العينة ردود فعل سلبية قوية لقواعد Q1 وQ2 حتى Q5، مما يحد من جهد البوابة إلى قيمة محدودة. يمكن تعديل هذه القيمة من خلال R5 وR6.

أخيرًا، يوفر R1 حد التيار الأساسي لـ Q3 وQ4، ويوفر R4 حد تيار البوابة لـ MOSFET، وهو حد الجليد في Q3 وQ4. إذا لزم الأمر، يمكن توصيل مكثف التسارع بالتوازي مع R4.

توفر هذه الدائرة الميزات التالية:

1. استخدم الجهد المنخفض وPWM لقيادة MOSFET عالي الجانب.

2. استخدم إشارة PWM ذات سعة صغيرة لقيادة MOSFET مع متطلبات الجهد العالي للبوابة.

3. الحد الأقصى لجهد البوابة

4. حدود المدخلات والمخرجات الحالية

5. باستخدام المقاومات المناسبة، يمكن تحقيق استهلاك منخفض جدًا للطاقة.

6. يتم عكس إشارة PWM. NMOS لا يحتاج إلى هذه الميزة ويمكن حلها عن طريق وضع عاكس في المقدمة.

عند تصميم الأجهزة المحمولة والمنتجات اللاسلكية، فإن تحسين أداء المنتج وإطالة عمر البطارية هما مسألتان يجب على المصممين مواجهتهما. تتمتع محولات DC-DC بمزايا الكفاءة العالية، وتيار الإخراج الكبير، والتيار الهادئ المنخفض، مما يجعلها مناسبة جدًا لتشغيل الأجهزة المحمولة. في الوقت الحاضر، الاتجاهات الرئيسية في تطوير تكنولوجيا تصميم محول DC-DC هي: (1) تكنولوجيا عالية التردد: مع زيادة تردد التبديل، يتم تقليل حجم محول التبديل أيضًا، كما تزداد كثافة الطاقة بشكل كبير، وتم تحسين الاستجابة الديناميكية. . سوف يرتفع تردد التبديل لمحولات DC-DC منخفضة الطاقة إلى مستوى ميغاهيرتز. (2) تكنولوجيا جهد الخرج المنخفض: مع التطوير المستمر لتكنولوجيا تصنيع أشباه الموصلات، أصبح جهد تشغيل المعالجات الدقيقة والأجهزة الإلكترونية المحمولة أقل وأقل، الأمر الذي يتطلب محولات DC-DC المستقبلية لتوفير جهد خرج منخفض للتكيف مع المعالجات الدقيقة. متطلبات المعالجات والأجهزة الإلكترونية المحمولة.

لقد أدى تطوير هذه التقنيات إلى طرح متطلبات أعلى لتصميم دوائر شرائح الطاقة. أولا وقبل كل شيء، مع استمرار زيادة تردد التبديل، يتم وضع متطلبات عالية على أداء عناصر التبديل. وفي الوقت نفسه، يجب توفير دوائر تشغيل عناصر التبديل المقابلة للتأكد من أن عناصر التبديل تعمل بشكل طبيعي عند تبديل الترددات حتى ميغاهيرتز. ثانيًا، بالنسبة للأجهزة الإلكترونية المحمولة التي تعمل بالبطارية، يكون جهد تشغيل الدائرة منخفضًا (على سبيل المثال، بطاريات الليثيوم، جهد التشغيل هو 2.5 ~ 3.6 فولت)، وبالتالي، فإن جهد تشغيل شريحة الطاقة منخفض.

 

تتمتع MOSFET بمقاومة منخفضة للغاية وتستهلك طاقة منخفضة. غالبًا ما يتم استخدام MOSFET كمفتاح طاقة في شرائح DC-DC ذات الكفاءة العالية الشائعة حاليًا. ومع ذلك، نظرًا للسعة الطفيلية الكبيرة لـ MOSFET، فإن سعة البوابة لأنابيب تبديل NMOS تكون عمومًا عالية مثل عشرات البيكوفاراد. وهذا يضع متطلبات أعلى لتصميم دائرة محرك أنبوب تبديل محول DC-DC ذات تردد التشغيل العالي.

في تصميمات ULSI ذات الجهد المنخفض، توجد مجموعة متنوعة من الدوائر المنطقية CMOS وBiCMOS التي تستخدم هياكل تعزيز التمهيد ودوائر القيادة كأحمال سعوية كبيرة. يمكن أن تعمل هذه الدوائر بشكل طبيعي بجهد إمداد طاقة أقل من 1 فولت، ويمكن أن تعمل بتردد عشرات الميغاهيرتز أو حتى مئات الميغاهرتز مع سعة تحميل تتراوح من 1 إلى 2pF. تستخدم هذه المقالة دائرة تعزيز التمهيد لتصميم دائرة محرك بقدرة محرك ذات سعة تحميل كبيرة مناسبة لمحولات DC-DC ذات الجهد المنخفض وتردد التبديل العالي. تم تصميم الدائرة بناءً على عملية Samsung AHP615 BiCMOS وتم التحقق منها بواسطة محاكاة Hspice. عندما يكون جهد الإمداد 1.5 فولت وسعة الحمل 60pF، يمكن أن يصل تردد التشغيل إلى أكثر من 5 ميجا هرتز.

​

خصائص تبديل MOSFET

​

1. الخصائص الثابتة

كعنصر تبديل، يعمل MOSFET أيضًا في حالتين: إيقاف التشغيل أو التشغيل. نظرًا لأن MOSFET عبارة عن مكون يتم التحكم فيه بالجهد، فإن حالة عمله يتم تحديدها بشكل أساسي من خلال جهد مصدر البوابة uGS.

 

خصائص العمل هي كما يلي:

※ uGS＜جهد التشغيل UT: يعمل MOSFET في منطقة القطع، وiDS الحالي لمصدر التصريف هو في الأساس 0، وجهد الخرج uDS≈UDD، وMOSFET في حالة "إيقاف التشغيل".

※ uGS> جهد التشغيل UT: يعمل MOSFET في منطقة التوصيل، تيار مصدر التصريف iDS=UDD/(RD+rDS). من بينها، rDS هي مقاومة مصدر التصريف عند تشغيل MOSFET. جهد الخرج UDS=UDD?rDS/(RD+rDS)، إذا كان rDS＜＜RD، uDS≈0V، فإن MOSFET في حالة "التشغيل".

2. الخصائص الديناميكية

لدى MOSFET أيضًا عملية انتقالية عند التبديل بين حالات التشغيل والإيقاف، لكن خصائصها الديناميكية تعتمد بشكل أساسي على الوقت اللازم لشحن وتفريغ السعة الشاردة المتعلقة بالدائرة، وتراكم الشحنة والتفريغ عندما يكون الأنبوب نفسه في وضع التشغيل والإيقاف. وقت التبديد صغير جدًا.

عندما يتغير جهد الإدخال من الأعلى إلى المنخفض ويتغير MOSFET من حالة التشغيل إلى حالة إيقاف التشغيل، يقوم مزود الطاقة UDD بشحن السعة الشاردة CL خلال RD، وثابت وقت الشحن τ1=RDCL. لذلك، يحتاج جهد الخرج إلى المرور بتأخير معين قبل التغيير من المستوى المنخفض إلى المستوى العالي؛ عندما تتغير واجهة المستخدم لجهد الإدخال من منخفض إلى مرتفع ويتغير MOSFET من حالة إيقاف التشغيل إلى حالة التشغيل، تمر الشحنة على السعة الشاردة CL عبر rDS ويحدث التفريغ مع ثابت وقت التفريغ τ2≈rDSCL. يمكن ملاحظة أن جهد الخرج Uo يحتاج أيضًا إلى تأخير معين قبل أن يتمكن من الانتقال إلى مستوى منخفض. ولكن نظرًا لأن rDS أصغر بكثير من RD، فإن وقت التحويل من القطع إلى التوصيل يكون أقصر من وقت التحويل من التوصيل إلى القطع.

نظرًا لأن مقاومة مصدر التصريف rDS لـ MOSFET عند تشغيلها أكبر بكثير من مقاومة التشبع rCES للترانزستور، ومقاومة التصريف الخارجي RD أكبر أيضًا من مقاومة المجمع RC للترانزستور، فإن وقت الشحن والتفريغ MOSFET أطول، مما يجعل MOSFET سرعة التحويل أقل من سرعة الترانزستور. ومع ذلك، في دوائر CMOS، نظرًا لأن دائرة الشحن ودائرة التفريغ عبارة عن دوائر منخفضة المقاومة، فإن عمليات الشحن والتفريغ تكون سريعة نسبيًا، مما يؤدي إلى سرعة تحويل عالية لدائرة CMOS.