วงจรไดรเวอร์ MOSFET แพ็คเกจขนาดใหญ่

ประการแรก ประเภทและโครงสร้างของ MOSFETมอสเฟตเป็น FET (อีกชนิดหนึ่งคือ JFET) สามารถผลิตเป็นชนิดปรับปรุงหรือพร่องได้ P-channel หรือ N-channel มีทั้งหมด 4 ประเภท แต่การใช้งานจริงของ MOSFET แบบ N-channel ที่ปรับปรุงแล้วและ MOSFET P-channel ที่ปรับปรุงแล้วเท่านั้น ดังนั้น มักเรียกว่า NMOS หรือ PMOS หมายถึงทั้งสองประเภทนี้ สำหรับ MOSFET ที่ปรับปรุงแล้วทั้งสองประเภทนี้ NMOS ที่ใช้กันทั่วไปมากกว่า เหตุผลก็คือ ความต้านทานออนมีขนาดเล็กและง่ายต่อการผลิต ดังนั้นโดยทั่วไป NMOS จึงถูกนำมาใช้ในการสลับแหล่งจ่ายไฟและการใช้งานมอเตอร์ไดรฟ์

ในบทนำต่อไปนี้ กรณีส่วนใหญ่ถูกครอบงำโดย NMOS ความจุปรสิตอยู่ระหว่างพินทั้งสามของ MOSFET ซึ่งเป็นคุณลักษณะที่ไม่จำเป็น แต่เกิดขึ้นเนื่องจากข้อจำกัดของกระบวนการผลิต การมีความจุของปรสิตทำให้การออกแบบหรือเลือกวงจรไดรเวอร์ค่อนข้างยุ่งยาก มีไดโอดปรสิตอยู่ระหว่างท่อระบายน้ำกับแหล่งกำเนิด สิ่งนี้เรียกว่าไดโอดตัวถัง และมีความสำคัญในการขับเคลื่อนโหลดแบบเหนี่ยวนำ เช่น มอเตอร์ อย่างไรก็ตาม ตัวไดโอดจะมีอยู่ใน MOSFET แต่ละตัวเท่านั้น และโดยปกติจะไม่ปรากฏอยู่ในชิป IC

 

มอสเฟตการสูญเสียของหลอดสวิตชิ่ง ไม่ว่าจะเป็น NMOS หรือ PMOS หลังจากมีการนำไฟฟ้าของความต้านทานออนแล้ว ดังนั้นกระแสไฟฟ้าจะใช้พลังงานในความต้านทานนี้ พลังงานที่ใช้ส่วนนี้เรียกว่าการสูญเสียการนำไฟฟ้า การเลือก MOSFET ที่มีความต้านทานออนต่ำจะช่วยลดการสูญเสียจากความต้านทานออน ในปัจจุบัน ค่าความต้านทานต่อออนของ MOSFET พลังงานต่ำโดยทั่วไปจะอยู่ที่ประมาณหลายสิบมิลลิโอห์ม และยังมีค่าความต้านทานอีกสองสามมิลลิโอห์มอีกด้วย MOSFET จะต้องไม่ทำให้เสร็จในทันทีที่เปิดและปิด มีกระบวนการลดแรงดันไฟฟ้าที่ ปลายทั้งสองของ MOSFET และมีกระบวนการเพิ่มกระแสที่ไหลผ่าน ในช่วงระยะเวลานี้ การสูญเสีย MOSFET เป็นผลคูณของแรงดันและกระแสซึ่งเรียกว่าการสูญเสียการสวิตชิ่ง โดยปกติแล้วการสูญเสียการสวิตชิ่งจะมีมากกว่าการสูญเสียการนำไฟฟ้ามาก และยิ่งความถี่สวิตชิ่งเร็วเท่าไร การสูญเสียก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ผลคูณของแรงดันและกระแส ณ ขณะการนำไฟฟ้ามีขนาดใหญ่มาก ส่งผลให้เกิดการสูญเสียอย่างมาก การลดเวลาในการเปลี่ยนจะช่วยลดการสูญเสียในแต่ละการนำ การลดความถี่ในการสลับจะช่วยลดจำนวนสวิตช์ต่อหน่วยเวลา ทั้งสองวิธีนี้ช่วยลดการสูญเสียการสลับ

เมื่อเปรียบเทียบกับทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์ โดยทั่วไปเชื่อกันว่าไม่จำเป็นต้องใช้กระแสไฟฟ้าในการสร้างมอสเฟตดำเนินการตราบใดที่แรงดันไฟฟ้า GS สูงกว่าค่าที่กำหนด นี่เป็นเรื่องง่ายที่จะทำ แต่เราต้องการความเร็วด้วย ดังที่คุณเห็นในโครงสร้างของ MOSFET มีความจุปรสิตระหว่าง GS, GD และการขับเคลื่อนของ MOSFET เป็นผลจากการชาร์จและการคายประจุของความจุ การชาร์จตัวเก็บประจุต้องใช้กระแสไฟ เนื่องจากการชาร์จตัวเก็บประจุทันทีจะมองว่าเป็นการลัดวงจร ดังนั้นกระแสไฟฟ้าชั่วขณะจึงจะสูงขึ้น สิ่งแรกที่ควรทราบเมื่อเลือก/ออกแบบไดรเวอร์ MOSFET คือขนาดของกระแสลัดวงจรทันทีที่สามารถให้ได้

สิ่งที่สองที่ควรทราบคือ โดยทั่วไปใช้ในไดรฟ์ NMOS ระดับไฮเอนด์ แรงดันไฟฟ้าเกตตรงเวลาจะต้องมากกว่าแรงดันไฟฟ้าต้นทาง MOSFET ไดรฟ์ระดับไฮเอนด์บนแรงดันไฟฟ้าแหล่งและแรงดันท่อระบายน้ำ (VCC) เหมือนกัน ดังนั้นแรงดันเกตจึงมากกว่า VCC 4V หรือ 10V ถ้าในระบบเดียวกันเพื่อให้ได้แรงดันไฟฟ้าที่ใหญ่กว่า VCC เราจำเป็นต้องเชี่ยวชาญเรื่องวงจรบูสต์ ตัวขับมอเตอร์หลายตัวมีปั๊มชาร์จในตัว สิ่งสำคัญคือต้องทราบว่าคุณควรเลือกความจุภายนอกที่เหมาะสมเพื่อให้ได้กระแสไฟฟ้าลัดวงจรเพียงพอในการขับเคลื่อน MOSFET 4V หรือ 10V เป็น MOSFET ที่ใช้กันทั่วไปกับแรงดันไฟฟ้า แน่นอนว่าการออกแบบคุณต้องมีระยะขอบที่แน่นอน ยิ่งแรงดันไฟฟ้าสูง ความเร็วในสถานะก็จะยิ่งเร็วขึ้นและความต้านทานในสถานะก็จะยิ่งต่ำลง ขณะนี้ยังมี MOSFET แรงดันไฟฟ้าในสถานะที่เล็กกว่าซึ่งใช้ในด้านต่างๆ แต่ในระบบอิเล็กทรอนิกส์ของยานยนต์ 12V โดยทั่วไปแล้ว 4V ในสถานะก็เพียงพอแล้ว คุณลักษณะที่โดดเด่นที่สุดของ MOSFET คือลักษณะการสลับของสินค้า ดังนั้นจึงมีการใช้กันอย่างแพร่หลายใน ความต้องการวงจรสวิตชิ่งอิเล็กทรอนิกส์ เช่น แหล่งจ่ายไฟสวิตชิ่ง และมอเตอร์ขับเคลื่อน แต่ยังรวมถึงการหรี่แสงด้วย การนำหมายถึงทำหน้าที่เป็นสวิตช์ซึ่งเทียบเท่ากับการปิดสวิตช์ ลักษณะเฉพาะของ NMOS จะดำเนินการ Vgs ที่มากกว่าค่าที่กำหนด เหมาะสำหรับใช้ในกรณีที่แหล่งกำเนิดมีการต่อสายดิน (ไดรฟ์ระดับล่าง) ตราบเท่าที่เกต แรงดันไฟฟ้าที่มีลักษณะเฉพาะ 4V หรือ 10V.PMOS, Vgs จะนำไฟฟ้าน้อยกว่าค่าที่กำหนด เหมาะสำหรับใช้ในกรณีที่แหล่งจ่ายเชื่อมต่อกับ VCC (ไดรฟ์ระดับไฮเอนด์) อย่างไรก็ตาม แม้ว่า PMOS จะสามารถใช้เป็นไดรเวอร์ระดับไฮเอนด์ได้อย่างง่ายดาย แต่ NMOS มักจะใช้ในไดรเวอร์ระดับไฮเอนด์ เนื่องจากมีความต้านทานออนสูง ราคาสูง และมีประเภททดแทนน้อย

ตอนนี้ MOSFET ขับเคลื่อนแอปพลิเคชันแรงดันไฟฟ้าต่ำ เมื่อใช้แหล่งจ่ายไฟ 5V คราวนี้ถ้าคุณใช้โครงสร้างเสาโทเท็มแบบดั้งเดิม เนื่องจากทรานซิสเตอร์มีแรงดันไฟฟ้าตกประมาณ 0.7V ส่งผลให้มีการเพิ่มขั้นสุดท้ายจริงเข้ากับประตูบน แรงดันไฟฟ้าเพียง 4.3 V ขณะนี้เราเลือกแรงดันเกตระบุที่ 4.5V ของ MOSFET โดยมีความเสี่ยงบางประการ ปัญหาเดียวกันนี้เกิดขึ้นกับการใช้ 3V หรือแหล่งจ่ายไฟแรงดันต่ำอื่นๆ แรงดันไฟฟ้าคู่ถูกใช้ในวงจรควบคุมบางตัว โดยส่วนลอจิกใช้แรงดันไฟฟ้าดิจิทัลทั่วไป 5V หรือ 3.3V และส่วนกำลังใช้ 12V หรือสูงกว่านั้น แรงดันไฟฟ้าทั้งสองเชื่อมต่อกันโดยใช้กราวด์ร่วม ทำให้ต้องใช้วงจรที่ช่วยให้ฝ่ายแรงดันต่ำควบคุม MOSFET ฝั่งไฟฟ้าแรงสูงได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในขณะที่ MOSFET ฝั่งไฟฟ้าแรงสูงจะประสบปัญหาเดียวกันกับที่กล่าวไว้ใน 1 และ 2 ในทั้งสามกรณี โครงสร้างเสาโทเท็มไม่สามารถตอบสนองข้อกำหนดเอาต์พุตได้ และไดรเวอร์ IC MOSFET ที่มีจำหน่ายทั่วไปจำนวนมากดูเหมือนจะไม่มีโครงสร้างจำกัดแรงดันไฟฟ้าของเกต แรงดันไฟฟ้าขาเข้าไม่ใช่ค่าคงที่ แต่จะแปรผันตามเวลาหรือปัจจัยอื่นๆ การเปลี่ยนแปลงนี้ทำให้แรงดันไฟฟ้าของไดรฟ์ที่จ่ายให้กับ MOSFET โดยวงจร PWM ไม่เสถียร เพื่อให้ MOSFET ปลอดภัยจากแรงดันไฟฟ้าเกตสูง MOSFET จำนวนมากมีตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าในตัวเพื่อจำกัดแอมพลิจูดของแรงดันเกตอย่างรุนแรง

 

ในกรณีนี้ เมื่อแรงดันไฟฟ้าของไดรฟ์ที่ให้มาเกินแรงดันไฟฟ้าของตัวควบคุม จะทำให้เกิดการใช้พลังงานคงที่ขนาดใหญ่ ในเวลาเดียวกัน ถ้าคุณเพียงใช้หลักการของตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าของตัวต้านทานเพื่อลดแรงดันเกต จะมีค่าค่อนข้าง แรงดันไฟฟ้าขาเข้าสูง MOSFET ทำงานได้ดี ในขณะที่แรงดันไฟฟ้าขาเข้าลดลงเมื่อแรงดันเกตไม่เพียงพอที่จะทำให้การนำไฟฟ้าไม่สมบูรณ์ ส่งผลให้สิ้นเปลืองพลังงานมากขึ้น

วงจรที่ค่อนข้างทั่วไปที่นี่สำหรับวงจรไดรเวอร์ NMOS เท่านั้นที่จะทำการวิเคราะห์อย่างง่าย: Vl และ Vh เป็นแหล่งจ่ายไฟระดับต่ำและระดับสูง ตามลำดับ แรงดันไฟฟ้าทั้งสองสามารถเท่ากันได้ แต่ Vl ไม่ควรเกิน Vh Q1 และ Q2 สร้างเสาโทเท็มแบบกลับหัว ใช้เพื่อแยกออก และในเวลาเดียวกันเพื่อให้แน่ใจว่าหลอดไดรเวอร์ Q3 และ Q4 จะไม่เปิดพร้อมกัน R2 และ R3 เป็นค่าอ้างอิงแรงดันไฟฟ้าแบบ PWM และด้วยการเปลี่ยนค่าอ้างอิงนี้ คุณสามารถทำให้วงจรทำงานได้ดี และแรงดันไฟฟ้าของเกตไม่เพียงพอที่จะทำให้เกิดการนำไฟฟ้าอย่างละเอียด ซึ่งจะเป็นการเพิ่มการใช้พลังงาน R2 และ R3 เป็นค่าอ้างอิงแรงดันไฟฟ้า PWM โดยการเปลี่ยนค่าอ้างอิงนี้ คุณสามารถปล่อยให้วงจรทำงานในรูปคลื่นสัญญาณ PWM ที่ค่อนข้างชันและเป็นตำแหน่งตรงได้ Q3 และ Q4 ใช้เพื่อจ่ายกระแสไฟให้กับไดรฟ์ เนื่องจากเวลาตรง Q3 และ Q4 สัมพันธ์กับ Vh และ GND มีค่าต่ำสุดของแรงดันตก Vce เท่านั้น โดยทั่วไปแรงดันตกคร่อมนี้มักจะเพียง 0.3V หรือประมาณนั้น ซึ่งต่ำกว่ามาก มากกว่า 0.7V Vce R5 และ R6 เป็นตัวต้านทานป้อนกลับสำหรับการสุ่มตัวอย่างแรงดันไฟฟ้าเกต หลังจากการสุ่มตัวอย่างแรงดันไฟฟ้า แรงดันไฟฟ้าของเกตจะถูกใช้เป็นตัวต้านทานป้อนกลับกับแรงดันเกต และแรงดันไฟฟ้าของตัวอย่างจะถูกใช้กับแรงดันเกต R5 และ R6 เป็นตัวต้านทานป้อนกลับที่ใช้ในการสุ่มตัวอย่างแรงดันเกต ซึ่งจากนั้นจะถูกส่งผ่าน Q5 เพื่อสร้างการป้อนกลับเชิงลบที่รุนแรงบนฐานของ Q1 และ Q2 ซึ่งเป็นการจำกัดแรงดันเกตให้เหลือค่าจำกัด ค่านี้สามารถปรับได้โดย R5 และ R6 สุดท้าย R1 ให้ข้อจำกัดของกระแสฐานถึง Q3 และ Q4 และ R4 ให้ข้อจำกัดของกระแสเกตของ MOSFET ซึ่งเป็นข้อจำกัดของ Ice ของ Q3Q4 สามารถเชื่อมต่อตัวเก็บประจุเร่งความเร็วแบบขนานเหนือ R4 ได้หากจำเป็น                                         

เมื่อออกแบบอุปกรณ์พกพาและผลิตภัณฑ์ไร้สาย การปรับปรุงประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์และยืดเวลาการทำงานของแบตเตอรี่เป็นสองประเด็นที่นักออกแบบต้องเผชิญ ตัวแปลง DC-DC มีข้อดีคือมีประสิทธิภาพสูง กระแสไฟเอาท์พุตสูง และกระแสไฟฟ้านิ่งต่ำ ซึ่งเหมาะมากสำหรับการจ่ายไฟแบบพกพา อุปกรณ์

ตัวแปลง DC-DC มีข้อดีคือมีประสิทธิภาพสูง กระแสไฟเอาท์พุตสูง และกระแสไฟนิ่งต่ำ ซึ่งเหมาะมากสำหรับการจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์พกพา ปัจจุบันแนวโน้มหลักในการพัฒนาเทคโนโลยีการออกแบบตัวแปลง DC-DC ได้แก่ : เทคโนโลยีความถี่สูง: เมื่อความถี่การสลับเพิ่มขึ้น ขนาดของตัวแปลงการสลับก็ลดลงเช่นกัน ความหนาแน่นของพลังงานเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ และไดนามิก การตอบสนองได้รับการปรับปรุง เล็ก

ความถี่ในการสลับตัวแปลงไฟ DC-DC จะเพิ่มขึ้นถึงระดับเมกะเฮิรตซ์ เทคโนโลยีแรงดันไฟฟ้าขาออกต่ำ: ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีการผลิตเซมิคอนดักเตอร์อย่างต่อเนื่อง แรงดันไฟฟ้าในการทำงานของไมโครโปรเซสเซอร์และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพากำลังลดลงเรื่อยๆ ซึ่งต้องใช้ตัวแปลง DC-DC ในอนาคตสามารถให้แรงดันเอาต์พุตต่ำเพื่อปรับให้เข้ากับไมโครโปรเซสเซอร์และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพา ซึ่ง ต้องใช้ตัวแปลง DC-DC ในอนาคตสามารถให้แรงดันเอาต์พุตต่ำเพื่อปรับให้เข้ากับไมโครโปรเซสเซอร์

เพียงพอที่จะให้แรงดันเอาต์พุตต่ำเพื่อปรับให้เข้ากับไมโครโปรเซสเซอร์และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพา การพัฒนาทางเทคโนโลยีเหล่านี้ทำให้เกิดข้อกำหนดที่สูงขึ้นสำหรับการออกแบบวงจรชิปแหล่งจ่ายไฟ ประการแรก ด้วยความถี่ในการสวิตชิ่งที่เพิ่มขึ้น ประสิทธิภาพของส่วนประกอบสวิตชิ่งจึงถูกหยิบยกขึ้นมา

ข้อกำหนดสูงสำหรับประสิทธิภาพขององค์ประกอบสวิตช์และต้องมีวงจรไดรฟ์องค์ประกอบสวิตช์ที่สอดคล้องกันเพื่อให้แน่ใจว่าองค์ประกอบสวิตช์ในความถี่สวิตช์สูงถึงระดับเมกะเฮิรตซ์ของการทำงานปกติ ประการที่สอง สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพาที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ แรงดันไฟฟ้าในการทำงานของวงจรจะต่ำ (เช่น ในกรณีของแบตเตอรี่ลิเธียม)

แบตเตอรี่ลิเธียม เช่น แรงดันไฟฟ้า 2.5 ~ 3.6V) ดังนั้นชิปจ่ายไฟสำหรับแรงดันไฟฟ้าต่ำ

MOSFET มีความต้านทานต่อออนต่ำมากและสิ้นเปลืองพลังงานน้อย ในชิป DC-DC ประสิทธิภาพสูงยอดนิยมในปัจจุบัน มี MOSFET มากขึ้นเป็นสวิตช์เปิดปิด อย่างไรก็ตาม เนื่องจากความจุปรสิตขนาดใหญ่ของ MOSFET ซึ่งทำให้มีข้อกำหนดที่สูงขึ้นในการออกแบบวงจรขับท่อสวิตชิ่งสำหรับการออกแบบคอนเวอร์เตอร์ DC-DC ความถี่สูง มีวงจรตรรกะ CMOS, BiCMOS หลายประเภทที่ใช้โครงสร้างบูสต์สแตรปและวงจรไดรเวอร์เป็นโหลดคาปาซิทีฟขนาดใหญ่ในการออกแบบ ULSI แรงดันต่ำ วงจรเหล่านี้สามารถทำงานได้อย่างถูกต้องภายใต้เงื่อนไขของแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าน้อยกว่า 1V และสามารถทำงานภายใต้เงื่อนไขของความจุโหลด ความถี่ 1 ~ 2pF สามารถเข้าถึงหลายสิบเมกะบิตหรือหลายร้อยเมกะเฮิรตซ์ ในบทความนี้ วงจรบูสต์สแตรปถูกใช้เพื่อออกแบบความสามารถของไดรฟ์ความจุโหลดขนาดใหญ่ เหมาะสำหรับวงจรไดรฟ์คอนเวอร์เตอร์ DC-DC ที่เพิ่มความถี่สวิตชิ่งแรงดันต่ำและสูง แรงดันไฟฟ้าต่ำสุดและ PWM เพื่อขับเคลื่อน MOSFET ระดับไฮเอนด์ สัญญาณ PWM แอมพลิจูดขนาดเล็กเพื่อขับเคลื่อนความต้องการแรงดันไฟฟ้าเกตสูงของ MOSFET