5.2 Проектирование ключа и секции драйвера на мощном
полевом МОП-транзисторе
Чаще всего в качестве ключа используется мощный полевой МОП-транзистор. Его стоимость и потери насыщения в большинстве приложений сравнимы с аналогичными потерями биполярного транзистора, а переключение выполняется в 5..10 раз быстрее. Кроме того, МОП-транзисторы проще для использования в проекте.
Полевой МОП-транзистор представляет собой источник тока с управлением по напряжению. Для управления МОП-транзистором в состоянии насыщения между выводами затвора и истока должно быть приложено достаточно большое напряжение, чтобы пропускать ток силы выше максимального ожидаемого тока через сток. Отношение напряжения между затвором и истоком к току через сток называется межэлектродной проводимостью (transonductance) и обозначается gm. Обычно мощные полевые МОП-транзисторы разбивают на две категории:
стандартные – должны иметь значение Vgs, равное 8..10 В, чтобы гарантировать полный номинальный ток через сток;
МОП-транзисторы логического уровня, в которых напряжение Vgs должно составлять лишь 4,0..4,5 В.
У полевых МОП-транзисторов логического уровня обычно низкие номинальные значения напряжения между стоком и истоком (более 60 В).
Время переключения полевых МОП-транзисторов очень мало: обычно от 40 до 80 нc. Для того чтобы организовать управление МОП-транзистором с такой скоростью, необходимо прежде рассмотреть неотъемлемую паразитную емкость, существующую во всех мощных МОП-транзисторах (рисунок 18).
Рисунок 18 – УГО мощного ПТ с паразитными емкостями
Эти емкости указываются в спецификации любого мощного МОП-транзистора и играют очень важную роль. Емкость перехода сток-исток Coss учитывается в нагрузках стока, но напрямую не входит в схему драйвера. Емкости Ciss и Crss оказывают прямое и вычислимое влияние на характеристики переключения полевого МОП-транзистора. На рисунке 19 показаны волновые формы цикла переключения для затвора и стока типичного полевого МОП-транзистора с каналом n-типа.
Рисунок 39 – Волновые формы полевого МОП-транзистора
Плато
в сигнале напряжения управления затвором
обусловлено ниспадающим участком
сигнала между стоком и истоком, связанного
с узлом затвора через конденсатор Crss.
На протяжении этого периода наблюдается
большой импульс тока управления затвором.
Данному плато соответствует уровень
напряжения, который немного выше
номинального порогового напряжения
затвора и составляет Vth
.
Значение
напряжения плато можно также определить
с помощью графика передаточной функции,
представленной в спецификации любого
полевого МОП-транзистора (рисунок 20).
Для неточной оценки может быть использовано
пороговое напряжение.
Рассматриваемые емкости обусловливают задержки в характеристиках переключения полевого МОП-транзистора. Схемы драйвера должны быть способны управлять емкостными нагрузками. Прежде всего, должно быть определено количество заряда, необходимого для перевода затвора через каждый уровень напряжения. Эту информацию можно получить из рисунок 21, если вычесть значение одной рабочей точки напряжения управления затвором из другой. Задержку переключения можно вычислить по формулам (9.1..9.8).
Рисунок 20 – Типичные кривые, представлены в спецификациях полевых МОП-транзисторов
Задержки замыкания ключа:
КМОП Биполярный
Задержка замыкания:
.
(5.2.1)
Время нарастания:
;
(5.2.2)
;
(5.2.3)
.
(5.2.4)
Задержки размыкания ключа:
КМОП Биполярный
Задержка размыкания:
.
(5.2.5)
Время спада:
;
(5.2.6)
;
(5.2.7)
.
(5.2.8)
Драйверы на основе биполярного транзистора в большей степени способны порождать выбросы тока, необходимого для затвора полевого МОП-транзистора, чем драйверы, основанные на КМОП-транзисторах, которые действуют скорее подобно источнику ограниченного тока и приемнику. Скорость обычно управляется путем размещения резистора последовательно между драйвером и затвором. В импульсных источниках питания, когда требуется быстрое переключение, резистор с сопротивлением более 27 Ом нежелателен, поскольку скорость переключений упадет, а его потери, связанные с переключениями, существенно возрастут. Резисторы большего сопротивления, установленные последовательно с затвором, при переключении напряжения стока будут создавать кратковременные колебания. Различные схемы управления полевым МОП-транзистором представлены на рисунке 21.
Рисунок21 – Схемы управления полевым МОП-транзистором: а – пассивное включение; б – пассивное выключение; в – биполярный выходной двутактный каскад; г – выходной двутактный МОП-каскад; д – драйвер с изолирующим трансформатором