Ремонт принтеров, сканнеров, факсов и остальной офисной техники


назад Оглавление вперед




[1]

основываясь на необходимой для перезаряда емкости величине заряда. Для большинства силовых полевых транзисторов могут оказаться полезными следующие формулы:

CGD,ave - 2 * CRSS,spec

COSS,ave - 2 * COSS,spec

DS,spec VDS,off

VDS,spec VDS,off

Следующий важный параметр - это внутреннее сопротивление вывода затвора, RG,I. Это паразитное сопротивление включено последовательно с входным сигналом и находится внутри корпуса, и при высоких скоростях переключения его влияние чрезвычайно сильно, поскольку расположено оно между внешним драйвером и входной емкостью транзистора и, следовательно, прямо влияет на скорость переключения. К этому эффекту производители относятся весьма серьезно, так, например, в радиочастотных полевых транзисторах используется металлический затвор вместо полисиликонового с его высоким сопротивлением. Вызывает большое сожаление тот факт, что сопротивление RG,I не приводится в спецификациях на транзисторы - в большинстве случаев его роль весьма и весьма значительна. В конце этой статьи, в Приложении А4, мы рассмотрим способ определения величины этого сопротивления с помощью мостовой схемы.

Очевидно, что порог открывания транзистора, V-шдоже является важным параметром. Здесь следует заметить, что его величина в спецификациях дается для температуры +25°С и очень маленького тока, обычно 250мкА. Следовательно, это напряжение не соответствует плато Миллера на известной диаграмме входного сигнала при переключении полевого транзистора. Другой факт - о котором часто забывают - это температурный коэффициент VTH, равный примерно -7мВ/°С. Об этом необходимо помнить при разработке схем управления полевыми транзисторами с низким порогом включения (Logic Level MOSFET), у которых и специфицированное при нормальных условиях значение VTH весьма мало. Поскольку силовые полевые транзисторы обычно работают при повышенных температурах, при разработке схем управления мы должны учитывать наименьшее значение VTH для гарантированного выключения транзистора и его способности оставаться в этом состоянии при резких изменениях напряжения. Примеры расчетов приведены в Приложении А и F.

Крутизна характеристики полевого транзистора, являющаяся одним из его малосигнальных параметров в линейном режиме работы, весьма важна и для ключевого режима работы, поскольку и при включении, и при выключении полевого транзистора он должен пройти через линейный режим, где ток через прибор определяется напряжением между его стоком и истоком. Крутизна характеристики, gfs, есть отношение на малом сигнале между током стока и входным напряжением:

g - dtD

Соответственно, максимальный ток через полевой транзистор в линейном режиме: :D - (VGS - VTH) * gfs

Решая это выражение относительно VGS, можно получить величину плато Миллера как функцию от тока стока:

VGS,Miller - VTH +

Другие важные параметры, такие как индуктивность истока (LS) и индуктивность стока (LD), тоже значительно ухудшают частотные свойства полевого транзистора. Как правило, величины LS и LD приводятся в спецификациях на транзисторы, и зависят они в основном от типа корпуса. Их эффект может быть оценен совместно как с внешними паразитными элементами схемы (обычно они связанны с топологией платы), так и с внешними компонентами, такими как индуктивность рассеяния, резистивный датчик тока и т. п.

Наконец, необходимо отметить, что сопротивление внешнего затворного резистора и импеданс драйвера являются наиболее важными факторами, определяющими скорость переключения полевого транзистора и, соответственно, динамические потери в нем.


3. Ключевой режим

Рис. 3 Модель ключевого режима с индуктивной нагрузкой

/ g

Теперь, когда мы разобрались во внутренней структуре полевого транзистора, можно рассмотреть его поведение в ключевом режиме. Для лучшего понимания фундаментальных процессов, временно пренебрежем внутренними паразитными индуктивностями; их влияние потом проанализируем отдельно. Кроме того, описание работы будет относиться к работе на задемпфированную индуктивную нагрузку, поскольку такой режим работы полевого транзистора наиболее характерен для источников питания.

Простейшая модель транзистора в ключевом режиме с индуктивной нагрузкой приведена на рис. 3, где индуктивность представлена как источник постоянного тока - в течении короткого времени переключения изменением тока в индуктивности можно пренебречь. Диод образует путь прохождения тока, когда полевой транзистор выключен, и притягивает вывод стока к выходному напряжению (изображено как батарея).

Процесс включения

Как показано на рис. 4, процесс включения полевого транзистора может быть разбит на четыре временных интервала. I

На первом интервале заряжается входная емкость транзистора от 0В до VTH. В течении этого периода большинство затворного тока идет на заряд конденсатора CGS, и небольшой ток течет через конденсатор CGD (напряжение на затворе увеличивается и напряжение на CGD слегка уменьшается). Этот интервал известен как задержка включения, поскольку не изменяется ни ток через транзистор, ни напряжение на нем.V

Как только напряжение на затворе достигаетGS

порогового уровня, транзистор начинает проводить ток. На втором интервале входное напряжение возрастает от VTH до уровня плато Миллера, VGSMffler. Это чисто линейный режим работы транзистора - выходной ток прямо пропорционален входному напряжению. На стороне затвора, как и в первом интервале, ток течет через CGS и CGD , на выходе через транзистор начинает протекать ток, а напряжение на стоке остается неизменным на уровне VDSoff. Этот эффект становится понятен, если взглянуть на схему на рис. 3. Транзистор еще не способен пропустить ток, достаточный для снижения напряжения на его стоке до уровня запирания диода, и через его открытый переход напряжение на стоке зафиксировано на уровне входного напряжения.

Третий период начинается, когда напряжение на затворе достигает величины VGSMaier , достаточной для начала прохождения тока через транзистор, и выходной диод закрывается. Соответственно, напряжение на стоке начинает падать, но напряжение на затворе остается постоянным. Этот процесс и образует плато Миллера на диаграмме включения полевого транзистора. Весь ток, на который способен драйвер, идет на перезаряд емкости CGD для обеспечения максимально быстрого изменения напряжения сток-исток. Ток через транзистор

теперь остается постоянным и ограничен внешними элементами схемы, в нашем случае величиной IDC.

Последний интервал процесса включения полевого транзистора характеризуется максимальным уменьшением сопротивления канала из-за дальнейшего увеличения управляющего напряжения. Напряжение на затворе увеличивается от VGSMffler до своего максимального значения VRDV, и весь входной ток идет на дальнейший заряд

Рис. 4 Процесс включения транзистора


CGS и перезаряд CGD. Выходной ток при этом остается неизменным, а напряжение сток-исток немного уменьшается, поскольку уменьшается сопротивление канала.

Процесс выключения

Процесс выключения полевого транзистора, представленный на рис. 5, можно разбить на те же самые четыре шага, что и процесс включения, но только в обратном порядке. Перед началом процесса транзистор пропускает через себя весь ток нагрузки, в нашем примере IDC, и напряжение на нем определяется падением от тока нагрузки на сопротивлении открытого канала RDC(on).

Первый интервал, известный как задержкой выключения, характеризуется разрядом входной емкости транзистора CISS с начального уровня до уровня плато Миллера. Ток драйвера протекает через паразитные конденсаторы CGS и CGD. Ток через транзистор остается неизменным, а напряжение сток-исток слегка увеличивается (из-за увеличения сопротивления открытого канала).

Во время второго интервала, относящемуся к плато Миллера на диаграмме, напряжение сток-исток транзистора увеличивается со значения ID-RDS(on) до максимального значения, в нашем случае до уровня выходного напряжения, после чего открывается демпфирующий диод. Весь ток драйвера идет на перезаряд конденсатора CGD, поскольку напряжение на затворе остается постоянным, а напряжение на стоке возрастает. Также, этот ток протекает через конденсатор фильтра на VDRV, и вычитается из тока стока. Общий ток стока равен току нагрузки, в нашем примере IDC на рис. 3.

Третий интервал начинается с момента открывания диода и образования альтернативного пути для тока нагрузки. Напряжение на затворе падает от VGS,Miller до VTH, и основной ток драйвера идет на разряд емкости CGS, поскольку CGD оказался практически полностью перезаряженным в течении предыдущего периода. Транзистор находится в линейном режиме, и уменьшение напряжения исток-затвор приводит к уменьшению тока стока, который падает практически до нуля в конце интервала. Напряжение на стоке транзистора остается

постоянным, "привязанным" через открытый диод к выходному напряжению.

Последний, четвертый, период характеризуется неизменными напряжением и током через транзистор. Входная емкость его (как и в предыдущем периоде в основном образованная конденсатором CGS) продолжает разряжаться до нуля.

Резюмируя, можно сказать, что процессы переключения полевого транзистора между полностью открытым и полностью закрытым состояниями можно разбить на четыре интервала, и их продолжительность зависит от величин паразитных элементов, тока драйвера и от напряжения на транзисторе. Все эти параметры чрезвычайно важны при разработке высокоскоростных переключающих устройств.

Времена задержек включения и выключения, времена спада и нарастания напряжения обычно приводятся в спецификациях на полевые транзисторы. К сожалению, эти величины даются для конкретных условий тестирования и при резистивной нагрузке, что весьма затрудняет сравнение полевых транзисторов различных производителей. К тому же на практике, особенно при реальной индуктивной нагрузке, ключевые свойства транзисторов значительно отличаются от заявленных в спецификациях.

Рис. 5 Процесс выключения транзистора



[стр.Начало] [стр.1] [стр.2] [стр.3] [стр.4] [стр.5] [стр.6] [стр.7] [стр.8] [стр.9] [стр.10] [стр.11] [стр.12] [стр.13] [стр.14] [стр.15] [стр.16]