대형 패키지 MOSFET 드라이버 회로

먼저 MOSFET의 종류와 구조는,MOSFETFET(다른 하나는 JFET)이며 강화형 또는 공핍형, P채널 또는 N채널 총 4가지 유형으로 제조할 수 있지만 실제 적용에는 강화된 N채널 MOSFET과 강화된 P채널 MOSFET만 적용되므로 일반적으로 NMOS 또는 PMOS라고 하는 이 두 가지 종류를 나타냅니다. 이 두 가지 유형의 향상된 MOSFET의 경우 더 일반적으로 사용되는 것은 NMOS입니다. 그 이유는 온 저항이 작고 제조가 용이하기 때문입니다. 따라서 NMOS는 일반적으로 스위칭 전원 공급 장치 및 모터 구동 응용 분야에 사용됩니다.

다음 소개에서는 대부분의 사례가 NMOS에 의해 지배됩니다. MOSFET의 3개 핀 사이에 기생 용량이 존재하는데, 이는 필요하지 않지만 제조 공정 제한으로 인해 발생하는 기능입니다. 기생 용량이 존재하면 드라이버 회로를 설계하거나 선택하기가 약간 까다로워집니다. 드레인과 소스 사이에는 기생 다이오드가 있습니다. 이를 바디 다이오드라고 하며 모터와 같은 유도성 부하를 구동하는 데 중요합니다. 그런데 바디 ​​다이오드는 개별 MOSFET에만 존재하며 일반적으로 IC 칩 내부에는 존재하지 않습니다.

MOSFETNMOS이든 PMOS이든 스위칭 튜브 손실은 온 저항의 전도가 존재한 후 전류가 이 저항에서 에너지를 소비하게 되며 소비된 에너지의 이 부분을 전도 손실이라고 합니다. 온 저항이 낮은 MOSFET을 선택하면 온 저항 손실이 줄어듭니다. 요즘 저전력 MOSFET의 온-저항은 일반적으로 수십 밀리옴 정도이며, 몇 밀리옴도 가능합니다. MOSFET은 온과 오프가 동시에 완료되어서는 안 됩니다. MOSFET의 양단에 흐르는 전류가 증가하는 과정이 있습니다. 이 기간 동안 MOSFET의 손실은 전압과 전류의 곱이며 이를 스위칭 손실이라고 합니다. 일반적으로 스위칭 손실은 전도 손실보다 훨씬 크며, 스위칭 주파수가 빠를수록 손실도 커집니다. 전도 순간의 전압과 전류의 곱은 매우 커서 손실이 크다. 스위칭 시간을 단축하면 각 전도 시의 손실이 줄어듭니다. 스위칭 주파수를 줄이면 단위 시간당 스위치 수가 줄어듭니다. 이 두 가지 접근 방식 모두 스위칭 손실을 줄입니다.

바이폴라 트랜지스터와 비교하여 일반적으로 전류를 생성하는 데 전류가 필요하지 않다고 믿어집니다.MOSFETGS 전압이 특정 값 이상인 한 작동합니다. 이는 쉽지만 속도도 필요합니다. MOSFET의 구조에서 볼 수 있듯이 GS, GD 사이에는 기생 용량이 존재하며, MOSFET의 구동은 사실상 그 용량의 충전과 방전이 됩니다. 커패시터를 충전하려면 전류가 필요합니다. 커패시터를 순간적으로 충전하면 단락으로 보일 수 있으므로 순간 전류가 더 높아집니다. MOSFET 드라이버를 선택/설계할 때 가장 먼저 주의해야 할 점은 제공할 수 있는 순간 단락 전류의 크기입니다.

두 번째로 주목해야 할 점은 일반적으로 하이엔드 드라이브 NMOS에 사용되는 온타임 게이트 전압은 소스 전압보다 높아야 한다는 것입니다. 하이엔드 구동 MOSFET의 소스 전압과 드레인 전압(VCC)은 동일하므로 게이트 전압은 VCC보다 4V 또는 10V입니다. 동일한 시스템에서 VCC보다 더 큰 전압을 얻으려면 부스트 회로를 전문화해야 합니다. 많은 모터 드라이버에는 차지 펌프가 통합되어 있으므로 MOSFET을 구동하기에 충분한 단락 전류를 얻으려면 적절한 외부 정전 용량을 선택해야 한다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 4V 또는 10V는 일반적으로 사용되는 MOSFET 온 전압이므로 설계에는 물론 일정한 마진이 필요합니다. 전압이 높을수록 온 상태 속도는 빨라지고 온 상태 저항은 낮아집니다. 현재 다양한 분야에서 사용되는 더 작은 온 상태 전압 MOSFET도 있지만 12V 자동차 전자 시스템에서는 일반적으로 4V 온 상태이면 충분합니다. MOSFET의 가장 주목할만한 특징은 스위칭 특성이므로 널리 사용됩니다. 스위칭 전원 공급 장치 및 모터 구동과 같은 전자 스위칭 회로가 필요하고 조명 디밍도 필요합니다. 전도는 스위치 폐쇄와 동등한 스위치 역할을 의미합니다. NMOS 특성, 특정 값보다 큰 Vgs는 전도되며 게이트가 있는 한 소스가 접지된 경우(로우엔드 드라이브)에 사용하기에 적합합니다. 4V 또는 10V의 전압.PMOS 특성, 특정 값 미만의 Vgs가 전도되므로 소스가 VCC(하이엔드 드라이브)에 연결된 경우에 사용하기에 적합합니다. 그러나 PMOS는 하이엔드 드라이버로 쉽게 사용할 수 있지만, NMOS는 온 저항이 크고 가격이 비싸며 교체 유형이 적기 때문에 일반적으로 하이엔드 드라이버에 사용됩니다.

이제 MOSFET은 5V 전원 공급 장치를 사용할 때 저전압 애플리케이션을 구동합니다. 이번에는 전통적인 토템 폴 구조를 사용하는 경우 트랜지스터로 인해 약 0.7V의 전압 강하가 발생하여 실제 최종 최종 전압이 게이트에 추가됩니다. 전압은 4.3V에 불과합니다. 이때 특정 위험이 존재한다는 점을 고려하여 MOSFET의 공칭 게이트 전압을 4.5V로 선택했습니다. 3V 또는 기타 저전압 전원 공급 장치를 사용할 때도 동일한 문제가 발생합니다. 듀얼 전압은 로직 섹션이 일반적인 5V 또는 3.3V 디지털 전압을 사용하고 전원 섹션이 12V 이상을 사용하는 일부 제어 회로에서 사용됩니다. 두 전압은 공통 접지를 사용하여 연결됩니다. 이로 인해 저전압 측이 고전압 측 MOSFET을 효과적으로 제어할 수 있도록 하는 회로를 사용해야 하는 반면, 고전압 측 MOSFET은 1과 2에서 언급한 것과 동일한 문제에 직면하게 됩니다. 세 가지 경우 모두 토템 폴 구조는 출력 요구 사항을 충족할 수 없으며 많은 기성 MOSFET 드라이버 IC에는 게이트 전압 제한 구조가 포함되지 않은 것 같습니다. 입력 전압은 고정된 값이 아니며 시간이나 기타 요인에 따라 달라집니다. 이러한 변화로 인해 PWM 회로가 MOSFET에 제공하는 구동 전압이 불안정해집니다. 높은 게이트 전압으로부터 MOSFET을 안전하게 보호하기 위해 많은 MOSFET에는 게이트 전압의 진폭을 강제로 제한하는 전압 조정기가 내장되어 있습니다.

이 경우, 제공되는 구동 전압이 레귤레이터의 전압을 초과하면 큰 정적 전력 소비가 발생합니다. 동시에 단순히 저항 전압 분배기의 원리를 사용하여 게이트 전압을 낮추면 상대적으로 입력 전압이 높으면 MOSFET이 잘 작동하지만, 게이트 전압이 충분하지 않으면 입력 전압이 감소하여 불완전한 전도가 발생하여 전력 소비가 증가합니다.

여기에서는 NMOS 드라이버 회로에 대한 비교적 일반적인 회로를 간단히 분석합니다. Vl과 Vh는 각각 로우엔드 및 하이엔드 전원 공급 장치이며 두 전압은 동일할 수 있지만 Vl은 Vh를 초과해서는 안 됩니다. Q1과 Q2는 반전된 토템 폴을 형성하여 격리를 달성하는 동시에 두 개의 드라이버 튜브 Q3과 Q4가 동시에 켜지지 않도록 보장합니다. R2와 R3은 PWM 전압 레퍼런스를 제공하는데, 이 레퍼런스를 변경하면 회로가 잘 작동하도록 할 수 있으며, 게이트 전압이 부족하여 철저한 전도가 발생하여 전력 소모가 증가합니다. R2와 R3은 PWM 전압 레퍼런스를 제공합니다. 이 레퍼런스를 변경하면 회로가 상대적으로 가파르고 직선적인 위치의 PWM 신호 파형에서 작동하도록 할 수 있습니다. Q3 및 Q4는 온타임으로 인해 구동 전류를 제공하는 데 사용됩니다. Vh 및 GND에 비해 Q3 및 Q4는 Vce 전압 강하의 최소값일 뿐이며, 이 전압 강하는 일반적으로 0.3V 정도에 불과하여 훨씬 낮습니다. 0.7V Vce 이하의 R5, R6은 게이트 전압 샘플링을 위한 피드백 저항으로, 전압을 샘플링한 후 게이트의 전압을 게이트 전압에 대한 피드백 저항으로 사용하고, 샘플의 전압을 게이트 전압에 사용한다. R5와 R6은 게이트 전압을 샘플링하는 데 사용되는 피드백 저항기이며, 이 전압은 Q5를 통과하여 Q1과 Q2 베이스에 강한 네거티브 피드백을 생성하여 게이트 전압을 유한한 값으로 제한합니다. 이 값은 R5 및 R6으로 조정할 수 있습니다. 마지막으로 R1은 Q3 및 Q4에 대한 베이스 전류 제한을 제공하고, R4는 Q3Q4의 Ice 제한인 MOSFET에 대한 게이트 전류 제한을 제공합니다. 필요한 경우 R4 위에 가속 커패시터를 병렬로 연결할 수 있습니다.                                         

휴대용 장치 및 무선 제품을 설계할 때 제품 성능을 개선하고 배터리 작동 시간을 연장하는 것은 설계자가 직면해야 하는 두 가지 문제입니다. DC-DC 컨버터는 고효율, 높은 출력 전류 및 낮은 대기 전류라는 장점을 갖고 있어 휴대용 전원 공급에 매우 적합합니다. 장치.

DC-DC 컨버터는 고효율, 고출력 전류, 낮은 대기 전류 등의 장점을 갖고 있어 휴대용 기기에 전원을 공급하는 데 매우 적합합니다. 현재 DC-DC 컨버터 설계 기술 개발의 주요 추세는 다음과 같습니다. 고주파 기술: 스위칭 주파수가 증가함에 따라 스위칭 컨버터의 크기도 감소하고 전력 밀도가 크게 증가하며 동적 특성이 향상됩니다. 대응이 개선되었습니다. 작은

전력 DC-DC 컨버터 스위칭 주파수는 메가헤르츠 수준으로 상승합니다. 저출력 전압 기술: 반도체 제조 기술의 지속적인 발전으로 인해 마이크로프로세서 및 휴대용 전자 장비의 작동 전압은 점점 낮아지고 있으며, 이는 향후 DC-DC 컨버터가 요구되는 마이크로 프로세서 및 휴대용 전자 장비에 적응할 수 있는 낮은 출력 전압을 제공할 수 있습니다. 미래의 DC-DC 컨버터는 마이크로프로세서에 적응할 수 있는 낮은 출력 전압을 제공할 수 있어야 합니다.

마이크로프로세서 및 휴대용 전자 장비에 적용할 수 있는 낮은 출력 전압을 제공하기에 충분합니다. 이러한 기술 발전으로 인해 전원 공급 장치 칩 회로 설계에 대한 요구 사항이 더욱 높아졌습니다. 우선, 스위칭 주파수가 증가함에 따라 스위칭 부품의 성능이 향상됩니다.

스위칭 소자의 성능에 대한 요구 사항이 높으며 스위칭 소자의 스위칭 주파수가 메가헤르츠 수준까지 정상 작동할 수 있도록 해당 스위칭 소자 구동 회로가 있어야 합니다. 둘째, 배터리로 구동되는 휴대용 전자 장치의 경우 회로의 작동 전압이 낮습니다(예: 리튬 배터리의 경우).

리튬 배터리(예: 작동 전압은 2.5~3.6V)이므로 전원 공급 장치 칩의 전압은 더 낮습니다.

MOSFET은 매우 낮은 온 저항, 낮은 에너지 소비를 가지며, 현재 인기 있는 고효율 DC-DC 칩에서 전원 스위치로 더 많은 MOSFET을 사용합니다. 그러나 MOSFET의 큰 기생 용량으로 인해. 이로 인해 높은 작동 주파수 DC-DC 컨버터를 설계하기 위한 스위칭 튜브 드라이버 회로 설계에 대한 요구 사항이 더 높아졌습니다. 저전압 ULSI 설계에는 부트스트랩 부스트 구조를 사용하는 다양한 CMOS, BiCMOS 논리 회로와 큰 용량성 부하로 구동 회로가 있습니다. 이러한 회로는 1V 미만의 전압 공급 조건에서 제대로 작동할 수 있으며 부하 용량 1~2pF의 조건에서 작동할 수 있으며 주파수는 수십 메가비트 또는 수백 메가헤르츠에 도달할 수 있습니다. 본 논문에서는 부트스트랩 부스트 회로를 사용하여 저전압, 높은 스위칭 주파수 부스트 DC-DC 컨버터 구동 회로에 적합한 대용량 부하 용량 구동 기능을 설계했습니다. 하이엔드 MOSFET을 구동하기 위한 로우엔드 전압 및 PWM. MOSFET의 높은 게이트 전압 요구 사항을 구동하는 작은 진폭 PWM 신호.