أخبار التكنولوجيا

مقارنة الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة للقناة N والقناة P: ما هو الأفضل لتطبيقك؟



يعد تشغيل وحدات MOSFET عالية الجانب (HS) ذات قناة p بدون مصدر جهد إضافي أو مضخة شحن أمرًا بسيطًا، مما يؤدي إلى تصميمات مبسطة بشكل كبير، وتوفير المساحة، وتقليل عدد الأجزاء، وتحسين كفاءة التكلفة.

في حين أن الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) ذات القناة n تتطلب جهدًا موجبًا لمصدر البوابة لتنشيطها، فإن الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) ذات القناة p تحتاج إلى جهد مصدر البوابة السلبي. باستخدام عرض مقطعي، يوضح الشكل 1 الاختلافات بين MOSFETs ذات القناة n والقناة p.

تُعد ملفات المنشطات العكسية الخاصة بها هي التمييز الرئيسي: تعتمد الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة للقناة p على الثقوب باعتبارها حاملات الشحنة الأكبر، مما يولد تيار الثقب، بينما تستخدم الأجهزة ذات القناة n الإلكترونات، مما يؤدي إلى توليد تيار الإلكترون. بسبب قدرة الإلكترونات الفائقة على الحركة، أي ما يقرب من ضعفين إلى ثلاثة أضعاف حركة الثقوب، فإن تحريك الثقوب في جهاز ذي قناة p يكون أكثر صعوبة من الإلكترونات في جهاز ذي قناة n.

يؤدي هذا النهج إلى زيادة المقاومة على الحالة الخاصة بالمنطقة في دوائر MOSFET ذات القناة p مقارنةً بوحدات MOSFET ذات القناة n. وبالتالي، فإن تحقيق مقاومة مكافئة على الدولة (RDS (على)) الأداء غير عملي بالنسبة لوحدات MOSFET ذات القناة p التي لها نفس حجم الشريحة مثل وحدات MOSFET ذات القناة n.

الشكل 1: مقارنة مقطعية لوحدات MOSFET ذات القدرة n وp.
الشكل 1: مقارنة مقطعية لوحدات MOSFET ذات القدرة n وp

لتحقيق مقاومة مماثلة على الدولة RDS (على) مثل الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة ذات القناة n، تتطلب الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة ذات القناة p حجم قالب أكبر مرتين إلى ثلاث مرات. ونتيجة لذلك، في المزيد من التطبيقات ذات التيار العالي، حيث تكون خسائر التوصيل المنخفضة أمرًا بالغ الأهمية، فإن الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة ذات القناة p الكبيرة ذات R المنخفض جدًاDS (على)ليست الخيار الأمثل.

في حين أن حجم الشريحة الأكبر لجهاز القناة p يوفر أداءً حراريًا محسنًا، إلا أنه يظهر خسائر تحويل أعلى وسعات جوهرية أكبر. عندما يعمل النظام بتردد تحويل مرتفع، يؤثر هذا العيب بشكل كبير على الكفاءة الإجمالية والإدارة الحرارية وتكلفة النظام.

في التطبيقات منخفضة التردد ذات خسائر التوصيل الكبيرة، يجب أن يتطابق MOSFET ذو القناة p مع RDS (على)من MOSFET n-channel، والتي تتطلب مساحة شريحة أكبر. على العكس من ذلك، في التطبيقات عالية التردد التي تعطي الأولوية لفقد التبديل، يجب أن تتماشى MOSFET ذات القناة p مع إجمالي رسوم البوابة لنظيرها ذو القناة n، وغالبًا ما يكون لها حجم شريحة مماثل، ولكن تصنيف تيار أقل.

ولذلك، فإن تحديد MOSFET للقناة p الصحيحة يتطلب دراسة متأنية للجهاز RDS (على)وشحن البوابة (سز) المواصفات والأداء الحراري.

وحدات الطاقة P-Channel MOSFETs من Littelfuse

لقد خدمت الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة ذات القدرة P تقليديًا نطاقًا محدودًا من التطبيقات. ومع ذلك، فإن الزيادة الأخيرة في الطلب على تطبيقات الجهد المنخفض (LV) قد خلقت نطاقًا أوسع لدوائر الطاقة MOSFET ذات القناة p.

تقدم Littelfuse مجموعة من الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) ذات القدرة الصناعية المؤهلة ذات أعلى تصنيف لفئة الجهد، وأقل RDS (على)و سز، تصنيف طاقة الانهيار الجليدي العالي، وأداء التبديل الممتاز، ومنطقة التشغيل الآمنة الفائقة (SOA) مع الأداء الأفضل في فئتها في كل من الحزم الصناعية القياسية والمعزولة الفريدة.

تحتفظ وحدات MOSFET ذات طاقة Littelfuse ذات قناة p بالميزات الأساسية لدوائر MOSFET ذات طاقة n-channel المماثلة، مثل التبديل السريع، والتحكم الفعال في جهد البوابة، واستقرار درجة الحرارة الممتاز. إن بساطة حلول Littelfuse p-channel لتطبيقات النظام المنسق تجعلها جذابة لحلول نقاط التحميل غير المعزولة ومحولات الجهد المنخفض (< 120 فولت).

الشكل 2: محفظة MOSFET للطاقة ذات القناة P (المصدر: Littelfuse).
الشكل 2: حافظة الطاقة P-channel MOSFET (المصدر: Littelfuse)

يعرض الشكل 2 النقاط الرئيسية لوحدات MOSFET ذات القدرة p-channel التي تقدمها Littelfuse:

  • معيار P و PolarP™ الأجهزة المستوية ذات معدلات الجهد من -100 إلى -600 فولت وتصنيفات التيار من -2 إلى -170 أمبير.
  • بولار بي™ يوفر بنية خلية محسنة مع مقاومة منخفضة على الحالة الخاصة بالمنطقة وأداء تحويل محسن.
  • يوفر المعيار P أداء أفضل لـ SOA.
  • يستخدم Trench P بنية خلية بوابة الخندق الأكثر كثافة مع R منخفض جدًاDS (على)، وشحن بوابة منخفض، وصمام ثنائي سريع للجسم، وتبديل أسرع مع جهود الجهاز التي تتراوح من -50 فولت إلى -200 فولت وتيارات من -10 أمبير إلى -210 أمبير.
  • IXTY2P50PA (-500 فولت، -2 أمبير، 4.2 أوم) هو أحدث إضافة إلى المجموعة وهو أول MOSFET طاقة قناة P من فئة AEC-Q101 للسيارات من Littelfuse.

تعمل دوائر MOSFET ذات القناة p من Littelfuse على تشغيل مجموعة واسعة من تطبيقات السيارات والتطبيقات الصناعية مثل:

  • حماية البطارية,
  • عكس حماية قطبية،
  • مفاتيح تحميل HS,
  • محولات DC-DC,
  • أجهزة الشحن على متن الطائرة، و
  • محولات الجهد المنخفض.

الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة للقناة P في تطبيقات نصف الجسر

يوضح الشكل 3 التباين بين الدوائر التي تستخدم دوائر MOSFET التكميلية وتلك التي تستخدم دوائر MOSFET ذات القناة n. توجد دوائر MOSFET ذات القناة N بشكل شائع في مرحلة الطاقة في تطبيقات نصف الجسر (HB). ومع ذلك، تتطلب محولات HS ذات القناة n دائرة تمهيدية لتوليد جهد بوابة عائم فيما يتعلق بمصدر HS MOSFET أو مصدر طاقة معزول لتشغيله، كما هو موضح في الشكل 3 أ.

ومن ثم، فإن ميزة استخدام الأجهزة ذات القنوات n تأتي على حساب التعقيد المتزايد في تصميم مشغل البوابة، مما يؤدي إلى المزيد من جهد التصميم واستخدام المساحة. عندما تعمل MOSFET ذات القناة p كمفتاح HS في هذا التكوين، كما هو موضح في الشكل 3 ب، يمكنها تبسيط تصميم برنامج التشغيل بشكل كبير. يمكن للمصمم إزالة مضخة الشحن لتشغيل مفتاح HS، ويمكن لوحدة MCU التحكم بسهولة في MOSFET للقناة p من خلال ناقل مستوى بسيط. يقلل هذا الأسلوب من جهد التصميم وعدد الأجزاء، مما يؤدي إلى تصميم فعال من حيث التكلفة يستخدم المساحة بكفاءة.

الشكل 3: تبسيط برنامج تشغيل HS في تطبيق HB من أ) قناة n إلى قناة MOSFET ب) كمحول HS.
الشكل 3: تبسيط برنامج تشغيل HS في تطبيق HB من a) قناة n إلى b) MOSFET للقناة p كمحول HS

عكس حماية قطبية

تعد حماية القطبية العكسية أحد إجراءات سلامة النظام لمنع مخاطر الحريق المحتملة والأضرار في حالة توصيل مصدر طاقة معكوس. يوضح الشكل 4 أ حماية القطبية العكسية التي يتم تنفيذها باستخدام MOSFET بقدرة القناة p. عندما يتم توصيل البطارية بشكل صحيح، يقوم الصمام الثنائي الداخلي بالجسم بالتوصيل حتى يتم تنشيط قناة MOSFET. في حالة التوصيل العكسي للبطارية، يكون الصمام الثنائي للجسم متحيزًا عكسيًا، حيث تكون البوابة والمصدر على نفس الإمكانية، وبالتالي يتم إيقاف تشغيل MOSFET للقناة p. يقوم صمام ثنائي زينر بتثبيت جهد بوابة MOSFET للقناة p، مما يحميه في حالة مستويات الجهد العالية بشكل مفرط.

الشكل 4: استخدام MOSFET طاقة القناة p من أجل أ) حماية القطبية العكسية و ب) مفتاح التحميل.
الشكل 4: استخدام MOSFET طاقة القناة p من أجل أ) حماية القطبية العكسية و ب) مفتاح التحميل

تحميل التبديل

تقوم مفاتيح التحميل بتوصيل أو فصل سكة الجهد الكهربي بحمل معين، مما يوفر طريقة فعالة من حيث التكلفة ومباشرة للنظام لإدارة الطاقة بكفاءة.يوضح الشكل 4 ب دائرة تستخدم MOSFET طاقة القناة p لمفتاح التحميل. يتم تشغيل هذه الدائرة بواسطة إشارة تمكين منطقية (EN) للتحكم في مفتاح تحميل القناة p عبر قناة MOSFET Q ذات الإشارة الصغيرة1. عندما تكون EN منخفضة، Q1مطفأ، ويتم سحب بوابة القناة p إلى Vمضرب.

على العكس من ذلك، عندما تكون EN عالية، Q1يتم تنشيطه، وتأريض بوابة القناة p، وتشغيل مفتاح التحميل. إذا كان Vمضربيتجاوز جهد عتبة MOSFET للقناة p، ويمكن تشغيله عندما تكون EN عالية، مما يلغي الحاجة إلى مصدر جهد إضافي لتحيز البوابة، وهو أمر ضروري لدوائر MOSFET ذات القناة n. هناك حاجة إلى المقاوم التسلسلي للحد من التيار، كما يلزم وجود صمام ثنائي زينر لتثبيت جهد البوابة إلى أقصى قيمة.

DC-DC متزامن باك ومحولات دفعة

في محولات DC-DC منخفضة الطاقة مثل محول الجهد المتزامن في الشكل 5أ، يؤدي استخدام جهاز قناة p كمفتاح HS إلى تبسيط الدائرة وتوفير المساحة، مما يلغي الحاجة إلى دوائر قيادة البوابة الخارجية. كما أنه يقلل من فاتورة المواد (BOM)، مما يؤدي إلى كفاءة التكلفة.

وبالمثل، يمكن لجهاز P-channel أن يحل محل الصمام الثنائي ذي الجهد الأمامي المنخفض كمقوم متزامن للخرج في محولات التعزيز المتزامنة، كما هو موضح في الشكل 5 ب. يعمل هذا الأسلوب على تحسين كفاءة المحول بسبب تحسين رقم الاستحقاق (FoM = RDS (على)* سز) من قناة MOSFET ف.

الشكل 5: استخدام الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) للطاقة المنخفضة أ) باك متزامن وب) محول دفعة متزامن.
الشكل 5: استخدام الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) للطاقة المنخفضة أ) الجهد المتزامن و ب) محول التعزيز المتزامن

الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) ذات القناة P في تطبيقات الجهد المنخفض

مع تقدم تطبيقات الجهد المنخفض (LV) الحالية، تستمر وحدات MOSFET ذات القناة p من Littelfuse في إثبات تنوعها في تلبية الاحتياجات المتطورة لإلكترونيات الطاقة المستقبلية. إن استخدام الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFETs) للقناة p يمكّن المصممين من تقديم تصميم دوائر مبسط وموثوق للغاية ومحسّن في تطبيقات السيارات والتطبيقات الصناعية المتقدمة.

يجب على مهندسي تصميم الإلكترونيات تقييم المفاضلة بين RDS (على)و سزعند اختيار MOSFET p-channel لتحقيق الأداء الأمثل لتطبيقات محددة.

المقالة مقارنة الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة للقناة N والقناة P: ما هو الأفضل لتطبيقك؟ ظهرت لأول مرة على أخبار إلكترونيات الطاقة.

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *