菜菜 • 来自相关话题

3月前

成都--模拟IC设计工程师、模拟版图工程师

微信:861112547成都--模拟ic设计工程师,模拟版图工程师,欢迎自荐和推荐,欢迎自荐和推荐。

微信:861112547




成都--模拟ic设计工程师,模拟版图工程师,欢迎自荐和推荐,欢迎自荐和推荐。

菜菜 • 来自相关话题

4月前

成都、厦门--模拟ic设计工程师,模拟版图工程师

微信:861112547成都厦门--模拟ic设计工程师,模拟版图工程师,欢迎推荐

微信:861112547



成都厦门--模拟ic设计工程师,模拟版图工程师,欢迎推荐

mmfan #电源完整性 #信号完整性 #ADS • 来自相关话题

5月前

ADS的信号完整性和电源完整性仿真应用方案

随着数据传输速率的快速增加,从而使得以前微秒(us)量级的边沿或保持时间减少到纳秒(ns)甚至皮秒(ps)。如此高的带宽需求使得传统的设计解决方案已经很难满足系统正常工作的需求。另外,随着集成电路的工艺发展使得集成度越来越高,导致芯片上电流密度急速增加,使信号 ...查看全部


随着数据传输速率的快速增加,从而使得以前微秒(us)量级的边沿或保持时间减少到纳秒(ns)甚至皮秒(ps)。如此高的带宽需求使得传统的设计解决方案已经很难满足系统正常工作的需求。另外,随着集成电路的工艺发展使得集成度越来越高,导致芯片上电流密度急速增加,使信号完整性的问题更加严重。因此非常有必要从整个系统设计开始就考虑信号完整性与电源完整性的问题。这就需要在设计前后把信号完整性和电源完整性仿真引入到设计流程中。

 

    信号完整性和电源完整性产品设计的各个阶段都需要考虑。是德科技在信号完整性和电源完整性领域提供了一套整体的解决方案,包括芯片建模、板级仿真、系统仿真以及产品研发和生产的测试,如下图1所示:

图1是德科技信号完整性和电源完整性流程

    芯片的建模和系统级的仿真主要使用SystemVue。在信号完整性和电源完整性方面,主要应用ADS和EMPro。因为ADS中有丰富的模型、操作的灵活性以及对外部的模型也有非常好的兼容性,所以ADS应用于信号完整性和电源完整性前仿真和后仿真中。接下来,给大家介绍下ADS在信号完整性和电源完整性仿真方面的应用。

   不管是在信号完整性中,还是电源完整性中,对于很多器件,包括芯片的封装、传输线、过孔、连接器、线缆、电容等无源器件都会应用S参数来表征其特性,对于一个完整的通道就需要对很多个S参数进行级联,在ADS中可以非常方便的级联各类S参数,并非常灵活的进行S参数仿真以及数据的处理,如下图2是对多个S参数的级联仿真:

图2 S参数仿真拓扑结构

    对于单一的S参数,可以在ADS中直接通过S参数查看器,检查S参数的单端和混合模式的结果,如下图3所示,在S参数查看器中,还可以检查S参数的无源性、互易性、相位以及Smith图。

图3S参数查看器

    通过S参数仿真之后,在数据显示窗口,可以查看结果曲线,也可以进一步处理数据,加入规范模板等等。图4是仿真完成后处理S参数仿真结果:

图4 S参数仿真结果显示

    在高速电路中,阻抗匹配非常重要,阻抗不匹配会导致信号的反射、波形非单调、误码率增加等等,所以在进行高速电路设计之初,工程师都会考虑使用微带线、带状线还是共面波导结构,并设计一些特定的阻抗类型的传输线,比如单端50ohm、差分85ohm或者100ohm等等。在ADS中采用CILD(Controlled  Impedance Line Designer)可以快速的计算传输线的阻抗,并且可以对层叠结构、传输线参数、材料参数等扫描优化,获得目标参数,如下图5所示,左图为计算50ohm的单端传输线,右图为通过优化差分对的线间距,获得90ohm差分线设计参数。

图5阻抗计算

在现代电子产品追求小而精的状况下,串扰是每一位工程师必须面对的问题。如何设计可以使串扰最小且不增加成本,是工程师们的追求。在进行PCB设计之前,都可以通过ADS进行串扰仿真,以获得最优的设计,特别是在设计之初,可以对影响串扰的每一个参数进行扫描仿真,选择最合适的设计值,如下图6所示为对耦合长度进行扫描仿真的原理图和仿真结果:

图6串扰仿真

    从上图的结果中在500mil~1500mil之间,近端串扰随着耦合长度的增加而增加,在1500mil之后,近端串扰达到饱和值。这只是一个粗略值的仿真,如果需要获得更精确的结果,可以进一步的减小仿真的范围。工程师也可以在ADS SIPro中对完成的PCB进行串扰的仿真,这样可以更进一步的对设计进行评估。    

    在高速串行信号链路中,基本上都会涉及到过孔的设计。过孔设计是高速串行链路设计的一个关键点,关系到高速串行链路设计的成败。工程师可以通过ADS Via Designer工具对过孔进行优化设计,如下图7所示:

图7 Via Designer

    通过Via Designer仿真之后,可以查看过孔损耗和阻抗的特性,并输出S参数模型以及3D结构模型,这些模型也可以直接应用在传输链路仿真中,如下图8所示:

图8过孔模型应用在串行通道仿真中

    不管是计算机系统还是嵌入式系统,目前都大规模的采用了DDR3或者DDR4。不论是DDR3还是DDR4,其信号和电源系统的设计都是一个难点,所以不管是前仿真还是后仿真,都需要进行详细的仿真。在ADS中,工程师可以通过两种方式进行DDR3/4总线的仿真,一种是瞬态仿真,如下图9所示;一种是DDR Bus总线仿真,如下图10所示。通过仿真,可以优化、确定DDR总线的布线拓扑结构、端接电阻以及ODT的选择等等。

图9  DDR3--瞬态仿真

图10 DDR4--DDR Bus仿真

    对于高速串行总线,通常对误码率有比较严苛的要求,要求误码率非常低,这才符合总线规范的要求,所以在不管是仿真还是测试,都需要有足够多的采样点数或者特殊的数学算法才能满足分析误码率的要求。另外,随着信号速率的不断提高,单纯依靠芯片简单的驱动能力无法应对信号在传递过程中的衰减,所以在高速串行总线的芯片中就会增加加重和均衡的算法,对于仿真而言,也需要有新的分析方法,这就需要使用ADS中的通道仿真(ChannelSim),如下图11所示为一个通道仿真的拓扑结构,其中包含了发送端和接收端的芯片模型、传输通道上的传输线以及连接器以及串扰通道和串扰源。芯片的模型采用的是IBIS-AMI模型。

图11 通道仿真拓扑结构

       仿真完成之后,在数据显示窗口上查看波形、浴盆曲线、眼图等结果。如下图12所示:

图12 通道仿真结果

在信号完整性前仿真中,工程师不仅仅可以分析既定的一些情况,还可以针对一些不确定的情况做一些统计分析、良率的分析,比如,分析传输线长度、线宽、介电常数、介质损耗角等参数对通道的插入损耗和回波损耗的影响。图13为良率分析的拓扑结构和分析结果:

图13 良率分析

    前面介绍了前仿真,主要是针对原理图阶段的仿真,目的是验证原理图设计以及给PCB设计提供约束规则。那么当PCB设计完成之后,还需要进行后仿真,这时需要把设计好的PCB文件导入到ADS中,然后再通过SIPro和PIPro进行信号完整性和电源完整性的后仿真,仿真完之后,获得结果;也可以把仿真的结果或者提取的模型导出到ADS原理图页面,做进一步的仿真。具体流程如下图14所示:

图14 后仿真流程

    在ADS SIPro中进行信号完整性的后仿真可以获得S参数模型,同时可以查看信号网络的阻抗,并能导出S参数模型,如下图15和图16所示:

图15 SIPro中PCB仿真图

图16 SIPro仿真后的S参数和阻抗曲线

    在ADS PIPro中可以进行电源完整性的直流压降仿真(PI DC)、直流电热联合仿真(Electro-Thermal)、热仿真(Thermal)、交流阻抗仿真(PI AC)和平面谐振仿真(Power Plan Resonance)。如下图17为直流压降仿真结果,图18为交流阻抗仿真结果。

图17 直流压降仿真结果

图18 PDN阻抗仿真结果

在PIPro中还可以对不满足PDN阻抗要求的设计进行去耦电容自动优化,通过对不同的电容组合、电容种类进行自动分析,找到一种最合适的设计。也可以把PDN的S参数提取之后导出到ADS原理图中,在原理图中也可以进行优化仿真分析。

    当然,也可以在前仿真中对电源完整性进行仿真,这样可以对电容的组合进行优化。在ADS原理图中建立相应的拓扑结构,如下图19所示:

图19 电容阻抗仿真

    在信号完整性仿真阶段,EMPro也是不可或缺的工具,特别是对于一些比较复杂的结构,比如具有芯片封装、连接器、线缆的互连通道,就需要使用EMPro进行电磁模型的提取。如下图20所示EMPro中进行芯片封装的仿真:

图20 芯片封装仿真

    随着技术的发展,信号完整性和电源完整性设计和仿真也变得更加的复杂,这对工具的要求也越来越高。比如近几年比较热门的PAM4,虽然这个仿真依然使用的是通道仿真技术,但是其所需要的仿真激励源已经变得更加的复杂。所幸的是,是德科技也持续的在研发新的技术,利用ADS2017可以非常方便的对PAM4进行仿真。

     总之,不管是信号完整性和电源完整性的前仿真还是后仿真,或者,不管是板级的仿真还是系统的仿真,是德科技都能提供一套非常系统的解决方案(ADS+EMPro+SystemVue)。

--------------------- 

免责申明:本文转载或整理于网络,版权归原作者所有。如涉及作品版权问题,请与我们联系。如若转载请联系原作者。

mmfan #反射式滤波 #吸收式滤波 #纹波 #电源滤波 • 来自相关话题

5月前

浅谈电源滤波原理和避免干扰方法

滤波电容可以降低电源的交流阻抗,原因就是实际电源总有内阻,传输线路也有阻抗,去耦电容可以让一部分瞬间变化的电流直接在电容上交换。DC/DC电源电路具有功耗低,功率高的优点,吸收式滤波有电容和电容电路构成,可以将噪声彻底消除。DC/DC电路噪声:纹波和噪声DC/ ...查看全部

滤波电容可以降低电源的交流阻抗,原因就是实际电源总有内阻,传输线路也有阻抗,去耦电容可以让一部分瞬间变化的电流直接在电容上交换。DC/DC电源电路具有功耗低,功率高的优点,吸收式滤波有电容和电容电路构成,可以将噪声彻底消除。

DC/DC电路噪声:纹波和噪声

DC/DC电源电路具有功耗低,功率高的优点,但同时由于DC/DC电路转换通过开关方式完成,造成不可避免的噪声引入,具体为电源电路的纹波和噪声。

在高速电路设计中,高端芯片往往对电源的纹波和噪声有比较严格的要求,一般要求电源纹波控制在电源电压的1%之内,而噪声应限制在电源电压的3%-5%之内。对DC/DC电源而言,虽然效率比LDO更高,但由于其工作依赖不断开关的MOSFET,导致纹波和噪声都相对较大。

纹波和噪声都是电源的波动。

纹波:☞电源波动中的低频成分,一般低于5MHz,产生原因为MOSFET的开关动作。

噪声:☞电源波动中的高频成分,一般高于5MHz,且成分较复杂,一般包括MOSFET的开关噪声、白噪声,以及周围信号的干扰等。

浅谈电源滤波原理和避免干扰方法

对于纹波和噪声的消除方法,常见的有吸收式滤波和反射式滤波:

吸收式滤波:吸收式滤波有电容和电容电路构成,可以将噪声彻底消除。

反射式滤波:由π,T或L或LC滤波电路组成,其原理是使直流信号无衰减的通过滤波电路,而频率较高的纹波和噪声则被返回至源端。利用了滤波电路的阻抗失配达成滤波效果。其特点是滤波电路并不能将噪声完全消除,干扰仍然存在于电路中。根据源端阻抗和负载端阻抗的不同,有以下四种反射式滤波电路可供选择。DC/DC电路中常用(a)和(c)。

浅谈电源滤波原理和避免干扰方法

由于LC滤波电路的滤波原理是反射,干扰仍会存在于电路中,因此为避免这些干扰对其他电路的影响,需要采取其他一些措施:

增加滤波电容。单纯的电容和磁珠都具有将噪声完全滤除噪声的作用。

浅谈电源滤波原理和避免干扰方法

如上图所示,为减小输入端电源电路的干扰对电源电路的影响,需在A处放置电源滤波电路,其效果是将干扰反射回3.3V电源平面,而为避免反射的这些干扰对其他3.3V器件的影响,要在B处放置若干滤波电容。

将磁珠串联在LC滤波电路上,利用磁珠吸收电源干扰。如下图所示

浅谈电源滤波原理和避免干扰方法

这样既发挥了LC滤波电路的反射功能,又充分利用了磁珠对纹波和噪声等干扰的吸收功能。


--------------------- 

免责申明:本文转载或整理于网络,版权归原作者所有。如涉及作品版权问题,请与我们联系。如若转载请联系原作者。

mmfan • 来自相关话题

5月前

Diode Characteristics

Although they are a simple device, diodes do have a number of traits to consider. These traits are often application dependent. So ...查看全部

Although they are a simple device, diodes do have a number of traits to consider. These traits are often application dependent. Some applications include: rectifiers, signal ORing, transistor turn off, freewheeling (inductors and motors) and of course specialized functions such as LEDs and voltage references.

The diode, like its triangular symbol, passes current in one direction while blocking current as well as voltage in the opposite direction. The theory is based on a semiconductor junction and the orientation of the doped regions. The most basic of these is the PN junction diode.

The Basic Diode Symbol, Composition, Package View and Graph (Courtesy of Electronic & Electrical Engineer's Guide)

The Basic Diode Symbol, Composition, Package View and Graph (Courtesy of Electronic & Electrical Engineer’s Guide)

The diode biases on, “automatically” passing current with a low forward voltage drop typical values of which are 0.7 V for PN junctions diodes and 0.3 V for Schottky diodes. Operation occurs in the first quadrant where both voltage and current are positive. The fourth quadrant is the blocking voltage and resulting leakage current. Most of the power loss is calculated based on these two operating points. However, rapid switching of the diode introduces power loss in the form of voltage and currents that are present during switching.

Turn ON waveforms (Courtesy of Vishay)

Turn ON waveforms (Courtesy of Vishay)

Turn OFF waveforms (Courtesy of Vishay)

Turn OFF waveforms (Courtesy of Vishay)

Reverse recovery also plays a role in power loss. This is an area where technology is advancing with new semiconductor materials such as SiC. Many different types of semiconductors are used for diode applications such as GaN and GaAs. The advantages span the needs, based on faster recovery times, higher blocking voltages, and enhanced current capacity.

Reverse Recovery Time Comparisons (Courtesy of Research Gate image)

Reverse Recovery Time Comparisons (Courtesy of Research Gate image)

Because they are semiconductors that operate on an energy gap principle, the introduction of heat in a diode changes its characteristics. Power loss generates heat. Therefore, the power loss would include Ptotal = Pconduction + Pblocking + Pturnoff + Pturnon. Fortunately, turn off losses are averaged over the turn off time. Otherwise they could become quite significant due to the amount of voltage and current that’s present.

One final thought about diodes is, they are not invincible. Diodes have an energy pulse rating for single even as well as repetitive energy absorption in periodic applications. Understanding these limits and the effect on the device’s performance can save headaches. For insurance, it might be better to parallel or series diodes just to spread the stress a little. Unlike siblings, they tend to share well.

References

  1. Vishay application note Rectifiers

  2. The Signal Diode, Electronic & Electrical Engineer's Guide September 25, 2014

  3. Research Gate image

https://www.ednchina.com/news/201809diode.html


mmfan • 来自相关话题

5月前

半导体散热和结温分析

电气设计仅仅是电子产品的开始。散热是创建可靠设计的基础。半导体器件是能量增强型器件,散热在性能和产品生存中起着重要作用。开关功率损耗取决于频率。随着速度的进步,功耗也在增加。因此,有必要知道器件产生多少热量以及如何顺利散发热量。电气设计只是电子产品的开始,散热 ...查看全部

电气设计仅仅是电子产品的开始。散热是创建可靠设计的基础。半导体器件是能量增强型器件,散热在性能和产品生存中起着重要作用。开关功率损耗取决于频率。随着速度的进步,功耗也在增加。因此,有必要知道器件产生多少热量以及如何顺利散发热量。


电气设计只是电子产品的开始,散热是任何可靠设计都要考虑的重要部分。这篇有关散热设计的文章对老练的工程师来说是温故知新,对菜鸟级工程师来说则是一个新的概念。

半导体达不到100%的效率,功耗会以热能形式散发和转移。由于半导体是靠电能才能工作的器件,散热无论在性能和产品使用寿命方面都起着重要作用。不管是模拟还是数字器件,情况都一样。开关功耗与频率有关,随着半导体和电子产品速度的提升,功耗随之增加。因此,了解器件会产生多少热能以及如何有效散热是很有裨益的。

我们在开始讨论半导体结温议题之前,需要先了解热抗和热阻这两个概念。热抗跟时间有关,而热阻跟稳态工作有关。想象一下在电烤炉上给平底锅加热的情况。需要一段时间才会热起来,对不对?半导体结温也是一样的道理。而热量从半导体结散掉也需要一点时间。明白这个原理是避免器件被烧坏的关键。

功耗主要是由于同时存在电压和电流的传导、开关和瞬态动作所导致。功耗的单位是瓦特。电压乘以电流等于功率(瓦特=伏特×安培)。计算一小段时间的功率,就能得出瞬态热温。然后计算出一段时间内的平均值,就可以得到半导体结的稳态温升数值。

计算功耗是以瓦特为单位,而热阻就是以每瓦特多少摄氏度(℃/W)来衡量。使用因子标签方法,借用由Diodes公司提出的方法和数学公式,我们可以得到:

Rth(JX Θ ) = (Tj –Tx) / P

其中P是从半导体结流向“X”点的耗散功率(热量)。理想情况下,在这个测量过程中,接近100%的功耗应该从结流向“X”点。该数值只取决于热流路径的物理属性,而与功耗大小及该器件所在的电路板尺寸无关。

请注意,希腊字符“theta(θ)”是以℃/W表示的热阻。借助维基百科来查证,我们可以看到热导通路的热阻无非就是一系列串联的电阻,如图1所示。

DI2-F1-201804

图1:热导通路的热阻无非就是一系列串联的电阻。


(图片来源:维基百科)


现在我们对通路上的温升或温降应该有了基本概念。当然,也有受到外部环境影响的情况,例如高环境温度、空气流动或窒塞,甚至周围器件的发热等。然而,这个公式还是可以让我们了解半导体器件在某些点的温度,这就可以解释为什么表面贴装器件不会直接焊接在印刷电路板(pcb)上。

在电气分析中,电阻是不具有时变特性的组件。但是,从以上分析我们知道,半导体器件的阻抗是变化的。为了达到均衡电阻的目的,电气工程师将电容与电阻并联,由此产生指数曲线以抵消由简单的数学公式计算出的电阻变化。从某种意义上说,我认为这是电气工程师由于学不好那些烦人的热力学课程而对机械工程师的报复。

作为散热设计的开场白和入门篇,本文就讲这么多吧。一如既往,欢迎反馈意见,以激发更多关于发热/散热主题的讨论。我也提供了一些有价值的参考资料,讲述了半导体结温散热设计方面的问题。TI的应用笔记也解释了封装、表面贴装以及其它一些好东西。另外,来自Diodes公司、科罗拉多大学和Cheggs的参考资料则更深入地涉及了器件物理学方面的知识。

物理学?听起来不错的学位,但要拿到可不容易。我很庆幸自己熬过来啦,但现在我的孩子又在遭受化学的煎熬。他想靠汽车设计谋生,不明白为何要学这些没用的知识呢?这些事总是让我想起我在大学物理考试中总是排在全班倒数1/3的惨痛经历。请记住我的经验!实际问题的解决者总是选择去查找答案,而不是硬性记住那些最终会忘记的东西。

《电子技术设计》2018年4月刊版权所有,转载请注明来源及链接。

mmfan • 来自相关话题

5月前

P沟道和N沟道MOSFET在开关电源中的应用

自1980年代中期以来,MOSFET一直是大多数开关电源(SMPS)选择的晶体管技术。MOSFET用作主开关晶体管,并用作门控整流器来提高效率。本设计实例对P沟道和N沟道增强型MOSFET做了比较,以便选择最适合电源应用的开关。自1980年代中期以来,MOSF ...查看全部

自1980年代中期以来,MOSFET一直是大多数开关电源(SMPS)选择的晶体管技术。MOSFET用作主开关晶体管,并用作门控整流器来提高效率。本设计实例对P沟道和N沟道增强型MOSFET做了比较,以便选择最适合电源应用的开关。


自1980年代中期以来,MOSFET一直是大多数开关电源(SMPS)首选的晶体管技术。当用作门控整流器时,MOSFET是主开关晶体管且兼具提高效率的作用。为选择最适合电源应用的开关,本设计实例对P沟道和N沟道增强型MOSFET进行了比较。

对市场营销人员,MOSFET可能代表能源传递最佳方案(Most Optimal Solution for Energy Transfer)的缩写。对工程师来说,它代表金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)。

由于具有较低的导通电阻(RDS(on))和较小尺寸,N沟道MOSFET在产品选择上超过了P沟道。在降压稳压器应用中,基于栅控电压极性、器件尺寸和串联电阻等多种因素,使用P沟道MOSFET或N沟道MOSFET作为主开关。同步整流器应用几乎总是使用N沟道技术,这主要是因为N沟道的RDS(on)小于P沟道的,并且通过在栅极上施加正电压导通。

MOSFET多数是载流子器件, N沟道MOSFET在导电过程中有电子流动。 P沟道在导电期间使用被称为空穴的正电荷。电子的流动性是空穴的三倍。尽管没有直接的相关性,就RDS(on)而言,为得到相等的值,P沟道的管芯尺寸大约是N沟道的三倍。因此N沟道的管芯尺寸更小。

N沟道MOSFET在栅-源极端子上施加适当阈值的正电压时导通;P沟道MOSFET通过施加给定的负的栅-源极电压导通。

MOSFET的栅控决定了它们在SMPS转换器中的应用。例如,N沟道MOSFET更适用于以地为参考的低侧开关,特别是用于升压、SEPIC、正向和隔离反激式转换器。在同步整流器应用以及以太网供电(PoE)输入整流器中,低侧开关也被用来代替二极管作为整流器。P沟道MOSFET最常用作输入电压低于15VDC的降压稳压器中的高侧开关。根据应用的不同,N沟道MOSFET也可用作降压稳压器高侧开关。这些应用需要自举电路或其它形式的高侧驱动器。

DI5-F1-201803

图1:具有电平移位器的高侧驱动IC。


DI5-F2-201803

图2:用自举电路对高侧N沟道MOSFET进行栅控。


极性决定了MOSFET的图形符号。不同之处在于体二极管和箭头符号相对于端子的方向。

DI5-F3-201803

图3:P沟道和N沟道MOSFET的原理图。注意体二极管和箭头相对漏极(D)和源极(S)端子的方向。


极性和MOSFET工作特性

极性决定了MOSFET的工作特性。 对N沟道器件为正的电流和电压对P沟道器件为负值。

DI5-F4-201803

图4:MOSFET第一象限特征。


在有充足电压施加到栅-源极端子的欧姆区域(ohmic region),MOSFET“完全导通”。在对比图中,N沟道欧姆区的VGS是7V,而P沟道的是-4.5V。

随着栅极电压增加,欧姆曲线的斜率变得更陡,表明器件导电能力更强。施加的栅极电压越高,MOSFET的RDS(on)就越小。在某些应用中,对MOSFET进行栅控的是可以提供令人满意的RDS(on)的电压。额外的栅极电压会因½C x Vgs x Vgs x f产生功耗,其中栅极电荷和开关频率在确定MOSFET技术的最终工作点和选用方面起着重要作用。

MOSFET既可工作在第一象限,也可工作在第三象限。没有施加栅-源极电压时,寄生体二极管导通。当栅极没有电压时,流入漏极的电流类似于典型的二极管曲线。

DI5-F5-201803

图5:未栅控N沟道MOSFET工作于第三象限的典型特性。


施加栅极电压时,根据VGS的值会产生非线性曲线。当VGS超过10V时,N沟道MOSFET完全在第三象限欧姆区内工作。然而,当栅极电压低于10V时,二极管电压钳位于各种漏极电流水平。在非线性曲线中见到的弯曲是二极管和欧姆区之间的转变点。

DI5-F6-201803

图6:施加栅极电压时,N沟道MOSFET工作在第三象限的典型特性。


表1对N沟道MOSFET和P沟道MOSFET进行了比较。

DI5-T1-201803

表1:N沟道和P沟道MOSFET的比较。


《电子技术设计》2018年3月刊版权所有,转载请注明来源及链接。



mmfan • 来自相关话题

5月前

智能负载管理和负载电流感测

对大部分负载管理电路来说,MOSFET正在迅速取代继电器成为首选的开关技术,电力电子系统的维护成本也随之降低。本文讲述了输出电流的控制和感测基础,并分析了一种智能负载管理产品。随着微处理器对电力电子控制能力的增强,管理负载电流益发行之有效,而不再是不堪的恶梦。 ...查看全部

对大部分负载管理电路来说,MOSFET正在迅速取代继电器成为首选的开关技术,电力电子系统的维护成本也随之降低。本文讲述了输出电流的控制和感测基础,并分析了一种智能负载管理产品。


随着微处理器对电力电子控制能力的增强,管理负载电流益发行之有效,而不再是不堪的恶梦。在本文中,我们从基本的输出电流控制和感测开始,然后介绍一种智能负载管理产品。

输出电流控制技术随半导体开关的进步而发展。对大多数负载管理电路来说,MOSFET晶体管正在迅速取代继电器成为所选择的开关技术。有两种方法可将MOSFET晶体管插入到电路中:

  1. 作为高侧P沟道开关

2 作为低侧N沟道开关

对两种MOSFET晶体管类型做一个快速回顾,我们可以记起来,P沟道MOSFET是通过将栅极电压拉到比源极电压更低来进行栅控的;而N沟道MOSFET的栅极是由比源极更高的电压来导通的。另外,其电流方向是相反的。这两个因素决定了与馈入负载的电压和电流相关的开关方向。

DI7-F1-201806

图1:N沟道和P沟道MOSFET。


图2显示了P沟道MOSFET作为负载开关时的优势:P沟道控制电流流入地面,而N沟道控制电流流出地面(通常称为“返回”)。

DI7-F2-201806

图2:P沟道器件作为负载开关时具有优势。


在这两种情况下,栅极电压都必须超过器件的阈值电压,才能将器件作为欧姆区(ohmic region)中的开关完全开启。请注意,这里的讨论集中在增强型P沟道和N沟道MOSFET。不同类型的JFET具有不同的栅控要求。

DI7-F3-201806

图3:本文着眼于增强型MOSFET。


从器件操作回到负载管理电路,图4所示是将高压侧p-FET用作开关元件,它还用了一个安森美的N沟道efuse产品。

DI7-F4-201806

图4:高压侧p-FET作为开关元件。


图5所示是低侧(返回侧)n-FET作为开关元件,使用了安森美的N沟道efuse产品。虽然N沟道MOSFET比P沟道MOSFET约小三分之一,因此成本也更低,但由于P沟道MOSFET能保持合适的接地参考(参考图5中N沟道n-FET开关位置,对地参考“隔断”),所以使用P沟道MOSFET进行负载管理更好。

DI7-F5-201806

图5:低侧(返回侧)n-FET作为开关元件。


efuse是一个重要的进步,因为它允许在极性反接、输出短路或过电流情况下开启电路。以类似的方式,也可以监测和控制流过开关的电流。事实上,如果栅控不正确,会发生开关振荡。

尽管半导体不会像继电器那样表现出开关反弹,但仍有可能出现不需要的振铃。

本文将着眼于高侧电流感测。高侧电流感测可以通过模拟电路进行控制,同时高侧电流的数字控制也在向更高水平推进。这些开关内置了智能功能,包括可以反馈给微处理器的可编程电流水平和数字化电流水平读数。这些信息被存储在专门处理事件定时采样的微处理器中,从而创建记录水平历史。然后使用软件确定负载电流随时间的变化。该信息与编程的阈值进行比较,并能提醒用户发生的变化。

在继电器负载的情况下,利用这些信息可以对即将发生的组件故障发出告警。这种智能负载管理产品可以作为一个单独实体运行,也可与智能电源一起使用。与智能电源一起使用时,可以采用RS-485通信进行可编程负载监控和实时更新。

负载管理能力的增强正在改变电力行业。数字控制能力变得更精确、更可调,系统性能和可靠性也得到提高,因而能够预测故障。这样的话,便不必再仅仅为了更换一条熔断的保险就下派技术人员到现场,从而降低了维护成本。

原文刊登在EDN姊妹网站Planet Analog,参考链接Intelligent Load Management and Load Current Sensing

《电子技术设计》2018年6月刊版权所有,转载请注明来源及链接。


mmfan • 来自相关话题

5月前

ADC基础及技术比较

这个世界既是模拟的,也常常被我们切割成一个个数字碎片。随着通信数字化和计算能力的提高,信号被转换成更易传输、在数学上更易计算的数字。信号转换过程是个模拟到数字的过程,这促使了模数转换器(ADC)的问世。数字信号与时钟频率同步。根据奈奎斯特标准,ADC的采样速率 ...查看全部

这个世界既是模拟的,也常常被我们切割成一个个数字碎片。随着通信数字化和计算能力的提高,信号被转换成更易传输、在数学上更易计算的数字。信号转换过程是个模拟到数字的过程,这促使了模数转换器(ADC)的问世。


数字信号与时钟频率同步。根据奈奎斯特标准,ADC的采样速率应至少是被数字化的模拟输入信号最高频率的两倍。该频率被称为奈奎斯特采样率。

DI6_F1_201802

图1:ADC采样率。


如图2所示,ADC的量化粒度(granularity)随采样率和分辨率的增加而增多。 y轴是分辨率,实际上是ADC的位数。x轴是采样率。

DI6_F2_201802

图2:ADC精度取决于采样率和分辨率。


位数是以2的幂来定义的。因此,一个8位ADC将有28或256位的分辨率。对于一个简单的3位ADC转换器示例,其分辨率显示在图3的阶梯式类比中,其中y轴显示了三位数的ADC编码,x轴显示了信号电压范围及增量。

DI6_F3_201802

图3:ADC数字编码与输入电压。


刚接触数字信号的人,可以这么看:使用“1”和“0”的二进制只不过是把值为“1”的位看成开关的开,把值为“0”的位看成开关的关。它与源于我们人类双手手指个数的十进制计数系统截然不同。电子电路不容易实现十位开关。因此,焦点集中在更快的开关晶体管并导致追求高频的狂热。

有几个因素在数字化信号时起作用。它们在电压检测电平间产生诸如量化误差之类的误差,其它误差包括信号的非线性。

误差不限于ADC的模拟端。噪声和时钟抖动也影响数字信号。

不同类型的ADC有不同的(误差)源。ADC的基本类型包括:

  1. Flash ADC;

  2. Sigma-delta ADC;

  3. 双斜率ADC;

  4. 逐次逼近ADC。

在选用ADC时一般是基于速度和精度。ADC的位数越多,精度就越高,速度就越慢(因每一位都增加一个时钟周期)。图4对各类ADC的速度和精度进行了比较。

DI6_F4_201802

图4:不同ADC技术比较。


尽管ADC是数字器件,但每种ADC技术的前端都涉及大量模拟技术。另外,可用的通信总线类型有助于选择过程,因为许多串行链路对带宽或位数有限制。同任何产品一样,所需的性能越高、速度越快,复杂性和成本就越高。这导致ADC市场的不断扩大、应用的不断扩展,这与传感器市场类似。与传感器市场同样类似的是,随着技术的发展、功能的提高,ADC也在不断进步。

《电子技术设计》2018年2月刊版权所有,转载请注明来源及链接。


mmfan • 来自相关话题

5月前

半导体元件的温度系数:正与负

半导体产品具有不同类型的温度系数。为了用好电阻或正向压降及其随温度的变化等参数,设计师必须充分理解各种器件的温度系数。首先解释一下正温度系数和负温度系数的区别。照例,维基百科对两者的区别做出了很好的解释。下面是一些基础知识:如果一个元件的电阻随着温度的上升而减 ...查看全部

半导体产品具有不同类型的温度系数。为了用好电阻或正向压降及其随温度的变化等参数,设计师必须充分理解各种器件的温度系数。


首先解释一下正温度系数和负温度系数的区别。照例,维基百科对两者的区别做出了很好的解释。下面是一些基础知识:

  • 如果一个元件的电阻随着温度的上升而减小,那么这个元件就具有负温度系数。

  • 如果一个元件的电阻随着温度的上升而增加,那么这个元件就具有正温度系数。

  • 在电阻与温度关系图中很容易看出温度系数的正负极性。随着温度的上升,正斜率指示的是正温度系数,负斜率指示的是负温度系数。

本文将讨论流行的功率半导体的温度系数及其在电路中的正确处理。维基百科对半导体温度系数有权威描述。

半导体电阻的负温度系数

半导体材料温度的上升将使载流子浓度提高,这将导致更多数量的载流子复合,从而提高半导体的电导率。电导率的提高使半导体材料的电阻随温度的上升而减小,形成电阻的负温度系数。

对于基础半导体理论,特别是基于结点的器件,比如双极结型晶体管(BJT)和二极管,这是完全正确的。然而,像MOSFET和IGBT等元件事实上有电阻性沟道,会影响温度系数的行为。

在工程技术学校,半导体理论总是从半导体结点产生的具有不同p和n浓度的能隙开始讲起。通过将能量注入半导体,电子获得热能,进而补充电子能量,这样传导时就要求更少的正向偏置电流。同样,当阻断电压时,二极管结点的漏电流随温度上升而增加。在一个功率因子校正电路中我首次亲眼看到一些600V硅肖特基二极管开始碎裂。随着它们的快速扩张,波形呈熔岩灯式扩张。幸运的是,在危险发生之前我切断了电路。只要提一下摩托罗拉不再开展半导体业务就能够理解了。下面来看图吧。

从图1中可以看出,正向电压随温度上升而下降。正向电压的这种改变是可预测的,因此经常作为测量独立器件结点温度的一种方法。

DI1_F1_201709

图1:正向电压随温度上升而下降。


前面提到的温度系数趋势与硅有关。碳化硅(SiC)和氮化锗(GaN)等较新材料的温度变化与硅有很大区别。

至于MOSFET,它们有着如图所示的正温度系数,其中的Rds(on)随温度上升而增加。这是由MOSFET基底本身的电阻和器件的厚度造成的。更厚的器件可以承受更高的电压,因此具有更高的导通电阻。

DI1_F2_201709

图2:导通电阻 vs 栅-源电压。


MOSFET电阻随温度上升而增加并不全是坏事。它能帮助平衡并联的MOSFET之间的电流,因为电流总是流向具有最小电阻的路径。

IGBT其实是一种介于BJT和MOSFET之间的混合器件。IGBT的IG或绝缘栅极部分指的是触发器件的MOSFET;BT指的是双极晶体管(实际上是其中两个),用于传导大部分电流。从下面的IC与VCE图中的IGBT曲线可以看出这一点,它不像MOSFET那样提供基于电阻的图形。注意斜率改变处的交叉点。

DI1_F3_201709

图3:IC与VCE图中的IGBT曲线。


铜具有正温度系数,其电阻随着电流的增加而增加。下面是我从参考文献中引用的一段文字,它对此进行了很好的阐述:

“对导体而言,当温度上升时电阻会增加,因为电子与振动原子碰撞得更频繁。这会减少电子的漂移速度(因此电流会减小)。所以导体电阻具有正温度系数。”

来自主要功率电路元件的温度系数影响会提高或降低效率。此外,它们会改变元件的温升。理解这些行为将有益于设计的可靠性和性能。

《电子技术设计》2017年9月刊版权所有,转载请注明来源及链接。