Thông báo

Collapse
No announcement yet.

MOSFET Gate Driver IC Design

Collapse
X
Collapse
 
  • Trang of 2
  • Lọc
  • Giờ
  • Show
Clear All
new posts
Trước 1 2 template Next
  • #1

    MOSFET Gate Driver IC Design

    Chào mọi người,

    Em là một sinh viên năm cuối và đang làm đề tài về thiết kế một MOSFET Gate Driver IC. Hiện tại, thầy hướng dẫn và em cũng chưa có ý tưởng gì cho việc thiết kế mạch này nên đến giờ vẫn đang dậm chân tại chỗ, vì thế mới lên đây nhờ mọi người giúp đỡ về các khoản sau:
    1. Kiểm tra xem hiểu biết của em có đúng không? Mạch MOSFET Gate Driver là mạch nhận tín hiệu điều khiển từ vi điều khiển (tín hiệu khá yếu) và sinh ra một tín hiệu điều khiển điện áp cực gate của MOSFET công suất, điều khiển MOSFET công suất này ON hoặc OFF (và em cũng chỉ biết đến thế, không hơn, không kém).
    2. Đề xuất cho em một flow để em thực hiện đề tài này, chẳng hạn như tìm hiểu cái gì trước, sử dụng công cụ nào, ....

    Em xin chân thành cảm ơn!
    Tags: None
  • #2
    Chào bạn alechxandor,

    TÍn hiệu ra của vi điều khiển ngày nay có thể trực tiếp điều khiển MOSFET công suất ở ngoài. Tui nhiên MOSFET ở ngoài thường là loại công suất lớn nên, mặc dù trực tiếp điều khiển MOS ở ngoài ON, OFF được nhưng nó lại tạo ra delay lớn. Vì vậy mới sinh ra cái mạch chèn ở giữ( cáci mà bạn gọi là MOS gate driver ) để giảm delay mà vẫn ON, OFF MOS công suất ở ngoài được. Như vậy mục tiêu là của mạch MOSFET Gate Driver là làm giảm delay. Bạn lấy cái này ra làm mục tiêu thiết kế thôi. Những mạch ứng dụng có sử dụng MOS công suất lớn để đóng ngắt bảo vệ mạch ở điện áp cao chẳng hạn thì thông số delay rất quan trọng vì đóng ngắt chậm thì cháy nổ có thể xảy ra. Như vậy bạn muốn làm luận văn cái mạch này thì bạn phải lấy một cái mạch ứng dụng cụ thể ra để xem xét cái đã. Tuy nhiên như mình thấy ngày nay các Vi điều khiển đều tích hợp MOSFET Gate Driver trên I/O luôn. Và MOS gate driver này họ cho kiêm luôn bảo vệ ESD cho IC.

    Mình nghĩ bạn nên làm luận văn về thiết kế ESD_IO cho IC chắc thú vị hơn. Trong ESD_IO digital cũng có MOSFET gate diver đó.

    Thân,

    Comment

    • #3
      Nguyên văn bởi ngoclinh_xl Xem bài viết
      Chào bạn alechxandor,

      TÍn hiệu ra của vi điều khiển ngày nay có thể trực tiếp điều khiển MOSFET công suất ở ngoài. Tui nhiên MOSFET ở ngoài thường là loại công suất lớn nên, mặc dù trực tiếp điều khiển MOS ở ngoài ON, OFF được nhưng nó lại tạo ra delay lớn. Vì vậy mới sinh ra cái mạch chèn ở giữ( cáci mà bạn gọi là MOS gate driver ) để giảm delay mà vẫn ON, OFF MOS công suất ở ngoài được. Như vậy mục tiêu là của mạch MOSFET Gate Driver là làm giảm delay. Bạn lấy cái này ra làm mục tiêu thiết kế thôi. Những mạch ứng dụng có sử dụng MOS công suất lớn để đóng ngắt bảo vệ mạch ở điện áp cao chẳng hạn thì thông số delay rất quan trọng vì đóng ngắt chậm thì cháy nổ có thể xảy ra. Như vậy bạn muốn làm luận văn cái mạch này thì bạn phải lấy một cái mạch ứng dụng cụ thể ra để xem xét cái đã. Tuy nhiên như mình thấy ngày nay các Vi điều khiển đều tích hợp MOSFET Gate Driver trên I/O luôn. Và MOS gate driver này họ cho kiêm luôn bảo vệ ESD cho IC.

      Mình nghĩ bạn nên làm luận văn về thiết kế ESD_IO cho IC chắc thú vị hơn. Trong ESD_IO digital cũng có MOSFET gate diver đó.

      Thân,

      Chào anh ngoclinh_xl

      Đúng như anh nói phần trên, cái mạch em thiết kế có mục đích là giảm delay xuống mức tối đa. Nhưng mạch của em là nằm trong một con chip khác được thiết kế mới hoàn toàn nên mới phải thiết kế mạch này. Anh có hướng dẫn gì thì chỉ bảo dùm em.

      Comment

      • #4
        Nguyên văn bởi alechxandor Xem bài viết


        Chào anh ngoclinh_xl

        Đúng như anh nói phần trên, cái mạch em thiết kế có mục đích là giảm delay xuống mức tối đa. Nhưng mạch của em là nằm trong một con chip khác được thiết kế mới hoàn toàn nên mới phải thiết kế mạch này. Anh có hướng dẫn gì thì chỉ bảo dùm em.
        Chào bạn alechxandor,

        Ý bạn là con chíp mà bạn đang làm sẽ làm riêng chứ không chung với con POWER MOS ?
        Nếu vậy thì nhiều vấn đề lắm. Đôi khi làm xong không khéo delay còn lớn hơn. Với ý tưởng của bạn thì vi điều khiển sẽ dùng mức áp nhỏ 3.3 đến 5V còn con POWER MOS là loại công suất lơn và dùng điện áp lớn 5V, 12V hoặc 24 cũng nên. Vậy nên mạch của bạn cũng phải dùng áp ngang với áp mà POWER MOS đang dùng. Nhưng nếu POWER MOS dùng ngang áp với vi điều khiển cũng không vấn đề gì nhỉ .

        Để giảm delay thì người ta hay dùng kỹ thuật logical effort (http://en.wikipedia.org/wiki/Logical_effort ) và cổng logic dạng latch. Hai có này có thể áp dụng đời thời trên mạch của bạn.


        Comment

        • #5
          Nguyên văn bởi ngoclinh_xl Xem bài viết

          Chào bạn alechxandor,

          Ý bạn là con chíp mà bạn đang làm sẽ làm riêng chứ không chung với con POWER MOS ?
          Nếu vậy thì nhiều vấn đề lắm. Đôi khi làm xong không khéo delay còn lớn hơn. Với ý tưởng của bạn thì vi điều khiển sẽ dùng mức áp nhỏ 3.3 đến 5V còn con POWER MOS là loại công suất lơn và dùng điện áp lớn 5V, 12V hoặc 24 cũng nên. Vậy nên mạch của bạn cũng phải dùng áp ngang với áp mà POWER MOS đang dùng. Nhưng nếu POWER MOS dùng ngang áp với vi điều khiển cũng không vấn đề gì nhỉ .

          Để giảm delay thì người ta hay dùng kỹ thuật logical effort (http://en.wikipedia.org/wiki/Logical_effort ) và cổng logic dạng latch. Hai có này có thể áp dụng đời thời trên mạch của bạn.

          Không anh, mạch của em gồm luôn cả con MOSFET công suất đó (chắc chắn sẽ dùng NFET).

          Comment

          • #6
            Anh rất mừng là thầy giáo của em đã rất thực tế rồi, làm chip đó thì khả năng thương mại hóa ở VN sẽ cao hơn rất nhiều chip vi xử lý.

            Giờ có mấy điểm em cần lưu ý:
            - chân Source của MOSFET luôn luôn nối với GND không? Nếu có thì tốt, nếu không em cần xử lý vấn đề chênh điện áp. Tín hiệu điều khiển là so với GND, nhưng tín hiệu điều khiển Gate là giữa Gate và Source.
            - size của MOSFET to không, tụ nhìn vào Gate là bao nhiêu? Từ đó em xác định được load cho mạch driver rồi xác định cần bao nhiêu dòng để bring VGS từ 0V lên tới mức ON trong khoảng thời gian delay cho phép. Ví dụ anh cần VGS đi từ 0V lên tới 2.5V trong thời gian 20ns với tụ tương đương 100pF thì em cần dòng bao nhiêu?
            - đa phần cấu trúc gate drive là Inverter, tuy nhiên cần customize cho hai ý trên mà anh đề cập. Ngoài ra thì cần quan tâm tới điện áp claim cho cực gate của PowerMOS nữa. Do em dùng nguyên tắc dòng đổ vào tụ nên sẽ gây spike tại thời điểm mạch inverter chuyển trạng thái, điện áp này rất dễ gây hỏng mạch.

            Tạm thế đã, có gì cần cứ đưa lên đây. À mà em thích thực tập chỗ anh không? Nhắn tin anh nhé
            • 1 like

            Comment

            • #7
              Nguyên văn bởi hithere123 Xem bài viết
              Anh rất mừng là thầy giáo của em đã rất thực tế rồi, làm chip đó thì khả năng thương mại hóa ở VN sẽ cao hơn rất nhiều chip vi xử lý.

              Giờ có mấy điểm em cần lưu ý:
              - chân Source của MOSFET luôn luôn nối với GND không? Nếu có thì tốt, nếu không em cần xử lý vấn đề chênh điện áp. Tín hiệu điều khiển là so với GND, nhưng tín hiệu điều khiển Gate là giữa Gate và Source.
              - size của MOSFET to không, tụ nhìn vào Gate là bao nhiêu? Từ đó em xác định được load cho mạch driver rồi xác định cần bao nhiêu dòng để bring VGS từ 0V lên tới mức ON trong khoảng thời gian delay cho phép. Ví dụ anh cần VGS đi từ 0V lên tới 2.5V trong thời gian 20ns với tụ tương đương 100pF thì em cần dòng bao nhiêu?
              - đa phần cấu trúc gate drive là Inverter, tuy nhiên cần customize cho hai ý trên mà anh đề cập. Ngoài ra thì cần quan tâm tới điện áp claim cho cực gate của PowerMOS nữa. Do em dùng nguyên tắc dòng đổ vào tụ nên sẽ gây spike tại thời điểm mạch inverter chuyển trạng thái, điện áp này rất dễ gây hỏng mạch.

              Tạm thế đã, có gì cần cứ đưa lên đây. À mà em thích thực tập chỗ anh không? Nhắn tin anh nhé
              Chào anh hithere123
              Em cũng xin trả lời những phản hồi của anh như sau:
              1. Chân source không nối với đất. Mà thầy em cũng đang thiết kế một mạch tham chiếu điện áp (không biết có phải để giải quyết cái này hay không?)
              2. Hiện tại ở trường vẫn chưa có thư viện dành cho thiết kế công suất (chỉ có gpdk180 thôi), thầy em đang cố gắng làm việc để xin được cái này nên vẫn chưa layout được con mosfet để trích xuất tham số dành cho mô phỏng. Ngoài ra bọn em cũng đang cố gắng dùng Verilog-A để mô hình nó xem có được không (đang tìm hiểu nhưng không biết có tác dụng hay không).
              3.1 Ý tưởng của em cũng chính là inverter và sử dụng kỹ thuật phân tích trì hoãn: logical effort và parasitic delay, nhưng chưa biết thế nào vì chưa có con mosfet công suất để thử nghiệm.
              3.2 Về điện áp claim cho gate và vấn đề spike thì em chưa đụng tới, chắc chắn em sẽ tìm hiểu sau.

              Comment

              • #8
                Mosfet công suất thì W thường rất lớn để cho dòng ra lớn vì thế C giửa gate và bulk lớn....mục đích của mạch driver mosfet là bơm dòng điện I vào tụ C để có thể bật tắt mosfet nhanh...có nhiều mạch thực hiên chức năng này trên pcb thì người ta thường xài mạch LC, nhưng khi tích hợp thì thường xài inverter hay còn gọi là buffer or driver,tầng đầu tiên W nhỏ để tụ C nhìn vào cực gate nhỏ đễ dễ driver sau đó tỉ số W/L sẽ tăng theo hàm mũ do W lớn nên khả năng sink or source dòng lớn nên có thể nạp or xả tụ C nhanh
                bạn có thể làm mạch giống mình....mạch này soruce nối đất nên dễ điều khiển...còn nếu source ko nối đất bạn có thể thêm mạch boostrap để đẩy áp lên cao nữa để bật tắt mos

                Comment

                • #9
                  [ATTACH=CONFIG]n1633156[/ATTACH]
                  Attached Files
                  1 Photo

                  Comment

                  • #10
                    Nguyên văn bởi btpd Xem bài viết
                    Mosfet công suất thì W thường rất lớn để cho dòng ra lớn vì thế C giửa gate và bulk lớn....mục đích của mạch driver mosfet là bơm dòng điện I vào tụ C để có thể bật tắt mosfet nhanh...có nhiều mạch thực hiên chức năng này trên pcb thì người ta thường xài mạch LC, nhưng khi tích hợp thì thường xài inverter hay còn gọi là buffer or driver,tầng đầu tiên W nhỏ để tụ C nhìn vào cực gate nhỏ đễ dễ driver sau đó tỉ số W/L sẽ tăng theo hàm mũ do W lớn nên khả năng sink or source dòng lớn nên có thể nạp or xả tụ C nhanh
                    bạn có thể làm mạch giống mình....mạch này soruce nối đất nên dễ điều khiển...còn nếu source ko nối đất bạn có thể thêm mạch boostrap để đẩy áp lên cao nữa để bật tắt mos
                    Em cảm ơn anh đã hỗ trợ, nhưng hiện tại em đang bí ở phần con mosfet công suất vì không có nó để mô phỏng. Ngoài ra, em cũng không có pdk phù hợp cho thiết kế những loại mạch như thế này (ở trường chỉ có gpdk180 thôi).

                    Comment

                    • #11
                      Trong PDK của bạn ko có power mosfet cũng ko sao....bạn lên mạng tìm model của con power mosfet rời rồi add model nó vào cadence virtuoso(lấy con mos trong analogLib) or Hspice....chú ý là cú pháp của model trong cadence khác trong hspice...cứ google cú pháp từng cái là dc

                      Comment

                      • #12
                        Nguyên văn bởi btpd Xem bài viết
                        Trong PDK của bạn ko có power mosfet cũng ko sao....bạn lên mạng tìm model của con power mosfet rời rồi add model nó vào cadence virtuoso(lấy con mos trong analogLib) or Hspice....chú ý là cú pháp của model trong cadence khác trong hspice...cứ google cú pháp từng cái là dc
                        Chào anh,
                        Em đã thử tải một model về và simulate bằng HSPICE cùng với topo mạch mà anh đã post nhưng có báo lỗi như sau:
                        " **error** nsub <= ni in mosfet model 0ower
                        reset to 1e15"

                        Đây là model file level 3 em dùng:

                        Đây là netlist em viết:
                        Code:
                        MOSFET GATE DRIVER WITH POWER NFET

.include  'model_level_3.txt'
.option scale=1u  post
.param supply=3
.global gnd vdd

Vdd  vdd  gnd  'supply'
VDS  VDS  GND  20
VIN  VIN  GND  'supply'

M0  VDS  AN  gnd  gnd  POWER

M1  AN  BN  GND  GND  N_1u  W=30  L=1
M2  AN  BN  VDD  VDD  P_1u  W=60  L=1

M3  BN  CN  GND  GND  N_1u  W=1  L=1
M4  BN  CN  VDD  VDD  P_1u  W=2  L=1

M5  CN  VINB  GND  GND  N_1u  W=1  L=1
M6  CN  DN  VDD  VDD  P_1u  W=2  L=1

M7  DN  VIN  GND  GND  N_1u  W=1  L=1
M8  DN  CN  VDD VDD  P_1u  W=2  L=1

M9  VINB  VIN  GND  GND  N_1u  W=1  L=1
M10  VINB  VIN  VDD  VDD  P_1u  W=2  L=1

.PROBE  i(M0)

.end
                        topo mạch:

                        Nhờ anh xem lại gỡ lỗi dùm em.

                        Em cảm ơn.
                        Attached Files

                        Comment

                        • #13
                          MOSFET công suất là tên gọi thế thôi chứ chúng cũng được làm ra từ mosfet thông thường cả. Bạn cứ lấy nhiều mos thông thường rồi cho W max, L min, rồi cho giá trị Multi phù hợp với dòng bạn chọn là oke thôi. Không cần phải model này nọ làm gì.

                          Có một số PDK như BCD chẳng hạn , trong đó có loại mos mà vds max có thể 60V, nhưng vgs max thì 5V thôi. Bạn kiếm PDK đấy về mà làm MOS công suất high voltage. Không kiếm được thì dùng thư viện lơw voltage thông thường rồi tạo mos công suất lơw voltage như mình nói trên là oke thôi. Không ai bắt bẻ bạn khi bảo vệ đồ án đâu.

                          Comment

                          • #14
                            Nguyên văn bởi ngoclinh_xl Xem bài viết
                            MOSFET công suất là tên gọi thế thôi chứ chúng cũng được làm ra từ mosfet thông thường cả. Bạn cứ lấy nhiều mos thông thường rồi cho W max, L min, rồi cho giá trị Multi phù hợp với dòng bạn chọn là oke thôi. Không cần phải model này nọ làm gì.

                            Có một số PDK như BCD chẳng hạn , trong đó có loại mos mà vds max có thể 60V, nhưng vgs max thì 5V thôi. Bạn kiếm PDK đấy về mà làm MOS công suất high voltage. Không kiếm được thì dùng thư viện lơw voltage thông thường rồi tạo mos công suất lơw voltage như mình nói trên là oke thôi. Không ai bắt bẻ bạn khi bảo vệ đồ án đâu.
                            Chào anh ngoclinh_xl ,
                            Đầu tiên em không đồng tình với ý là mosfet công suất cũng được làm ra từ mosfet thông thường. Vì thông qua tìm hiểu vì cấu trúc của mosfet công suất khác hẳn so với mosfet thông thường (LDMOS là một ví dụ) ( ngoài ra, đã có một số lời hướng dẫn từ 2 anh kỹ sư ở ICDREC (anh có thể tìm thông tin về trung tâm này ở đây: http://icdrec.edu.vn) thì việc không thể sử dụng các PDK thông thường để layout một con mosfet công suất được, và thực sự em phải tìm được một PDK dành cho thiết kế công suất mới có hy vọng hoàn thành được đồ án này) dẫn đến một thông số quan trọng bậc nhất là điện dung GD không được phản ánh đúng.
                            Thứ hai, cảm ơn anh chỉ dẫn tìm PDK, cái này có Vds cực đại là 60V thì tốt quá, đúng trong dải em đang tìm. Làm từ qua đến giờ vật lộn với cái file mô hình được viết bằng PSpice.

                            Comment

                            • #15
                              Nguyên văn bởi alechxandor Xem bài viết
                              Chào anh,
                              Em đã thử tải một model về và simulate bằng HSPICE cùng với topo mạch mà anh đã post nhưng có báo lỗi như sau:
                              " **error** nsub <= ni in mosfet model 0ower
                              reset to 1e15"

                              Đây là model file level 3 em dùng:

                              Đây là netlist em viết:
                              Code:
                              MOSFET GATE DRIVER WITH POWER NFET

.include 'model_level_3.txt'
.option scale=1u post
.param supply=3
.global gnd vdd

Vdd vdd gnd 'supply'
VDS VDS GND 20
VIN VIN GND 'supply'

M0 VDS AN gnd gnd POWER

M1 AN BN GND GND N_1u W=30 L=1
M2 AN BN VDD VDD P_1u W=60 L=1

M3 BN CN GND GND N_1u W=1 L=1
M4 BN CN VDD VDD P_1u W=2 L=1

M5 CN VINB GND GND N_1u W=1 L=1
M6 CN DN VDD VDD P_1u W=2 L=1

M7 DN VIN GND GND N_1u W=1 L=1
M8 DN CN VDD VDD P_1u W=2 L=1

M9 VINB VIN GND GND N_1u W=1 L=1
M10 VINB VIN VDD VDD P_1u W=2 L=1

.PROBE i(M0)

.end
                              topo mạch:

                              Nhờ anh xem lại gỡ lỗi dùm em.

                              Em cảm ơn.
                              bạn chưa chọn mô phỏng loại nào thì sao mà mạch chạy dc, bạn đưa nguồn Vin là nguồn xung( 0=>5v) quét theo transient sau đó đo áp cổng gate của mosfet xem thời gian lên của cổng gate là bao nhiêu...sao đó tăng số lượng cổng not để bật tắt nhanh hơn.....VDD khác Vin...mạch này lấy ngõ ra dạng xung Vin biên độ 5v chuyển sang VDD( >10v) dùng bật mosfet tức là Vgs của mosfet sẽ là VDD
                              à quện power mosfet có cấu tạo khác hoản toàn với MOS thông thường...bạn muốn tìm hiểu về mosfet có thể lên trang http://www.irf.com/ down tài liệu về power mosfet mà đọc đầy đủ hết

                              Comment

                              Trước 1 2 template Next

                              Về tác giả

                              Collapse
                              alechxandor Tìm hiểu thêm về alechxandor

                              Bài viết mới nhất

                              Collapse
                              Xem toàn bộ
                              Đang tải...
                              X