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AN-DM34 耗尽型MOSFET在工业传感器、智能变送器中的应用
来源:成都方舟微 时间:2020-12-18

近年来,耗尽型MOSFET日益受到重视,广泛应用于固态继电器、“常开”开关、线形运放、恒流源、恒压源和开关电源等,涵盖了家用电器、消费电子、工业控制、汽车电子、电信设施和航空航天等领域。

耗尽型MOSFET分为两种类型:

N沟道耗尽型MOSFET,即:导电沟道为N型,参与导电的主要是电子,以及P沟道耗尽型MOSFET,即:导电沟道为P型,参与导电的主要是空穴。由于电子的迁移率远高于空穴,N沟道耗尽型MOSFET具有更强的电流处理能力,得到了更广泛地运用。当栅极-源极电压VGS=0V时,其导电沟道即已存在,器件处于开通状态。当栅极-源极电压VGS<VGS(OFF)时(N沟道)或VGS>VGS(OFF)(P沟道),其导电沟道因沟道中的载流子耗尽而消失,器件处于关断状态。由于在零栅偏时,器件处于导通状态,因此耗尽型器件又称为“常开”(Normally On)器件。图1为N沟道耗尽型MOSFET的示意图。


图1. N沟道耗尽型MOSFET示意图


利用耗尽型MOSFET的亚阈值特性,我们可以很方便地建立一个简单的电压调节器,具有高电压调节范围和稳定的电压输出。也可以组成一个稳定的恒流源。同时,这种电压源或电流源具有极佳的抗干扰能力,能有效地抑制瞬态电压或浪涌电流。

图2. N沟道耗尽型MOSFET组成的高电压调节器示意图

如图2所示,当VDD增加时,流过电路的电流IDS增加,导致耗尽型MOSFET源极电位VS升高,即VGS绝对值∣VGS∣增加,并引起器件导电沟道变窄,电流增加减缓。在此过程中负载RL两端的电压VS无限接近器件的关断电压∣VGSOFF∣,VS≈∣VGSOFF∣,即VS钳位在∣VGSOFF∣处,不再随输入电压VDD的增加而变化。负载RL流过的电流IL IL = VS / RL)也不随输入电压VDD的增加而变化。

VDD的最大值VDD,MAX =BVDSX +VGSOFF

其中,BVDSX为耗尽型MOSFET漏源极之间的击穿电压。

由此可以看出利用耗尽型MOSFET可以组成一个简单稳定的高电压输入的电压调节器或电流源,同时具有极佳的瞬态抑制能力。

利用运算放大器或电压基准源,可以很容易实现指定的输出电压。

图3. 耗尽型MOSFET与运算放大器组成的电压源示意图

如图3所示,VoVi具有如下关系:


Vo = Vi × ( 1 + R2/R1 )

因此,通过配置R2和R1的组合,可以轻松确定负载的工作电压Vs

Vs =Vo + ∣VGSOFF

其中, VGSOFF为耗尽型MOSFET的关断电压。

传感器、变送器一般工作在恶劣环境中,使用耗尽型MOSFET,不仅实现高电压供电,而且还能有效抑制浪涌或瞬态干扰,保证系统安全、正常工作。

下面,以一款常用的智能变送器为例简要说明耗尽型MOSFET在工业传感器、智能变送器中的典型应用。

图4. 带HART功能的典型智能变送器示意图

在图4中,可以选用DMX1072或DMS4022耗尽型MOSFET,给环路供电型4mA~20mA数模转换电路AD421供电。

DMX1072 采用SOT-89封装,主要参数为:耗散功率1W,耐压100V,饱和电流大于0.7A,导通电阻最大值3Ω,如果直接用在4mA~20mA供电环路中,可支持高达24V的电压输入。

DMS4022采用SOT-223封装,主要参数为:耗散功率1.5W,耐压400V,饱和电流大于200mA,导通电阻最大值25Ω左右。采用DMS4022,支持高达48V的高电压输入,并同时抑制高达400V的瞬态浪涌,对系统实行有效的过压、过流保护,这对于诸如工业现场、电机控制、变频调速等复杂电磁环境的应用尤为重要。 汽车中有许多电机,这些感性负载可能产生高达300V的电压瞬态,因此选择DMS4022能有效地防止瞬态干扰和破坏。成都方舟微电子有限公司是国内唯一一家专注耗尽型MOSFET研发生产的具有领先技术的半导体企业,十几年来,公司以先进的专利技术和丰富的研发经验,开发了耗尽型MOSFET系列产品,以其丰富的产品线和可靠的品质,大量应用于消费电子、家用电器、照明、工业自动化领域。同时公司还以灵活和贴近用户的方式,为客户开发定制化解决方案,以满足客户的各类需求。

DMX1072:http://search.ickey.cn/cndevice/maf?mid=33838&keyword=DMX1072

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