«С большой силой приходит большая ответственность», — говорит мудрый дядя Бен Человека-паука. Кто знал, что он на самом деле говорил об электронике, полевых транзисторах, силовых цепях и частотах переключения?
Силовые MOSFET-транзисторы просты и сложны одновременно. По сравнению с проектированием DRAM или микропроцессоров, полевые транзисторы (MOSFET) могут показаться довольно простыми. Но инженеры, которые с ними непосредственно работают, знают, что это далеко не так. Одна из проблем заключается в управлении пусковым током в функции времени. Слишком быстро — и вы сожжете устройство. Слишком медленно, и вы теряете время, производительность и эффективность. Разработчики MOSFET несут ответственность за правильный баланс. Решить эту задачу станет намного проще, если у инженеров есть подходящие инструменты.
Большинство проблем с высокочастотными транзисторами MOSFET можно отнести к их физическому устройству, которое не является интуитивно понятным. Разработчики обычно ориентируются на показатель RDS (вкл.), сопротивление между истоком и стоком при включенном устройстве. Эта простая модель вводит в заблуждение. Хотя эта модель была принята в течение многих лет, современные схемы питания требуют точности и применимости, которые ухудшаются из-за более высоких скоростей переключения, высокой плотности мощности и стремления к повышению эффективности. Инженерам нужен точный инструмент моделирования.
На рисунке ниже показана физическая схема выходного каскада полевого МОП-транзистора (MOSFET), организованного в виде четырех квадрантов по 16 устройств в каждом, всего 64 экземпляра. Драйверы находятся в нижнем левом углу (обозначены синим цветом), а контактные площадки — вверху, внизу и в центре.
На первый взгляд это кажется вполне разумным, реальным рабочим макетом. Однако в этой конструкции скрываются потенциальные проблемы с надежностью, неравномерным переключением, потерей эффективности, чрезмерно большие «мертвые времена» (dead times), электромагнитные нарушения, проблемы с падением напряжения, тепловые проблемы и опасный сквозной ток.
На представленном выше рисунке не очевидна ни одна из этих проблем. Также нет проблем с проектированием схемы. Конструкция MOSFET полностью зависит от компоновки и не может быть обнаружена с помощью обычных статических моделей с сосредоточенными параметрами. Подробный, динамический и распределенный анализ выявит его скрытые недостатки.
Хорошее начало
Решение проблем проектирования начинается со слоев металлизации (рисунок ниже). График показывает распределение потенциала в цепи затвора выходного каскада в данный момент времени во время переключения. Цвета представляют собой потенциалы (разности) напряжения на кристалле, причем самый низкий потенциал (синий), естественно, находится ближе всего к драйверам. Правый верхний угол, расположенный по диагонали напротив драйверов, имеет недостаточную мощность с разницей более 2 В — даже с двумя металлическими слоями, покрывающими все устройство, и проводником слева, соединяющим верхнюю и нижнюю половины.
Из-за неизбежной емкости, сопротивления и индуктивности, присущих большинству устройств, для зарядки и разрядки этих цепей потребуется определенное время. Это особенно верно при более высоких скоростях переключения, когда некогда простые конструкции начинают вести себя как схемы синхронизации. По этой причине полевые МОП-транзисторы (MOSFET) имеют встроенную временную задержку между переключением высокого и низкого уровня. Перед включением низкой стороны необходимо полностью отключить высокую сторону; в противном случае будет пробой.
Разработчики часто придерживаются консервативного подхода и откладывают переключение на стороне высокого напряжения, делая упор на запас прочности, чтобы устройство не вышло из строя в рабочих условиях. К сожалению, этот метод оставляет производительность «на бумаге», излишне увеличивая время задержки и снижая скорость переключения.
Имеет смысл измерять, прогнозировать и моделировать фактическое поведение устройства во время испытания на испытательных стендах. Производительность может быть увеличена до максимума без ущерба для надежности, требующих дорогостоящих экспериментов или частых изменений макета.
Параметры силового устройства, такие как RDS (вкл), сложны и включают в себя канал, слой накопления, область дрейфа, металлизацию, соединительные провода и паразитные параметры корпуса. Они также меняются в зависимости от температуры и тока. Невозможно смоделировать поведение схемы, используя простую модель с сосредоточенными параметрами, тогда как распределенная модель дает точные результаты.
На рисунке ниже показаны графики напряжения (левая ось) и тока (правая ось) в четырех квадрантах кристалла, а также общий коммутационный выход (коричневый). Все четыре измерения напряжения начинаются с 5,0 В и, как и ожидалось, падают почти до нуля в течение примерно 1,6 нс. В идеале все четыре графика должны накладываться друг на друга, что указывает на одновременное переключение. Вместо этого разница между якобы идентичными экземплярами транзисторов составляет 1,0 В.
Точно так же четыре графика показывают разные токи в разных областях устройства.
Исправление в…
Решение заключается не в изменении самой схемы MOSFET транзистора, а в настройке схемы, в частности маршрутизации затвора. Внеся два небольших изменения, мы можем улучшить поведение устройства.
На рисунке ниже показана измененная компоновка со второй шиной север/юг (N / S) в центре матрицы, а также почти незаметное изменение существующей шины с левой стороны. Повторный запуск динамической модели показывает улучшенное поведение переключения по сравнению с первоначальными результатами на рисунке выше.
Что еще более важно, динамическое поведение устройства также улучшено (рисунок ниже). Графики напряжения и тока теперь почти перекрываются, и они демонстрируют гораздо меньше нежелательного распределения и вариаций. Все четыре угла матрицы теперь ведут себя одинаково, как и нужно.
В практическом смысле это означает, что встроенное время задержки устройства может быть уменьшено, что повысит производительность и эффективность. Это также дает разработчику некоторые столь необходимые данные для принятия этого решения, а не оценку на основе практического опыта. Чрезмерно упрощенная модель с сосредоточенными параметрами была заменена подробной, точной и легко проверяемой динамической моделью.
Графики выше были созданы с помощью R3D-DDM, инструмента проектирования от Silicon Frontline. R3D-DDM (Resistive 3D Extraction and Analysis — Distributed Device Model) является необязательным дополнением к существующему инструменту R3D компании. Он создает полностью динамические распределенные модели устройств (отсюда и название) поведения переключения, включая паразитные характеристики, неравномерное переключение, анализ времени задержки, полные резистивные сетки, сквозной проход, скопление тока, задержки распространения и другие характеристики, зависящие от мощности.
Теперь разработчики могут видеть, моделировать и измерять поведение своего устройства, пока оно еще находится в макете. R3D-DDM представляет собой ступенчатое усовершенствование конструкции MOSFET в соответствии с возросшей сложностью таких устройств.
