多種開關(guān)電源MOS管驅(qū)動(dòng)電路詳細(xì)解析
MOS管驅(qū)動(dòng)電路綜述
在使用MOS管設(shè)計(jì)開關(guān)電源或者馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電路的時(shí)候，大部分人都會(huì)考慮MOS的導(dǎo)通電阻，最大電壓等，最大電流等，也有很多人僅僅考慮這些因素。這樣的電路也許是可以工作的，但并不是優(yōu)秀的，作為正式的產(chǎn)品設(shè)計(jì)也是不允許的。
1、MOS管種類和結(jié)構(gòu)
MOSFET管是FET的一種(另一種是JFET)，可以被制造成增強(qiáng)型或耗盡型，P溝道或N溝道共4種類型，但實(shí)際應(yīng)用的只有增強(qiáng)型的N溝道MOS管和增強(qiáng)型的P溝道MOS管，所以通常提到NMOS，或者PMOS指的就是這兩種。
至于為什么不使用耗盡型的MOS管，不建議刨根問底。
對(duì)于這兩種增強(qiáng)型MOS管，比較常用的是NMOS。原因是導(dǎo)通電阻小，且容易制造。所以開關(guān)電源和馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用中，一般都用NMOS。下面的介紹中，也多以NMOS為主。
MOS管的三個(gè)管腳之間有寄生電容存在，這不是我們需要的，而是由于制造工藝限制產(chǎn)生的。寄生電容的存在使得在設(shè)計(jì)或選擇驅(qū)動(dòng)電路的時(shí)候要麻煩一些，但沒有辦法避免，后邊再詳細(xì)介紹。
在MOS管原理圖上可以看到，漏極和源極之間有一個(gè)寄生二極管。這個(gè)叫體二極管，在驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載(如馬達(dá))，這個(gè)二極管很重要。順便說一句，體二極管只在單個(gè)的MOS管中存在，在集成電路芯片內(nèi)部通常是沒有的。
2、MOS管導(dǎo)通特性
導(dǎo)通的意思是作為開關(guān)，相當(dāng)于開關(guān)閉合。
NMOS的特性，Vgs大于一定的值就會(huì)導(dǎo)通，適合用于源極接地時(shí)的情況(低端驅(qū)動(dòng))，只要柵極電壓達(dá)到4V或10V就可以了。
PMOS的特性，Vgs小于一定的值就會(huì)導(dǎo)通，適合用于源極接VCC時(shí)的情況(高端驅(qū)動(dòng))。但是，雖然PMOS可以很方便地用作高端驅(qū)動(dòng)，但由于導(dǎo)通電阻大，價(jià)格貴，替換種類少等原因，在高端驅(qū)動(dòng)中，通常還是使用NMOS。
3、MOS開關(guān)管損失
不管是NMOS還是PMOS，導(dǎo)通后都有導(dǎo)通電阻存在，這樣電流就會(huì)在這個(gè)電阻上消耗能量，這部分消耗的能量叫做導(dǎo)通損耗。選擇導(dǎo)通電阻小的MOS管會(huì)減小導(dǎo)通損耗。現(xiàn)在的小功率MOS管導(dǎo)通電阻一般在幾十毫歐左右，幾毫歐的也有。
MOS在導(dǎo)通和截止的時(shí)候，一定不是在瞬間完成的。MOS兩端的電壓有一個(gè)下降的過程，流過的電流有一個(gè)上升的過程，在這段時(shí)間內(nèi)，MOS管的損失是電壓和電流的乘積，叫做開關(guān)損失。通常開關(guān)損失比導(dǎo)通損失大得多，而且開關(guān)頻率越快，損失也越大。
導(dǎo)通瞬間電壓和電流的乘積很大，造成的損失也就很大。縮短開關(guān)時(shí)間，可以減小每次導(dǎo)通時(shí)的損失;降低開關(guān)頻率，可以減小單位時(shí)間內(nèi)的開關(guān)次數(shù)。這兩種辦法都可以減小開關(guān)損失。
4、MOS管驅(qū)動(dòng)
跟雙極性晶體管相比，一般認(rèn)為使MOS管導(dǎo)通不需要電流，只要GS電壓高于一定的值，就可以了。這個(gè)很容易做到，但是，我們還需要速度。
在MOS管的結(jié)構(gòu)中可以看到，在GS，GD之間存在寄生電容，而MOS管的驅(qū)動(dòng)，實(shí)際上就是對(duì)電容的充放電。對(duì)電容的充電需要一個(gè)電流，因?yàn)閷?duì)電容充電瞬間可以把電容看成短路，所以瞬間電流會(huì)比較大。選擇/設(shè)計(jì)MOS管驅(qū)動(dòng)時(shí)第一要注意的是可提供瞬間短路電流的大小。
第二注意的是，普遍用于高端驅(qū)動(dòng)的NMOS，導(dǎo)通時(shí)需要是柵極電壓大于源極電壓。而高端驅(qū)動(dòng)的MOS管導(dǎo)通時(shí)源極電壓與漏極電壓(VCC)相同，所以這時(shí)柵極電壓要比VCC大4V或10V。如果在同一個(gè)系統(tǒng)里，要得到比VCC大的電壓，就要專門的升壓電路了。很多馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器都集成了電荷泵，要注意的是應(yīng)該選擇合適的外接電容，以得到足夠的短路電流去驅(qū)動(dòng)MOS管。
上邊說的4V或10V是常用的MOS管的導(dǎo)通電壓，設(shè)計(jì)時(shí)當(dāng)然需要有一定的余量。而且電壓越高，導(dǎo)通速度越快，導(dǎo)通電阻也越小?，F(xiàn)在也有導(dǎo)通電壓更小的MOS管用在不同的領(lǐng)域里，但在12V汽車電子系統(tǒng)里，一般4V導(dǎo)通就夠用了。
MOS管的驅(qū)動(dòng)電路及其損失，可以參考Microchip公司的AN799 Matching MOSFET Drivers to MOSFETs。講述得很詳細(xì)，所以不打算多寫了。
5、MOS管應(yīng)用電路
MOS管最顯著的特性是開關(guān)特性好，所以被廣泛應(yīng)用在需要電子開關(guān)的電路中，常見的如開關(guān)電源和馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，也有照明調(diào)光。
5種常用開關(guān)電源MOSFET驅(qū)動(dòng)電路解析
在使用MOSFET設(shè)計(jì)開關(guān)電源時(shí)，大部分人都會(huì)考慮MOSFET的導(dǎo)通電阻、最大電壓、最大電流。但很多時(shí)候也僅僅考慮了這些因素，這樣的電路也許可以正常工作，但并不是一個(gè)好的設(shè)計(jì)方案。更細(xì)致的，MOSFET還應(yīng)考慮本身寄生的參數(shù)。對(duì)一個(gè)確定的MOSFET，其驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)腳輸出的峰值電流，上升速率等，都會(huì)影響MOSFET的開關(guān)性能。
當(dāng)電源IC與MOS管選定之后， 選擇合適的驅(qū)動(dòng)電路來連接電源IC與MOS管就顯得尤其重要了。
一個(gè)好的MOSFET驅(qū)動(dòng)電路有以下幾點(diǎn)要求：
(1)開關(guān)管開通瞬時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)能提供足夠大的充電電流使MOSFET柵源極間電壓迅速上升到所需值，保證開關(guān)管能快速開通且不存在上升沿的高頻振蕩。
(2)開關(guān)導(dǎo)通期間驅(qū)動(dòng)電路能保證MOSFET柵源極間電壓保持穩(wěn)定且可靠導(dǎo)通。
(3)關(guān)斷瞬間驅(qū)動(dòng)電路能提供一個(gè)盡可能低阻抗的通路供MOSFET柵源極間電容電壓的快速泄放，保證開關(guān)管能快速關(guān)斷。
(4)驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)簡單可靠、損耗小。
(5)根據(jù)情況施加隔離。
下面介紹幾個(gè)模塊電源中常用的MOSFET驅(qū)動(dòng)電路。
1、電源IC直接驅(qū)動(dòng)MOSFET
圖 1 IC直接驅(qū)動(dòng)MOSFET
電源IC直接驅(qū)動(dòng)是我們最常用的驅(qū)動(dòng)方式，同時(shí)也是最簡單的驅(qū)動(dòng)方式，使用這種驅(qū)動(dòng)方式，應(yīng)該注意幾個(gè)參數(shù)以及這些參數(shù)的影響。第一，查看一下電源IC手冊(cè)，其最大驅(qū)動(dòng)峰值電流，因?yàn)椴煌酒?qū)動(dòng)能力很多時(shí)候是不一樣的。第二，了解一下MOSFET的寄生電容，如圖 1中C1、C2的值。如果C1、C2的值比較大，MOS管導(dǎo)通的需要的能量就比較大，如果電源IC沒有比較大的驅(qū)動(dòng)峰值電流，那么管子導(dǎo)通的速度就比較慢。如果驅(qū)動(dòng)能力不足，上升沿可能出現(xiàn)高頻振蕩，即使把圖 1中Rg減小，也不能解決問題! IC驅(qū)動(dòng)能力、MOS寄生電容大小、MOS管開關(guān)速度等因素，都影響驅(qū)動(dòng)電阻阻值的選擇，所以Rg并不能無限減小。
2、電源IC驅(qū)動(dòng)能力不足時(shí)
如果選擇MOS管寄生電容比較大，電源IC內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)能力又不足時(shí)，需要在驅(qū)動(dòng)電路上增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力，常使用圖騰柱電路增加電源IC驅(qū)動(dòng)能力，其電路圖 2虛線框所示。
圖 2 圖騰柱驅(qū)動(dòng)MOS
這種驅(qū)動(dòng)電路作用在于，提升電流提供能力，迅速完成對(duì)于柵極輸入電容電荷的充電過程。這種拓?fù)湓黾恿藢?dǎo)通所需要的時(shí)間，但是減少了關(guān)斷時(shí)間，開關(guān)管能快速開通且避免上升沿的高頻振蕩。
3、驅(qū)動(dòng)電路加速M(fèi)OS管關(guān)斷時(shí)間
圖 3 加速M(fèi)OS關(guān)斷
關(guān)斷瞬間驅(qū)動(dòng)電路能提供一個(gè)盡可能低阻抗的通路供MOSFET柵源極間電容電壓快速泄放，保證開關(guān)管能快速關(guān)斷。為使柵源極間電容電壓的快速泄放，常在驅(qū)動(dòng)電阻上并聯(lián)一個(gè)電阻和一個(gè)二極管，如圖 3所示，其中D1常用的是快恢復(fù)二極管。這使關(guān)斷時(shí)間減小，同時(shí)減小關(guān)斷時(shí)的損耗。Rg2是防止關(guān)斷的時(shí)電流過大，把電源IC給燒掉。
圖 4 改進(jìn)型加速M(fèi)OS關(guān)斷
在第二點(diǎn)介紹的圖騰柱電路也有加快關(guān)斷作用。當(dāng)電源IC的驅(qū)動(dòng)能力足夠時(shí)，對(duì)圖 2中電路改進(jìn)可以加速M(fèi)OS管關(guān)斷時(shí)間，得到如圖 4所示電路。用三極管來泄放柵源極間電容電壓是比較常見的。如果Q1的發(fā)射極沒有電阻，當(dāng)PNP三極管導(dǎo)通時(shí)，柵源極間電容短接，達(dá)到最短時(shí)間內(nèi)把電荷放完，最大限度減小關(guān)斷時(shí)的交叉損耗。與圖 3拓?fù)湎啾容^，還有一個(gè)好處，就是柵源極間電容上的電荷泄放時(shí)電流不經(jīng)過電源IC，提高了可靠性。
4、驅(qū)動(dòng)電路加速M(fèi)OS管關(guān)斷時(shí)間
圖 5 隔離驅(qū)動(dòng)
為了滿足如圖 5所示高端MOS管的驅(qū)動(dòng)，經(jīng)常會(huì)采用變壓器驅(qū)動(dòng)，有時(shí)為了滿足安全隔離也使用變壓器驅(qū)動(dòng)。其中R1目的是抑制PCB板上寄生的電感與C1形成LC振蕩，C1的目的是隔開直流，通過交流，同時(shí)也能防止磁芯飽和。
5、當(dāng)源極輸出為高電壓時(shí)的驅(qū)動(dòng)
當(dāng)源極輸出為高電壓的情況時(shí)，我們需要采用偏置電路達(dá)到電路工作的目的，既我們以源極為參考點(diǎn)，搭建偏置電路，驅(qū)動(dòng)電壓在兩個(gè)電壓之間波動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電壓偏差由低電壓提供，如下圖6所示。
圖6 源極輸出為高電壓時(shí)的驅(qū)動(dòng)電路
除了以上驅(qū)動(dòng)電路之外，還有很多其它形式的驅(qū)動(dòng)電路。對(duì)于各種各樣的驅(qū)動(dòng)電路并沒有一種驅(qū)動(dòng)電路是最好的，只有結(jié)合具體應(yīng)用，選擇最合適的驅(qū)動(dòng)。
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