mos管驅(qū)動電路總結(jié)-各種開關(guān)電源mos管驅(qū)動電路設(shè)計詳解-KIA MOS管
信息來源:本站 日期:2018-09-20
在使用mos管驅(qū)動電路設(shè)計開關(guān)電源或者馬達(dá)驅(qū)動電路的時候,大部分人都會考慮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)計也是不允許的。
1、mos管種類和結(jié)構(gòu)
mos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m(xù)os管,所以通常提到NMOS,或者PMOS指的就是這兩種。右圖是這兩種MOS管的符號。
至于為什么不使用耗盡型的MOS管,不建議刨根問底。對于這兩種增強(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)動的應(yīng)用中,一般都用NMOS。下面的介紹中,也多以NMOS為主。
在MOS管原理圖上可以看到,漏極和源極之間有一個寄生二極管。這個叫體二極管,在驅(qū)動感性負(fù)載(如馬達(dá)),這個二極管很重要。在單個的MOS管中存在,在集成電路芯片內(nèi)部通常是沒有的。下圖是MOS管的構(gòu)造圖,通常的原理圖中都畫成右圖所示的樣子。
MOS管的三個管腳之間有寄生電容存在,如右圖所示。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)計或選擇驅(qū)動電路的時候要麻煩一些,但沒有辦法避免,在MOS管的驅(qū)動電路設(shè)計時再詳細(xì)介紹。
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大于一定的值就會導(dǎo)通,適合用于源極接地時的情況(低端驅(qū)動),只要柵極電壓達(dá)到4V或10V就可以了。
PMOS的特性,Vgs小于一定的值就會導(dǎo)通,使用與源極接VCC時的情況(高端驅(qū)動)。但是,雖然PMOS可以很方便地用作高端驅(qū)動,但由于導(dǎo)通電阻大,價格貴,替換種類少等原因,在高端驅(qū)動中,通常還是使用NMOS。
右圖是瑞薩2SK3418的Vgs電壓和Vds電壓的關(guān)系圖??梢钥闯鲂‰娏鲿r,Vgs達(dá)到4V,DS間壓降已經(jīng)很小,可以認(rèn)為導(dǎo)通。
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,因而在DS間流過電流的同時,兩端還會有電壓(如2SK3418特性圖所示),這樣電流就會在這個電阻上消耗能量,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管會減小導(dǎo)通損耗?,F(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)通和截止的時候,一定不是在瞬間完成的。MOS兩端的電壓有一個下降的過程,流過的電流有一個上升的過程,在這段時間內(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。
下圖是MOS管導(dǎo)通時的波形??梢钥闯?,導(dǎo)通瞬間電壓和電流的乘積很大,造成的損失也就很大。降低開關(guān)時間,可以減小每次導(dǎo)通時的損失;降低開關(guān)頻率,可以減小單位時間內(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
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,實(shí)際上就是對電容的充放電。對電容的充電需要一個電流,因為對電容充電瞬間可以把電容看成短路,所以瞬間電流會比較大。選擇/設(shè)計MOS管驅(qū)動時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)動的NMOS,導(dǎo)通時需要是柵極電壓大于源極電壓。而高端驅(qū)動的MOS管導(dǎo)通時源極電壓與漏極電壓(VCC)相同,所以這時柵極電壓要比VCC大4V或10V。如果在同一個系統(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MOS管。
上邊說的4V或10V是常用的MOS管的導(dǎo)通電壓,設(shè)計時當(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)動電路及其損失,可以參考Microchip公司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,也有照明調(diào)光。這三種應(yīng)用在各個領(lǐng)域都有詳細(xì)的介紹,這里就不多寫了。
在使用MOSFET設(shè)計開關(guān)電源時,大部分人都會考慮MOSFET的導(dǎo)通電阻、最大電壓、最大電流。但很多時候也僅僅考慮了這些因素,這樣的電路也許可以正常工作,但并不是一個好的設(shè)計方案。更細(xì)致的,MOSFET還應(yīng)考慮本身寄生的參數(shù)。對一個確定的MOSFET,其驅(qū)動電路,驅(qū)動腳輸出的峰值電流,上升速率等,都會影響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)動電路來連接電源IC與MOS管就顯得尤其重要了。一個好的mos管驅(qū)動電路有以下幾點(diǎn)要求:
(1)開關(guān)管開通瞬時,驅(qū)動電路應(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)動電路能提供一個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。
下面介紹幾個模塊電源中常用的mos管驅(qū)動電路。
1:當(dāng)源極輸出為高電壓時的驅(qū)動
當(dāng)源極輸出為高電壓的情況時,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)動電壓在兩個電壓之間波動,驅(qū)動電壓偏差由低電壓提供。
圖1 源極輸出為高電壓時的驅(qū)動電路
2:電源IC直接驅(qū)動mos
圖2 IC直接驅(qū)動MOSFET
電源IC直接驅(qū)動是我們最常用的驅(qū)動方式,同時也是最簡單的驅(qū)動方式,使用這種驅(qū)動方式,應(yīng)該注意幾個參數(shù)以及這些參數(shù)的影響。第一,查看一下電源IC手冊,其最大驅(qū)動峰值電流,因為不同芯片,驅(qū)動能力很多時候是不一樣的。第二,了解一下MOSFET的寄生電容,如圖2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)動峰值電流,那么管子導(dǎo)通的速度就比較慢。如果驅(qū)動能力不足,上升沿可能出現(xiàn)高頻振蕩,即使把圖2中Rg減小,也不能解決問題! IC驅(qū)動能力、MOS寄生電容大小、MOS管開關(guān)速度等因素,都影響驅(qū)動電阻阻值的選擇,所以Rg并不能無限減小。
3:電源IC驅(qū)動能力不足時
如果選擇MOS管寄生電容比較大,電源IC內(nèi)部的驅(qū)動能力又不足時,需要在驅(qū)動電路上增強(qiáng)驅(qū)動能力,常使用圖騰柱電路增加電源IC驅(qū)動能力,
圖3 騰柱驅(qū)動MOS
這種驅(qū)動電路作用在于,提升電流提供能力,迅速完成對于柵極輸入電容電荷的充電過程。這種拓?fù)湓黾恿藢?dǎo)通所需要的時間,但是減少了關(guān)斷時間,開關(guān)管能快速開通且避免上升沿的高頻振蕩。
4:驅(qū)動電路加速M(fèi)OS管關(guān)斷時間
圖4 加速M(fèi)OS關(guān)斷
關(guān)斷瞬間驅(qū)動電路能提供一個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)動電阻上并聯(lián)一個電阻和一個二極管,如圖4所示,其中D1常用的是快恢復(fù)二極管。這使關(guān)斷時間減小,同時減小關(guān)斷時的損耗。Rg2是防止關(guān)斷的時電流過大,把電源IC給燒掉。
圖4-1 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)動能力足夠時,對圖 2中電路改進(jìn)可以加速M(fèi)OS管關(guān)斷時間,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,柵源極間電容短接,達(dá)到最短時間內(nèi)把電荷放完,最大限度減小關(guān)斷時的交叉損耗。與圖 3拓?fù)湎啾容^,還有一個好處,就是柵源極間電容上的電荷泄放時電流不經(jīng)過電源IC,提高了可靠性。
5:驅(qū)動電路加速M(fèi)OS管關(guān)斷時間
圖5 隔離驅(qū)動
為了滿足如圖5所示高端MOS管的驅(qū)動,經(jīng)常會采用變壓器驅(qū)動,有時為了滿足安全隔離也使用變壓器驅(qū)動。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,同時也能防止磁芯飽和。
除了以上驅(qū)動電路之外,還有很多其它形式的驅(qū)動電路。對于各種各樣的驅(qū)動電路并沒有一種驅(qū)動電路是最好的,只有結(jié)合具體應(yīng)用,選擇最合適的驅(qū)動。
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