MOS管驅(qū)動設(shè)計與電路布線設(shè)計—KIA MOS管
信息來源:本站 日期:2020-09-25
MOS管驅(qū)動設(shè)計,一般認為MOSFET是電壓驅(qū)動的,不需要驅(qū)動電流。然而,在MOS的G S兩級之間有結(jié)電容存在,這個電容會讓驅(qū)動MOS變的不那么簡單。
MOS管驅(qū)動設(shè)計,如果不考慮紋波和EMI等要求的話,MOS管開關(guān)速度越快越好,因為開關(guān)時間越短,開關(guān)損耗越小,而在開關(guān)電源中開關(guān)損耗占總損耗的很大一部分,因此MOS管驅(qū)動電路的好壞直接決定了電源的效率。對于一個MOS管,如果把GS之間的電壓從0拉到管子的開啟電壓所用的時間越短,那么MOS管開啟的速度就會越快。與此類似,如果把MOS管的GS電壓從開啟電壓降到0V的時間越短,那么MOS管關(guān)斷的速度也就越快。
由此我們可以知道,如果想在更短的時間內(nèi)把GS電壓拉高或者拉低,就要給MOS管柵極更大的瞬間驅(qū)動電流。大家常用的PWM芯片輸出直接驅(qū)動MOS或者用三極管放大后再驅(qū)動MOS的方法,其實在瞬間驅(qū)動電流這塊是有很大缺陷的。比較好的方法是使用專用的MOSFET驅(qū)動芯片如TC4420來驅(qū)動MOS管,這類的芯片一般有很大的瞬間輸出電流,而且還兼容TTL電平輸入,MOSFET驅(qū)動芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
因為驅(qū)動線路走線會有寄生電感,而寄生電感和MOS管的結(jié)電容會組成一個LC振蕩電路,如果直接把驅(qū)動芯片的輸出端接到MOS管柵極的話,在PWM波的上升下降沿會產(chǎn)生很大的震蕩,導(dǎo)致MOS管急劇發(fā)熱甚至爆炸,一般的解決方法是在柵極串聯(lián)10歐左右的電阻,降低LC振蕩電路的Q值,使震蕩迅速衰減掉。因為MOS管柵極高輸入阻抗的特性,一點點靜電或者干擾都可能導(dǎo)致MOS管誤導(dǎo)通,所以建議在MOS管G S之間并聯(lián)一個10K的電阻以降低輸入阻抗。
如果擔心附近功率線路上的干擾耦合過來產(chǎn)生瞬間高壓擊穿MOS管的話,可以在GS之間再并聯(lián)一個18V左右的TVS瞬態(tài)抑制二極管,TVS可以認為是一個反應(yīng)速度很快的穩(wěn)壓管,其瞬間可以承受的功率高達幾百至上千瓦,可以用來吸收瞬間的干擾脈沖。
MOS管驅(qū)動電路參考
MOS管驅(qū)動線路的環(huán)路面積要盡可能小,否則可能會引入外來的電磁干擾。驅(qū)動芯片的旁路電容要盡量靠近驅(qū)動芯片的VCC和GND引腳,否則走線的電感會很大程度上影響芯片的瞬間輸出電流。
(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。
1、電源IC直接驅(qū)動MOSFET
MOS管驅(qū)動設(shè)計,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 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 1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。
2、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)動電路上增強驅(qū)動能力,常使用圖騰柱電路增加電源IC驅(qū)動能力,其電路圖 2虛線框所示。
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。這種拓撲增加了導(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。
3、驅(qū)動電路加速MOS管關(guān)斷時間
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 3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。
在第二點介紹的圖騰柱電路也有加快關(guān)斷作用。當電源IC的驅(qū)動能力足夠時,對圖 2中電路改進可以加速MOS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PNP三極管導(dǎo)通時,柵源極間電容短接,達到最短時間內(nèi)把電荷放完,最大限度減小關(guān)斷時的交叉損耗。與圖 3拓撲相比較,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。
4、驅(qū)動電路加速MOS管關(guān)斷時間
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。
5、當源極輸出為高電壓時的驅(qū)動
當源極輸出為高電壓的情況時,我們需要采用偏置電路達到電路工作的目的,既我們以源極為參考點,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,如下圖6所示。
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