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簡述MOS管驅動電路
發布時間:2018-11-03
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  一、MOS管驅動電路綜述
  
  在使用MOS管設計開關電源或者馬達驅動電路的時候,大部分人都會考慮MOS的導通電阻,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,但並不是優秀的,作爲正式的産品設計也是不允許的。
  
  1、MOS管種類和結構
  
  MOSFET管是FET的一種(另一種是JFET),可以被劃分成增強型或耗盡型,P溝道或N溝道共4種類型,但實際應用的只有增強型的N溝道MOS管和增強型的P溝道MOS管,所以通常提到NMOS,或者PMOS指的就是這兩種。至于爲什麽不使用耗盡型的MOS管,不建議刨根問底。對于這兩種增強型MOS管,比較常用的是NMOS。原因是導通電阻小。所以開關電源和馬達驅動的應用中,一般都用NMOS。下面的介紹中,也多以NMOS爲主。
  
  MOS管的三個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産生的。寄生電容的存在使得在設計或選擇驅動電路的時候要麻煩一些,但沒有辦法避免,後邊再詳細介紹。
  
  在MOS管原理图上可以看到,漏极和源极之间有一个寄生二極管。这个叫体二極管,在驱动感性负载(如马达),这个二極管很重要。顺便说一句,体二極管只在单个的MOS管中存在,在集成电路芯片内部通常是没有的。
  
  2、MOS管導通特性
  
  导通的意思是作为开关,相当于开關閉合。NMOS的特性,Vgs大于一定的值就会导通,适合用于源极接地时的情况(低端驱动),只要栅极电压达到4V或10V就可以了。
  
  PMOS的特性,Vgs小于一定的值就會導通,適合用于源極接VCC時的情況(高端驅動)。但是,雖然PMOS可以很方便地用作高端驅動,但由于導通電阻大,價格貴,替換種類少等原因,在高端驅動中,通常還是使用NMOS。
  
  3、MOS開關管損失
  
  不管是NMOS還是PMOS,導通後都有導通電阻存在,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通損耗。選擇導通電阻小的MOS管會減小導通損耗。現在的小功率MOS管導通電阻一般在幾十毫歐左右,幾毫歐的也有。
  
  MOS在導通和截止的時候,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,MOS管的損失是電壓和電流的乘積,叫做開關損失。通常開關損失比導通損失大得多,而且開關頻率越快,損失也越大。
  
  導通瞬間電壓和電流的乘積很大,造成的損失也就很大。縮短開關時間,可以減小每次導通時的損失;降低開關頻率,可以減小單位時間內的開關次數。這兩種辦法都可以減小開關損失。
  
  4、MOS管驅動
  
  跟雙極性晶體管相比,一般認爲使MOS管導通不需要電流,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管的結構中可以看到,在GS,GD之間存在寄生電容,而MOS管的驅動,實際上就是對電容的充放電。對電容的充電需要一個電流,因爲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/設計MOS管驅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,普遍用于高端驱动的NMOS,导通时需要是栅极电压大于源极电压。而高端驱动的MOS管导通时源极电压与漏极电压(VCC)相同,所以这时 栅极电压要比VCC大4V或10V。如果在同一个系统里,要得到比VCC大的电压,就要专门的升压电路了。很多马达驱动器都集成了电荷泵,要注意的是应该 选择合适的外接电容,以得到足够的短路电流去驱动MOS管。
  
  上邊說的4V或10V是常用的MOS管的導通電壓,設計時當然需要有一定的余量。而且電壓越高,導通速度越快,導通電阻也越小。現在也有導通電壓更小的MOS管用在不同的領域裏,但在12V汽車電子系統裏,一般4V導通就夠用了。
  
  MOS管的驱动电路及其损失,可以参考Microchip公司的AN799 Matching MOSFET Drivers to MOSFETs。讲述得很详细,所以不打算多写了。
  
  5、MOS管應用電路
  
  MOS管最顯著的特性是開關特性好,所以被廣泛應用在需要電子開關的電路中,常見的如開關電源和馬達驅動,也有照明調光。
  
  二、現在的MOS驅動,有幾個特別的應用
  
  1、低壓應用
  
  當使用5V電源,這時候如果使用傳統的圖騰柱結構,由于三極管的be有0.7V左右的壓降,導致實際最終加在gate上的電壓只有4.3V。這時候,我們選用標稱gate電壓4.5V的MOS管就存在一定的風險。
  
  同樣的問題也發生在使用3V或者其他低壓電源的場合。
    
  2、寬電壓應用
  
  輸入電壓並不是一個固定值,它會隨著時間或者其他因素而變動。這個變動導致PWM電路提供給MOS管的驅動電壓是不穩定的。
  
  爲了讓MOS管在高gate電壓下安全,很多MOS管內置了穩壓管強行限制gate電壓的幅值。在這種情況下,當提供的驅動電壓超過穩壓管的電壓,就會引起較大的靜態功耗。
  
  同時,如果簡單的用電阻分壓的原理降低gate電壓,就會出現輸入電壓比較高的時候,MOS管工作良好,而輸入電壓降低的時候gate電壓不足,引起導通不夠徹底,從而增加功耗。
  
  3、雙電壓應用
  
  在一些控制電路中,邏輯部分使用典型的5V或者3.3V數字電壓,而功率部分使用12V甚至更高的電壓。兩個電壓采用共地方式連接。
  
  這就提出一個要求,需要使用一個電路,讓低壓側能夠有效的控制高壓側的MOS管,同時高壓側的MOS管也同樣會面對1和2中提到的問題。
  
  在這三種情況下,圖騰柱結構無法滿足輸出要求,而很多現成的MOS驅動IC,
  
  似乎也沒有包含gate電壓限制的結構。
  
  三、相對通用的電路
  
  電路圖如下:
  
  
  图1 用于NMOS的驱动电路
  
  图2 用于PMOS的驱动电路
  
  這裏只針對NMOS驅動電路做一個簡單分析:
  
  Vl和Vh分別是低端和高端的電源,兩個電壓可以是相同的,但是Vl不應該超過Vh。
  
  Q1和Q2組成了一個反置的圖騰柱,用來實現隔離,同時確保兩只驅動管Q3和Q4不會同時導通。
  
  R2和R3提供了PWM電壓基准,通過改變這個基准,可以讓電路工作在PWM信號波形比較陡直的位置。
  
  Q3和Q4用來提供驅動電流,由于導通的時候,Q3和Q4相對Vh和GND最低都只有一個Vce的壓降,這個壓降通常只有0.3V左右,大大低于0.7V的Vce。
  
  R5和R6是反饋電阻,用于對gate電壓進行采樣,采樣後的電壓通過Q5對Q1和Q2的基極産生一個強烈的負反饋,從而把gate電壓限制在一個有限的數值。這個數值可以通過R5和R6來調節。
  
  最後,R1提供了對Q3和Q4的基極電流限制,R4提供了對MOS管的gate電流限制,也就是Q3和Q4的Ice的限制。必要的時候可以在R4上面並聯加速電容。
  
  這個電路提供了如下的特性:
  
  1,用低端電壓和PWM驅動高端MOS管。
  
  2,用小幅度的PWM信號驅動高gate電壓需求的MOS管。
  
  3,gate電壓的峰值限制
  
  4,輸入和輸出的電流限制
  
  5,通過使用合適的電阻,可以達到很低的功耗。
  
  6,PWM信號反相。NMOS並不需要這個特性,可以通過前置一個反相器來解決。
  
  在設計便攜式設備和無線産品時,提高産品性能、延長電池工作時間是設計人員需要面對的兩個問題。DC-DC轉換器具有效率高、輸出電流大、靜態電流小等優點,非常適用于爲便攜式設備供電。目前DC-DC轉換器設計技術發展主要趨勢有:
  
  (1)高頻化技術:隨著開關頻率的提高,開關變換器的體積也隨之減小,功率密度也得到大幅提升,動態響應得到改善。小功率DC-DC轉換器的開關頻率將上升到兆赫級。
  
  (2)低輸出電壓技術:隨著半導體**技術的不斷發展,微處理器和便攜式電子設備的工作電壓越來越低,這就要求未來的DC-DC變換器能夠提供低輸出電壓以適應微處理器和便攜式電子設備的要求。
  
  这些技术的发展对电源芯片电路的设计提出了更高的要求。首先,随着开关频率的不断提高,对于开关元件的性能提出了很高的要求,同时必须具有相应的开关元件 驱动电路以保证开关元件在高达兆赫级的开关频率下正常工作。其次,对于电池供电的便携式电子设备来说,电路的工作电压低(以锂电池为例,工作电压 2.5~3.6V),因此,电源芯片的工作电压较低。
  
  MOS管具有很低的導通電阻,消耗能量較低,在目前流行的高效DC-DC芯片中多采用MOS管作爲功率開關。但是由于MOS管的寄生電容大,一般情況下NMOS開關管的柵極電容高達幾十皮法。這對于設計高工作頻率DC-DC轉換器開關管驅動電路的設計提出了更高的要求。