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mos管驅動電路总结-各种开关電源mos管驅動電路設計详解-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2018-09-20 

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mos管驅動電路設計

在使用mos管驅動電路設計开关电源或者马达驅動電路的时候,大部分人都会考虑mos的导通电阻,最大电压等,最大电流等,也有很多人仅仅考虑这些因素。这样的电路也许是可以工作的,但并不是优秀的,作为正式的产品设计也是不允许的。


1、mos管種類和結構

mos管是FET的一種(另一種是JFET),可以被制造成增強型或耗盡型,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。右圖是這兩種MOS管的符號。

mos管驅動電路設計

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。原因是導通電阻小且容易制造。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。

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,在驅動感性負載(如馬達),這個二極管很重要。在單個的MOS管中存在,在集成電路芯片內部通常是沒有的。下圖是MOS管的構造圖,通常的原理圖中都畫成右圖所示的樣子。

mos管驅動電路設計

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,在MOS管的驅動電路設計時再詳細介紹。

mos管驅動電路設計

2、MOS管導通特性

導通的意思是作爲開關,相當于開關閉合。

NMOS的特性,Vgs大于一定的值就會導通,適合用于源極接地時的情況(低端驅動),只要柵極電壓達到4V或10V就可以了。

PMOS的特性,Vgs小于一定的值就會導通,使用與源極接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。

右圖是瑞薩2SK3418的Vgs電壓和Vds電壓的關系圖。可以看出小電流時,Vgs達到4V,DS間壓降已經很小,可以認爲導通。 

mos管驅動電路設計

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,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。

下圖是MOS管導通時的波形。可以看出,導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。 

mos管驅動電路設計

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,普遍用于高端驅動的NMOS,導通時需要是柵極電壓大于源極電壓。而高端驅動的MOS管導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。如果在同一個系統裏,要得到比VCC大的電壓,就要專門的升壓電路了。很多馬達驅動器都集成了電荷泵,要注意的是應該選擇合適的外接電容,以得到足夠的短路電流去驅動MOS管。

上边说的4V或10V是常用的MOS管的导通电压,设计时当然需要有一定的余量。而且电压越高,导通速度越快,导通电阻也越小。现在也有导通电压更小的MOS管用在不同的领域里,但在12V汽车电子系统里,一般4V导通就够用了。MOS管的驅動電路及其损失,可以参考Microchip公司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。這三種應用在各個領域都有詳細的介紹,這裏就不多寫了。

5种常用开关電源mos管驅動電路設計解析

在使用MOSFET设计开关电源时,大部分人都会考虑MOSFET的导通电阻、最大电压、最大电流。但很多时候也仅仅考虑了这些因素,这样的电路也许可以正常工作,但并不是一个好的设计方案。更细致的,MOSFET还应考虑本身寄生的参数。对一个确定的MOSFET,其驅動電路,驱动脚输出的峰值电流,上升速率等,都会影响MOSFET的开关性能。当电源IC与MOS管选定之后, 选择合适的驅動電路来连接电源IC与MOS管就显得尤其重要了。一个好的mos管驅動電路有以下几点要求:

(1)開關管開通瞬時,驅動電路應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,保證開關管能快速開通且不存在上升沿的高頻振蕩。

(2)開關導通期間驅動電路能保證MOSFET柵源極間電壓保持穩定且可靠導通。

(3)關斷瞬間驅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,保證開關管能快速關斷。

(4)驅動電路結構簡單可靠、損耗小。

(5)根據情況施加隔離。

下面介紹幾個模塊電源中常用的mos管驅動電路。

1:當源極輸出爲高電壓時的驅動

當源極輸出爲高電壓的情況時,我們需要采用偏置電路達到電路工作的目的,既我們以源極爲參考點,搭建偏置電路,驅動電壓在兩個電壓之間波動,驅動電壓偏差由低電壓提供。

mos管驅動電路設計

图1 源极输出为高电压时的驅動電路

2:電源IC直接驅動mos

mos管驅動電路設計

图2 IC直接驱动MOSFET

电源IC直接驱动是我们最常用的驱动方式,同时也是最简单的驱动方式,使用这种驱动方式,应该注意几个参数以及这些参数的影响。第一,查看一下电源IC手册,其最大驱动峰值电流,因为不同芯片,驱动能力很多时候是不一样的。第二,了解一下MOSFET的寄生电容,如图2中C1、C2的值。如果C1、C2的值比较大,MOS管导通的需要的能量就比较大,如果电源IC没有比较大的驱动峰值电流,那么管子导通的速度就比较慢。如果驱动能力不足,上升沿可能出现高频振荡,即使把图2中Rg减小,也不能解决问题! IC驱动能力、MOS寄生电容大小、MOS管开关速度等因素,都影响驱动电阻阻值的选择,所以Rg并不能无限减小。

3:電源IC驅動能力不足時

如果選擇MOS管寄生電容比較大,電源IC內部的驅動能力又不足時,需要在驅動電路上增強驅動能力,常使用圖騰柱電路增加電源IC驅動能力,

mos管驅動電路設計

图3 腾柱驱动MOS

這種驅動電路作用在于,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。這種拓撲增加了導通所需要的時間,但是減少了關斷時間,開關管能快速開通且避免上升沿的高頻振蕩。

4:驅動電路加速MOS管關斷時間

mos管驅動電路設計

图4 加速MOS关断

關斷瞬間驅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,保證開關管能快速關斷。爲使柵源極間電容電壓的快速泄放,常在驅動電阻上並聯一個電阻和一個二極管,如圖4所示,其中D1常用的是快恢複二極管。這使關斷時間減小,同時減小關斷時的損耗。Rg2是防止關斷的時電流過大,把電源IC給燒掉。

mos管驅動電路設計

 图4-1 改进型加速MOS关断

在第二点介绍的图腾柱电路也有加快关断作用。当电源IC的驱动能力足够时,对图 2中电路改进可以加速MOS管关断时间,得到如图 4所示电路。用三极管来泄放栅源极间电容电压是比较常见的。如果Q1的发射极没有电阻,当PNP三极管导通时,栅源极间电容短接,达到最短时间内把电荷放完,最大限度减小关断时的交叉损耗。与图 3拓扑相比较,还有一个好处,就是栅源极间电容上的电荷泄放时电流不经过电源IC,提高了可靠性。

5:驅動電路加速MOS管關斷時間

mos管驅動電路設計

图5 隔离驱动

爲了滿足如圖5所示高端MOS管的驅動,經常會采用變壓器驅動,有時爲了滿足安全隔離也使用變壓器驅動。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。

除了以上驅動電路之外,還有很多其它形式的驅動電路。對于各種各樣的驅動電路並沒有一種驅動電路是最好的,只有結合具體應用,選擇最合適的驅動。


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