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MOS管驅動電路、导通性等详解-常用MOS管开关电源驱动设计-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2019-02-20 

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MOS管驅動,MOS管開關電源設計

MOS管驅動電路

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。


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管的结构中可以看到,在GS,GD之间存在寄生电容,而MOS管的驱动,实际上就是对电容的充放电。对电容的充电需要一个电流,因为对电容充电瞬间可以把电容看成短路,所以瞬间电流会比较大。选择/设计MOS管驅動时第一要注意的是可提供瞬间短路电流的大小。


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管的驅動電路及其損失。


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,MOS管開關電源設計


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下圖所示的樣子。

MOS管驅動,MOS管開關電源設計


MOS管的三個管腳之間有寄生電容存在,如下圖所示。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,MOS管開關電源設計


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。


下圖是瑞薩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,MOS管開關電源設計


常用MOS管開關電源驅動設計解析

MOS管开关电源设计,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,其驱动电路,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, 选择合适的驱动电路来连接电源IC与MOS管就显得尤其重要了。一个好的mos管驱动电路有以下几点要求:


(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,MOS管開關電源設計

源極輸出爲高電壓時的驅動電路


2:電源IC直接驅動mos

MOS管驅動,MOS管開關電源設計 

IC直接驅動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、驅動電路加速MOS管關斷時間

MOS管驅動,MOS管開關電源設計

加速MOS關斷

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,MOS管開關電源設計

改进型加速MOS關斷


4、驅動電路加速MOS管關斷時間

MOS管驅動,MOS管開關電源設計 

隔離驅動

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。


5、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,MOS管開關電源設計

騰柱驅動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。


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。


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