一、MOS管驱动电路

在使用MOS管设计(ji)开(kai)关(guan)电(dian)源或者马达驱动电(dian)路的时候，大(da)部分人都会考虑MOS的导(dao)通电(dian)阻，最大(da)电(dian)压等(deng)，最大(da)电(dian)流等(deng)，也(ye)有很多人仅(jin)(jin)仅(jin)(jin)考虑这些因素。这样的电(dian)路也(ye)许是可以工作的，但并不(bu)是优(you)秀的，作为正(zheng)式的产品设计(ji)也(ye)是不(bu)允(yun)许的。

1、MOS管种类和结构

MOSFET管(guan)是FET的一(yi)种(zhong)（另一(yi)种(zhong)是JFET），可以(yi)被制造(zao)成增强(qiang)(qiang)型(xing)(xing)(xing)(xing)或(huo)(huo)耗尽型(xing)(xing)(xing)(xing)，P沟(gou)道或(huo)(huo)N沟(gou)道共4种(zhong)类型(xing)(xing)(xing)(xing)，但实(shi)际应(ying)用的只有增强(qiang)(qiang)型(xing)(xing)(xing)(xing)的N沟(gou)道MOS管(guan)和(he)增强(qiang)(qiang)型(xing)(xing)(xing)(xing)的P沟(gou)道MOS管(guan)，所以(yi)通常(chang)提到NMOS，或(huo)(huo)者PMOS指(zhi)的就是这两种(zhong)。

至于为(wei)什么不使用耗尽(jin)型的MOS管，不建(jian)议刨根问底。

对于(yu)这两种增强(qiang)型MOS管，比(bi)较常用(yong)(yong)的(de)是(shi)NMOS。原因(yin)是(shi)导通电阻(zu)小，且容易(yi)制造。所(suo)以开关电源(yuan)和马达驱动的(de)应用(yong)(yong)中，一般都(dou)用(yong)(yong)NMOS。下面的(de)介绍中，也多以NMOS为主。

MOS管(guan)的(de)三个(ge)管(guan)脚之间有寄(ji)生电(dian)容存在(zai)，这不是我们需要的(de)，而(er)是由于(yu)制造工(gong)艺限制产生的(de)。寄(ji)生电(dian)容的(de)存在(zai)使得(de)在(zai)设计或选择驱动电(dian)路(lu)的(de)时候(hou)要麻烦一些，但没(mei)有办法(fa)避免，后边再详(xiang)细介绍。

在(zai)MOS管(guan)(guan)(guan)原理图上可以看到，漏极(ji)(ji)和源极(ji)(ji)之间有一个(ge)(ge)(ge)寄生(sheng)二(er)(er)极(ji)(ji)管(guan)(guan)(guan)。这(zhei)个(ge)(ge)(ge)叫体二(er)(er)极(ji)(ji)管(guan)(guan)(guan)，在(zai)驱动感性(xing)负(fu)载(zai)（如马达），这(zhei)个(ge)(ge)(ge)二(er)(er)极(ji)(ji)管(guan)(guan)(guan)很重要。顺便说一句，体二(er)(er)极(ji)(ji)管(guan)(guan)(guan)只在(zai)单个(ge)(ge)(ge)的MOS管(guan)(guan)(guan)中存在(zai)，在(zai)集成(cheng)电路芯(xin)片内部(bu)通常是没有的。

2、MOS管导通特性

导(dao)通(tong)的意思是作为开(kai)关，相当于开(kai)关闭(bi)合。

NMOS的(de)特(te)性，Vgs大于一定的(de)值就会导(dao)通，适(shi)合用于源极(ji)接地时(shi)的(de)情况（低端驱动），只(zhi)要栅极(ji)电(dian)压达到4V或10V就可(ke)以(yi)了(le)。

PMOS的特性(xing)，Vgs小于一定的值就会(hui)导通，适合用(yong)(yong)于源极接VCC时的情况（高(gao)端驱(qu)动(dong)）。但是，虽然PMOS可以很方便地用(yong)(yong)作高(gao)端驱(qu)动(dong)，但由(you)于导通电阻大，价(jia)格贵，替换(huan)种类少等原(yuan)因(yin)，在高(gao)端驱(qu)动(dong)中(zhong)，通常还是使用(yong)(yong)NMOS。

3、MOS开关管损失

MOS管(guan)(guan)驱(qu)动电(dian)(dian)路不(bu)管(guan)(guan)是NMOS还(hai)是PMOS，导通(tong)(tong)后都有(you)导通(tong)(tong)电(dian)(dian)阻存在，这样电(dian)(dian)流就(jiu)会在这个(ge)电(dian)(dian)阻上消耗能量，这部(bu)分消耗的(de)(de)能量叫做导通(tong)(tong)损耗。选择导通(tong)(tong)电(dian)(dian)阻小(xiao)的(de)(de)MOS管(guan)(guan)会减小(xiao)导通(tong)(tong)损耗。现(xian)在的(de)(de)小(xiao)功率(lv)MOS管(guan)(guan)导通(tong)(tong)电(dian)(dian)阻一(yi)般在几(ji)十毫欧(ou)左(zuo)右，几(ji)毫欧(ou)的(de)(de)也(ye)有(you)。

MOS在(zai)导通和截止的(de)时候(hou)，一定不是在(zai)瞬间完成的(de)。MOS两端的(de)电压有一个下(xia)降的(de)过(guo)程，流过(guo)的(de)电流有一个上(shang)升的(de)过(guo)程，在(zai)这(zhei)段时间内，MOS管(guan)的(de)损(sun)(sun)失是电压和电流的(de)乘积，叫做开关(guan)损(sun)(sun)失。通常开关(guan)损(sun)(sun)失比导通损(sun)(sun)失大(da)得多(duo)，而且(qie)开关(guan)频(pin)率越快，损(sun)(sun)失也越大(da)。

导(dao)通瞬(shun)间电压(ya)和(he)电流(liu)的(de)乘积很大(da)，造成的(de)损(sun)(sun)失也就(jiu)很大(da)。缩短开关时(shi)间，可以(yi)减(jian)小每次导(dao)通时(shi)的(de)损(sun)(sun)失；降低开关频(pin)率，可以(yi)减(jian)小单位时(shi)间内(nei)的(de)开关次数。这两(liang)种(zhong)办法都可以(yi)减(jian)小开关损(sun)(sun)失。

4、MOS管驱动

跟双极性晶体管相(xiang)比，一般认为使(shi)MOS管导通(tong)不需要电(dian)(dian)流，只要GS电(dian)(dian)压高于一定的值，就可以了(le)。这个很容易做(zuo)到(dao)，但是，我们(men)还需要速(su)度。

在MOS管的(de)(de)(de)结(jie)构(gou)中可(ke)以看到，在GS，GD之间(jian)存在寄生(sheng)电(dian)容(rong)，而MOS管的(de)(de)(de)驱(qu)动，实(shi)际上就是对(dui)(dui)电(dian)容(rong)的(de)(de)(de)充放电(dian)。对(dui)(dui)电(dian)容(rong)的(de)(de)(de)充电(dian)需要一(yi)个电(dian)流(liu)，因为对(dui)(dui)电(dian)容(rong)充电(dian)瞬间(jian)可(ke)以把电(dian)容(rong)看成(cheng)短(duan)路，所以瞬间(jian)电(dian)流(liu)会(hui)比较大。选择/设(she)计MOS管驱(qu)动时第一(yi)要注(zhu)意的(de)(de)(de)是可(ke)提供瞬间(jian)短(duan)路电(dian)流(liu)的(de)(de)(de)大小(xiao)。

MOS管(guan)驱(qu)动(dong)电(dian)(dian)(dian)路(lu)第(di)二注意(yi)(yi)的(de)(de)是，普遍用于高端驱(qu)动(dong)的(de)(de)NMOS，导通时需(xu)要(yao)(yao)是栅(zha)极(ji)电(dian)(dian)(dian)压大(da)于源(yuan)极(ji)电(dian)(dian)(dian)压。而(er)高端驱(qu)动(dong)的(de)(de)MOS管(guan)导通时源(yuan)极(ji)电(dian)(dian)(dian)压与(yu)漏(lou)极(ji)电(dian)(dian)(dian)压（VCC）相同，所以这时 栅(zha)极(ji)电(dian)(dian)(dian)压要(yao)(yao)比VCC大(da)4V或10V。如果在同一个系(xi)统里，要(yao)(yao)得到比VCC大(da)的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)压，就要(yao)(yao)专门的(de)(de)升(sheng)压电(dian)(dian)(dian)路(lu)了。很多马达驱(qu)动(dong)器都集成了电(dian)(dian)(dian)荷泵，要(yao)(yao)注意(yi)(yi)的(de)(de)是应该 选择合适的(de)(de)外(wai)接电(dian)(dian)(dian)容，以得到足(zu)够的(de)(de)短(duan)路(lu)电(dian)(dian)(dian)流去(qu)驱(qu)动(dong)MOS管(guan)。

上边说的4V或10V是常用(yong)的MOS管(guan)的导通(tong)电(dian)(dian)压(ya)，设计时(shi)当然需要(yao)有一(yi)(yi)定的余量(liang)。而(er)且电(dian)(dian)压(ya)越高(gao)，导通(tong)速(su)度越快，导通(tong)电(dian)(dian)阻也(ye)越小(xiao)。现(xian)在(zai)也(ye)有导通(tong)电(dian)(dian)压(ya)更小(xiao)的MOS管(guan)用(yong)在(zai)不同的领域(yu)里，但在(zai)12V汽车(che)电(dian)(dian)子(zi)系统里，一(yi)(yi)般4V导通(tong)就够用(yong)了。

MOS管的(de)驱动电(dian)路及其(qi)损失，可(ke)以参考Microchip公司的(de)AN799 Matching MOSFET Drivers to MOSFETs。讲述得很详细，所以不(bu)打算(suan)多(duo)写了。

5、MOS管应用电路

MOS管(guan)最(zui)显著(zhu)的特(te)(te)性(xing)是开关(guan)(guan)特(te)(te)性(xing)好，所以被广泛(fan)应用在(zai)需要电(dian)子开关(guan)(guan)的电(dian)路中(zhong)，常(chang)见的如开关(guan)(guan)电(dian)源和马达驱动(dong)，也(ye)有照明(ming)调光。

二、现在的MOS驱动，有几个特别的应用

1、低压应用

当(dang)使用5V电(dian)源(yuan)，这时(shi)候如果使用传统的(de)图腾柱(zhu)结(jie)构，由于三极管(guan)的(de)be有0.7V左右的(de)压降，导致实(shi)际(ji)最终加在(zai)gate上的(de)电(dian)压只(zhi)有4.3V。这时(shi)候，我们选用标称gate电(dian)压4.5V的(de)MOS管(guan)就存在(zai)一定的(de)风险。

同样的问题也发生在(zai)使用3V或(huo)者(zhe)其(qi)他低压电源的场合(he)。

2、宽电压应用

输入电压(ya)并不(bu)是(shi)一个固定值，它会随着时间或者其(qi)他(ta)因素而变动。这个变动导致PWM电路提供给MOS管的(de)驱(qu)动电压(ya)是(shi)不(bu)稳定的(de)。

为了(le)让(rang)MOS管在高gate电(dian)(dian)压(ya)下安全，很多MOS管内置(zhi)了(le)稳压(ya)管强行(xing)限(xian)制gate电(dian)(dian)压(ya)的幅(fu)值。在这种情(qing)况下，当提供的驱(qu)动电(dian)(dian)压(ya)超过(guo)稳压(ya)管的电(dian)(dian)压(ya)，就会引起较大(da)的静态功耗。

同时，如果简(jian)单的(de)用(yong)电(dian)(dian)阻分压(ya)的(de)原理降(jiang)低gate电(dian)(dian)压(ya)，就会出现(xian)输入电(dian)(dian)压(ya)比较高的(de)时候(hou)，MOS管工(gong)作(zuo)良好，而(er)输入电(dian)(dian)压(ya)降(jiang)低的(de)时候(hou)gate电(dian)(dian)压(ya)不(bu)(bu)足，引起导(dao)通不(bu)(bu)够彻底，从而(er)增(zeng)加功耗。

3、双电压应用

在一些控制电(dian)路中，逻辑(ji)部分使(shi)用(yong)典型的5V或者(zhe)3.3V数字电(dian)压，而功率(lv)部分使(shi)用(yong)12V甚(shen)至更高的电(dian)压。两个电(dian)压采用(yong)共地方式(shi)连(lian)接。MOS管驱(qu)动(dong)电(dian)路

这就提出一(yi)个要求，需要使用一(yi)个电路，让低压侧(ce)(ce)能够有(you)效的控制高(gao)压侧(ce)(ce)的MOS管，同(tong)时(shi)高(gao)压侧(ce)(ce)的MOS管也同(tong)样会面对1和2中提到的问(wen)题。

在这(zhei)三种情况下，图腾(teng)柱(zhu)结(jie)构(gou)无法满足输出(chu)要求，而很多(duo)现(xian)成(cheng)的MOS驱动IC，似乎也没(mei)有包含gate电压限制的结(jie)构(gou)。

三、相对通用的电路

电路图如下：

图1 用于NMOS的驱动电路(lu)

图2用于PMOS的驱动电路

这里(li)只针对NMOS驱(qu)动电(dian)路做(zuo)一个简单(dan)分析：

Vl和(he)Vh分(fen)别是低端(duan)(duan)和(he)高端(duan)(duan)的(de)电(dian)源，两(liang)个(ge)电(dian)压可以(yi)是相(xiang)同的(de)，但是Vl不应该超过(guo)Vh。

Q1和Q2组成了一个反置的图腾柱，用来实现隔离，同时确保两只驱(qu)动管Q3和Q4不会(hui)同时导(dao)通。

R2和R3提供了PWM电压(ya)基(ji)准(zhun)，通过改变这个基(ji)准(zhun)，可以(yi)让电路工作在PWM信号波形比较(jiao)陡直的位置。

Q3和(he)Q4用来提供驱动电流(liu)，由于导通的时候，Q3和(he)Q4相(xiang)对Vh和(he)GND最低都只(zhi)有一个Vce的压(ya)降，这(zhei)个压(ya)降通常只(zhi)有0.3V左右，大大低于0.7V的Vce。

R5和R6是(shi)反(fan)(fan)馈(kui)电阻，用于对gate电压进行采样，采样后的电压通过Q5对Q1和Q2的基极产生一个(ge)强烈(lie)的负反(fan)(fan)馈(kui)，从而(er)把gate电压限(xian)制在一个(ge)有限(xian)的数(shu)值(zhi)。这个(ge)数(shu)值(zhi)可以通过R5和R6来调(diao)节。

最后，R1提供了对Q3和Q4的(de)基极电流(liu)限(xian)制，R4提供了对MOS管的(de)gate电流(liu)限(xian)制，也(ye)就是Q3和Q4的(de)Ice的(de)限(xian)制。必要的(de)时候可(ke)以在R4上面并联(lian)加速电容(rong)。

这个电路提供了如下的特性：

1，用低端电压(ya)和PWM驱动高端MOS管。

2，用(yong)小幅度的PWM信号驱(qu)动高gate电(dian)压需求的MOS管。

3，gate电(dian)压的峰值限制

4，输入和(he)输出的电(dian)流限制

5，通过使(shi)用合适的电阻，可以(yi)达(da)到很低(di)的功耗。

6，PWM信号反(fan)相。NMOS并不需(xu)要这个特性，可以通过前(qian)置一个反(fan)相器来解决。

一种低电压高频率采用自举电路(lu)的(de)BiCMOS驱动电路(lu)

在设(she)计(ji)便携式(shi)(shi)设(she)备和无(wu)线产(chan)品时，提(ti)高产(chan)品性能、延长电池工(gong)作时间(jian)是设(she)计(ji)人员需要面对的两个问题(ti)。DC-DC转换器具有效率(lv)高、输出电流大、静态电流小等优点，非常适用于为便携式(shi)(shi)设(she)备供电。目前DC-DC转换器设(she)计(ji)技术(shu)发展主要趋(qu)势有：

（1）高(gao)频(pin)化技术：随着(zhe)开关(guan)(guan)频(pin)率的(de)提高(gao)，开关(guan)(guan)变换器(qi)的(de)体积也(ye)(ye)随之减小，功率密度(du)也(ye)(ye)得到大幅(fu)提升(sheng)，动态响(xiang)应得到改善(shan)。小功率DC-DC转换器(qi)的(de)开关(guan)(guan)频(pin)率将上(shang)升(sheng)到兆(zhao)赫级。

（2）低(di)输出(chu)电(dian)压技(ji)术(shu)(shu)：随(sui)着(zhe)半导(dao)体(ti)制造(zao)技(ji)术(shu)(shu)的不断发展，微处理器和(he)便(bian)携(xie)式电(dian)子(zi)设备的工作电(dian)压越来越低(di)，这(zhei)就要(yao)求未来的DC-DC变换器能够提供低(di)输出(chu)电(dian)压以(yi)适应微处理器和(he)便(bian)携(xie)式电(dian)子(zi)设备的要(yao)求。

这些(xie)技术的(de)(de)发展对电(dian)(dian)源(yuan)芯片电(dian)(dian)路的(de)(de)设计(ji)提(ti)出(chu)了更高的(de)(de)要求。首先，随着开关(guan)频(pin)率的(de)(de)不断提(ti)高，对于开关(guan)元(yuan)件(jian)的(de)(de)性能提(ti)出(chu)了很高的(de)(de)要求，同时必须具有相应(ying)的(de)(de)开关(guan)元(yuan)件(jian) 驱(qu)动(dong)电(dian)(dian)路以保(bao)证开关(guan)元(yuan)件(jian)在高达兆(zhao)赫级的(de)(de)开关(guan)频(pin)率下正(zheng)常工作(zuo)。其次，对于电(dian)(dian)池供(gong)电(dian)(dian)的(de)(de)便携式电(dian)(dian)子设备来说，电(dian)(dian)路的(de)(de)工作(zuo)电(dian)(dian)压(ya)低(di)（以锂电(dian)(dian)池为例，工作(zuo)电(dian)(dian)压(ya) 2.5～3.6V），因(yin)此，电(dian)(dian)源(yuan)芯片的(de)(de)工作(zuo)电(dian)(dian)压(ya)较低(di)。

MOS管(guan)(guan)(guan)(guan)具有很低的(de)导通电阻(zu)，消耗能量较低，在目前流行(xing)的(de)高效DC－DC芯片中多采用MOS管(guan)(guan)(guan)(guan)作(zuo)为功率开(kai)关。但(dan)是由于MOS管(guan)(guan)(guan)(guan)的(de)寄(ji)生电容(rong)大，一般(ban)情况下NMOS开(kai)关管(guan)(guan)(guan)(guan)的(de)栅极电容(rong)高达几十皮(pi)法。这对于设计高工作(zuo)频率DC－DC转换器开(kai)关管(guan)(guan)(guan)(guan)驱动电路的(de)设计提出了更高的(de)要求。

在(zai)低电(dian)(dian)压(ya)(ya)ULSI设(she)计中有(you)多种CMOS、BiCMOS采(cai)用(yong)自举升压(ya)(ya)结构的(de)(de)逻辑(ji)电(dian)(dian)路和作(zuo)为大容(rong)性负载的(de)(de)驱动(dong)电(dian)(dian)路。这些电(dian)(dian)路能够(gou)(gou)在(zai)低于1V电(dian)(dian)压(ya)(ya)供电(dian)(dian)条件(jian)(jian)下正常 工(gong)(gong)(gong)作(zuo)，并(bing)且能够(gou)(gou)在(zai)负载电(dian)(dian)容(rong)1～2pF的(de)(de)条件(jian)(jian)下工(gong)(gong)(gong)作(zuo)频(pin)率能够(gou)(gou)达(da)到几十兆甚至上(shang)百兆赫(he)兹。本文(wen)正是采(cai)用(yong)了自举升压(ya)(ya)电(dian)(dian)路，设(she)计了一种具有(you)大负载电(dian)(dian)容(rong)驱动(dong)能力的(de)(de)， 适合于低电(dian)(dian)压(ya)(ya)、高(gao)开关频(pin)率升压(ya)(ya)型DC－DC转换器的(de)(de)驱动(dong)电(dian)(dian)路。电(dian)(dian)路基于Samsung AHP615 BiCMOS工(gong)(gong)(gong)艺设(she)计并(bing)经过Hspice仿真验证，在(zai)供电(dian)(dian)电(dian)(dian)压(ya)(ya)1.5V ，负载电(dian)(dian)容(rong)为60pF时，工(gong)(gong)(gong)作(zuo)频(pin)率能够(gou)(gou)达(da)到5MHz以上(shang)。

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