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mos管驱动电路设计

在使用(yong)mos管驱动(dong)电(dian)(dian)路设(she)计(ji)开关(guan)电(dian)(dian)源或者马(ma)达驱动(dong)电(dian)(dian)路的(de)(de)时候，大(da)部分人都会考虑mos的(de)(de)导通电(dian)(dian)阻，最(zui)大(da)电(dian)(dian)压等(deng)，最(zui)大(da)电(dian)(dian)流等(deng)，也有很多人仅仅考虑这些因素。这样的(de)(de)电(dian)(dian)路也许是可(ke)以工作的(de)(de)，但(dan)并不(bu)是优秀的(de)(de)，作为正式的(de)(de)产品设(she)计(ji)也是不(bu)允许的(de)(de)。

1、mos管种类和结构

mos管是(shi)FET的(de)一种(另一种是(shi)JFET)，可以被制造成(cheng)增强型(xing)或耗尽(jin)型(xing)，P沟(gou)道(dao)或N沟(gou)道(dao)共4种类型(xing)，但实际应用的(de)只(zhi)有(you)增强型(xing)的(de)N沟(gou)道(dao)MOS管和增强型(xing)的(de)P沟(gou)道(dao)mos管，所以通常提到NMOS，或者PMOS指的(de)就是(shi)这两种。右(you)图是(shi)这两种MOS管的(de)符号。

至于(yu)为什么不使用耗(hao)尽(jin)型的(de)(de)(de)(de)MOS管，不建议(yi)刨根(gen)问底。对于(yu)这两(liang)种增强型MOS管，比较常用的(de)(de)(de)(de)是NMOS。原因是导(dao)通电阻小且容易(yi)制(zhi)造。所(suo)以开关电源和马达驱动的(de)(de)(de)(de)应用中(zhong)，一般都用NMOS。下面的(de)(de)(de)(de)介绍中(zhong)，也多以NMOS为主。

在(zai)MOS管(guan)(guan)原理图上(shang)可以看到，漏极和源极之(zhi)间有一个寄生(sheng)二(er)极管(guan)(guan)。这(zhei)个叫体二(er)极管(guan)(guan)，在(zai)驱动感性负(fu)载(如马(ma)达)，这(zhei)个二(er)极管(guan)(guan)很重(zhong)要。在(zai)(zai)单个的MOS管中(zhong)存在(zai)(zai)，在(zai)(zai)集成(cheng)电(dian)路芯片内部通常是(shi)没有的。下图是(shi)MOS管的构造图，通常的原理图中(zhong)都画成(cheng)右图所示的样(yang)子。

MOS管(guan)(guan)的(de)三个管(guan)(guan)脚之间有(you)寄生电(dian)容存在，如右(you)图所示。这不是我们需要(yao)的(de)，而是由于制造工(gong)艺限(xian)制产(chan)生的(de)。寄生电(dian)容的(de)存在使得(de)在设计或选(xuan)择驱动(dong)电(dian)路的(de)时候要(yao)麻烦一些，但没有(you)办法避免(mian)，在MOS管(guan)(guan)的(de)驱动(dong)电(dian)路设计时再详细介绍。

2、MOS管导通特性

导(dao)通(tong)的(de)意思是(shi)作为开(kai)关(guan)，相当于开(kai)关(guan)闭合。

NMOS的(de)(de)特性，Vgs大于(yu)一定的(de)(de)值(zhi)就(jiu)会导通，适(shi)合用于(yu)源极接(jie)地时的(de)(de)情况(低端驱动)，只要(yao)栅极电压达(da)到4V或10V就(jiu)可以了。

PMOS的(de)特(te)性(xing)，Vgs小于一定的(de)值就会导通，使用与源极(ji)接VCC时(shi)的(de)情况(高端驱(qu)动)。但是，虽然PMOS可以很方便地用作高端驱(qu)动，但由于导通电阻大，价格贵，替换(huan)种类少(shao)等原因，在高端驱(qu)动中，通常还是使用NMOS。

右图(tu)是瑞萨2SK3418的(de)Vgs电(dian)压(ya)和Vds电(dian)压(ya)的(de)关系(xi)图(tu)。可以看出小电(dian)流(liu)时，Vgs达到4V，DS间(jian)压(ya)降已(yi)经(jing)很(hen)小，可以认(ren)为(wei)导通(tong)。 

3、MOS开关管损失

不管是NMOS还(hai)是PMOS，导(dao)(dao)通(tong)后(hou)都有导(dao)(dao)通(tong)电(dian)(dian)阻(zu)(zu)存在(zai)，因而在(zai)DS间流过电(dian)(dian)流的(de)同时，两端还(hai)会(hui)(hui)有电(dian)(dian)压(如2SK3418特性(xing)图所示)，这(zhei)(zhei)样电(dian)(dian)流就会(hui)(hui)在(zai)这(zhei)(zhei)个电(dian)(dian)阻(zu)(zu)上消耗能量，这(zhei)(zhei)部分消耗的(de)能量叫做导(dao)(dao)通(tong)损耗。选择(ze)导(dao)(dao)通(tong)电(dian)(dian)阻(zu)(zu)小的(de)MOS管会(hui)(hui)减小导(dao)(dao)通(tong)损耗。现在(zai)的(de)小功率MOS管导(dao)(dao)通(tong)电(dian)(dian)阻(zu)(zu)一般在(zai)几十毫欧(ou)左右，几毫欧(ou)的(de)也有。

mos在导通和截止的(de)(de)时候，一(yi)(yi)定不是在瞬间完成的(de)(de)。MOS两端的(de)(de)电压有(you)一(yi)(yi)个(ge)下(xia)降的(de)(de)过(guo)(guo)程，流(liu)过(guo)(guo)的(de)(de)电流(liu)有(you)一(yi)(yi)个(ge)上升的(de)(de)过(guo)(guo)程，在这段时间内，MOS管的(de)(de)损(sun)(sun)失(shi)是电压和电流(liu)的(de)(de)乘积，叫(jiao)做开(kai)关(guan)(guan)损(sun)(sun)失(shi)。通常开(kai)关(guan)(guan)损(sun)(sun)失(shi)比导通损(sun)(sun)失(shi)大(da)(da)得多，而(er)且开(kai)关(guan)(guan)频率越快，损(sun)(sun)失(shi)也(ye)越大(da)(da)。

下图(tu)是(shi)MOS管导(dao)通时(shi)的波形(xing)。可(ke)以(yi)(yi)看出(chu)，导(dao)通瞬间(jian)电(dian)压和电(dian)流的乘(cheng)积很大，造(zao)成的损(sun)失(shi)也就很大。降(jiang)低开关(guan)时(shi)间(jian)，可(ke)以(yi)(yi)减小(xiao)每(mei)次导(dao)通时(shi)的损(sun)失(shi);降(jiang)低开关(guan)频率，可(ke)以(yi)(yi)减小(xiao)单位时(shi)间(jian)内的开关(guan)次数。这两(liang)种办法都(dou)可(ke)以(yi)(yi)减小(xiao)开关(guan)损(sun)失(shi)。 

4、MOS管驱动

跟双极(ji)性晶体管(guan)(guan)相比，一般(ban)认(ren)为使(shi)MOS管(guan)(guan)导(dao)通(tong)不需(xu)要(yao)电(dian)流，只(zhi)要(yao)GS电(dian)压高于(yu)一定的(de)值，就可以了。这个很(hen)容易做到，但是，我们还需(xu)要(yao)速(su)度。

在(zai)MOS管的(de)结构中可以看(kan)到(dao)，在(zai)GS，GD之(zhi)间存在(zai)寄生(sheng)电(dian)(dian)容(rong)(rong)，而MOS管的(de)驱动，实(shi)际上(shang)就是对电(dian)(dian)容(rong)(rong)的(de)充放电(dian)(dian)。对电(dian)(dian)容(rong)(rong)的(de)充电(dian)(dian)需要(yao)一个电(dian)(dian)流(liu)，因为对电(dian)(dian)容(rong)(rong)充电(dian)(dian)瞬(shun)间可以把电(dian)(dian)容(rong)(rong)看(kan)成短(duan)路(lu)，所以瞬(shun)间电(dian)(dian)流(liu)会比较大。选择/设计MOS管驱动时第一要(yao)注(zhu)意(yi)的(de)是可提供瞬(shun)间短(duan)路(lu)电(dian)(dian)流(liu)的(de)大小。

第(di)二注意(yi)的(de)(de)是，普(pu)遍(bian)用(yong)于高端(duan)驱动的(de)(de)NMOS，导(dao)通时(shi)需要是栅极(ji)(ji)电压(ya)大(da)(da)于源极(ji)(ji)电压(ya)。而(er)高端(duan)驱动的(de)(de)MOS管(guan)导(dao)通时(shi)源极(ji)(ji)电压(ya)与漏极(ji)(ji)电压(ya)(VCC)相(xiang)同(tong)，所(suo)以(yi)这时(shi)栅极(ji)(ji)电压(ya)要比VCC大(da)(da)4V或10V。如果在同(tong)一(yi)个系统里(li)，要得到(dao)(dao)比VCC大(da)(da)的(de)(de)电压(ya)，就要专门的(de)(de)升压(ya)电路了。很(hen)多马达驱动器都集成了电荷泵，要注意(yi)的(de)(de)是应该选择合适的(de)(de)外(wai)接电容，以(yi)得到(dao)(dao)足(zu)够的(de)(de)短路电流去(qu)驱动MOS管(guan)。

上(shang)边说的(de)4V或10V是常(chang)用(yong)的(de)MOS管(guan)的(de)导(dao)通电(dian)压，设计时当然需(xu)要有(you)(you)一定(ding)的(de)余量(liang)。而且电(dian)压越高，导(dao)通速度越快，导(dao)通电(dian)阻(zu)也(ye)(ye)越小。现在也(ye)(ye)有(you)(you)导(dao)通电(dian)压更小的(de)MOS管(guan)用(yong)在不(bu)同的(de)领(ling)域(yu)里(li)，但在12V汽车电(dian)子系统里(li)，一般4V导(dao)通就够用(yong)了。MOS管(guan)的(de)驱(qu)动(dong)电(dian)路及其(qi)损失，可以参考Microchip公司AN799 Matching MOSFET Drivers to MOSFETs。讲述得很(hen)详细，所以不(bu)打算多写了。

5、MOS管应用电路

MOS管最显着的特性(xing)是(shi)开(kai)关特性(xing)好，所以(yi)被广泛应(ying)用在需(xu)要电子开(kai)关的电路(lu)中，常见的如开(kai)关电源和马达驱动，也有照明(ming)调光。这三种应(ying)用在各(ge)个领(ling)域(yu)都有详(xiang)细(xi)的介绍，这里就不多写(xie)了。

5种常用开关电源mos管驱动电路设计解析

在使用MOSFET设计(ji)开关电(dian)(dian)源(yuan)时，大(da)部分人都会考虑(lv)(lv)MOSFET的(de)(de)(de)导(dao)通电(dian)(dian)阻、最(zui)大(da)电(dian)(dian)压(ya)、最(zui)大(da)电(dian)(dian)流(liu)。但(dan)很多时候也(ye)仅仅考虑(lv)(lv)了这些因素，这样的(de)(de)(de)电(dian)(dian)路也(ye)许可以(yi)正常工作(zuo)，但(dan)并不是一(yi)个好的(de)(de)(de)设计(ji)方案。更细致(zhi)的(de)(de)(de)，MOSFET还(hai)应考虑(lv)(lv)本(ben)身(shen)寄生(sheng)的(de)(de)(de)参数。对一(yi)个确(que)定的(de)(de)(de)MOSFET，其(qi)驱动电(dian)(dian)路，驱动脚输出的(de)(de)(de)峰值电(dian)(dian)流(liu)，上升速(su)率(lv)等，都会影响MOSFET的(de)(de)(de)开关性能(neng)。当电(dian)(dian)源(yuan)IC与(yu)MOS管选(xuan)定之(zhi)后， 选(xuan)择(ze)合适(shi)的(de)(de)(de)驱动电(dian)(dian)路来连(lian)接电(dian)(dian)源(yuan)IC与(yu)MOS管就(jiu)显得尤其(qi)重要(yao)了。一(yi)个好的(de)(de)(de)mos管驱动电(dian)(dian)路有(you)以(yi)下几点要(yao)求：

(1)开(kai)关管开(kai)通(tong)瞬时，驱(qu)动电(dian)(dian)路应能(neng)提供(gong)足够(gou)大的(de)充(chong)电(dian)(dian)电(dian)(dian)流使MOSFET栅源极间电(dian)(dian)压(ya)迅速上升到所需值，保证(zheng)开(kai)关管能(neng)快速开(kai)通(tong)且(qie)不存在上升沿的(de)高(gao)频振荡(dang)。

(2)开关导(dao)(dao)通期间驱动电路能保(bao)证MOSFET栅源极间电压(ya)保(bao)持稳定且可靠导(dao)(dao)通。

(3)关断(duan)瞬间驱(qu)动电(dian)路能(neng)(neng)提(ti)供一个尽可能(neng)(neng)低阻抗的(de)通(tong)路供MOSFET栅源极(ji)间电(dian)容电(dian)压(ya)的(de)快速泄放(fang)，保证开关管能(neng)(neng)快速关断(duan)。

(4)驱动电路结构简单(dan)可靠、损耗小。

(5)根据(ju)情况(kuang)施加隔离(li)。

下面(mian)介绍几个(ge)模块电(dian)源中常用的mos管驱动(dong)电(dian)路。

1：当源极输出为高电压时的驱动

当源(yuan)极输(shu)出为高电(dian)压的情(qing)况(kuang)时，我(wo)们需要采用偏置电(dian)路达到电(dian)路工作(zuo)的目的，既我(wo)们以源(yuan)极为参考点(dian)，搭建偏置电(dian)路，驱(qu)动电(dian)压在两个电(dian)压之间波动，驱(qu)动电(dian)压偏差由低(di)电(dian)压提(ti)供(gong)。

图1 源极输出为高电压时的驱动电路

2：电源IC直接驱动mos

图2 IC直接驱动MOSFET

电(dian)(dian)源IC直接驱(qu)(qu)动(dong)(dong)是我们最(zui)常用(yong)的(de)(de)(de)驱(qu)(qu)动(dong)(dong)方(fang)式(shi)，同时也是最(zui)简(jian)单(dan)的(de)(de)(de)驱(qu)(qu)动(dong)(dong)方(fang)式(shi)，使用(yong)这(zhei)种驱(qu)(qu)动(dong)(dong)方(fang)式(shi)，应该注意几个(ge)参(can)数(shu)以及这(zhei)些(xie)参(can)数(shu)的(de)(de)(de)影响。第(di)一，查(cha)看(kan)一下电(dian)(dian)源IC手册，其最(zui)大驱(qu)(qu)动(dong)(dong)峰(feng)值(zhi)(zhi)(zhi)电(dian)(dian)流(liu)，因为不(bu)同芯(xin)片，驱(qu)(qu)动(dong)(dong)能力(li)(li)很多时候是不(bu)一样(yang)的(de)(de)(de)。第(di)二(er)，了解一下MOSFET的(de)(de)(de)寄生(sheng)电(dian)(dian)容(rong)，如图2中(zhong)C1、C2的(de)(de)(de)值(zhi)(zhi)(zhi)。如果C1、C2的(de)(de)(de)值(zhi)(zhi)(zhi)比较大，MOS管导通的(de)(de)(de)需要(yao)的(de)(de)(de)能量就(jiu)比较大，如果电(dian)(dian)源IC没有(you)比较大的(de)(de)(de)驱(qu)(qu)动(dong)(dong)峰(feng)值(zhi)(zhi)(zhi)电(dian)(dian)流(liu)，那么(me)管子导通的(de)(de)(de)速度就(jiu)比较慢。如果驱(qu)(qu)动(dong)(dong)能力(li)(li)不(bu)足，上升沿可能出现(xian)高频(pin)振(zhen)荡，即使把图2中(zhong)Rg减(jian)小(xiao)，也不(bu)能解决问题(ti)! IC驱(qu)(qu)动(dong)(dong)能力(li)(li)、MOS寄生(sheng)电(dian)(dian)容(rong)大小(xiao)、MOS管开关速度等因素，都影响驱(qu)(qu)动(dong)(dong)电(dian)(dian)阻(zu)阻(zu)值(zhi)(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)选择，所以Rg并不(bu)能无限减(jian)小(xiao)。

3：电源IC驱动能力不足时

如(ru)果选择MOS管寄生电(dian)(dian)容(rong)比较大，电(dian)(dian)源(yuan)IC内部的驱(qu)动(dong)能(neng)(neng)力又不(bu)足时，需要(yao)在(zai)驱(qu)动(dong)电(dian)(dian)路上增强驱(qu)动(dong)能(neng)(neng)力，常使用图腾柱(zhu)电(dian)(dian)路增加电(dian)(dian)源(yuan)IC驱(qu)动(dong)能(neng)(neng)力，

图(tu)3 腾柱驱动MOS

这(zhei)种驱动(dong)电(dian)路(lu)作用(yong)在于(yu)，提升电(dian)流提供能力，迅速完成(cheng)对于(yu)栅极输入(ru)电(dian)容电(dian)荷的(de)充电(dian)过程。这(zhei)种拓扑增加了导通所需(xu)要(yao)的(de)时(shi)间，但是减(jian)少(shao)了关断时(shi)间，开(kai)(kai)关管能快(kuai)速开(kai)(kai)通且避免上升沿的(de)高频(pin)振荡(dang)。

4：驱动电路加速MOS管关断时间

图4 加速MOS关断

关断瞬(shun)间驱动电(dian)(dian)(dian)路能(neng)提供(gong)(gong)一个尽可能(neng)低阻抗的通路供(gong)(gong)MOSFET栅(zha)源极(ji)间电(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)电(dian)(dian)(dian)压快速泄放，保证(zheng)开关管(guan)(guan)能(neng)快速关断。为使栅(zha)源极(ji)间电(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)电(dian)(dian)(dian)压的快速泄放，常在驱动电(dian)(dian)(dian)阻上并联一个电(dian)(dian)(dian)阻和一个二(er)极(ji)管(guan)(guan)，如图(tu)4所(suo)示，其中(zhong)D1常用(yong)的是(shi)快恢复二(er)极(ji)管(guan)(guan)。这使关断时间减小(xiao)，同时减小(xiao)关断时的损耗(hao)。Rg2是(shi)防(fang)止关断的时电(dian)(dian)(dian)流过大，把(ba)电(dian)(dian)(dian)源IC给(ji)烧掉。

 图4-1 改(gai)进型(xing)加速MOS关断

在第二点介(jie)绍的(de)(de)图(tu)腾柱电(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)也有(you)加快关断作用。当电(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)IC的(de)(de)驱(qu)动能力足够时(shi)(shi)(shi)，对图(tu) 2中电(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)改(gai)进可(ke)以加速MOS管关断时(shi)(shi)(shi)间(jian)，得到如图(tu) 4所(suo)示电(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)。用三极管来泄放栅(zha)源(yuan)(yuan)极间(jian)电(dian)(dian)(dian)(dian)容电(dian)(dian)(dian)(dian)压是比(bi)较常见的(de)(de)。如果Q1的(de)(de)发射极没有(you)电(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)，当PNP三极管导(dao)通时(shi)(shi)(shi)，栅(zha)源(yuan)(yuan)极间(jian)电(dian)(dian)(dian)(dian)容短接，达(da)到最(zui)短时(shi)(shi)(shi)间(jian)内把电(dian)(dian)(dian)(dian)荷(he)放完，最(zui)大限度减小关断时(shi)(shi)(shi)的(de)(de)交叉损耗(hao)。与图(tu) 3拓扑相比(bi)较，还有(you)一(yi)个好处，就是栅(zha)源(yuan)(yuan)极间(jian)电(dian)(dian)(dian)(dian)容上的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)荷(he)泄放时(shi)(shi)(shi)电(dian)(dian)(dian)(dian)流不经(jing)过电(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)IC，提高了可(ke)靠性(xing)。

5：驱动电路加速MOS管关断时间

图5 隔(ge)离(li)驱动

为(wei)了满(man)足(zu)如图5所示高(gao)端(duan)MOS管(guan)的(de)(de)(de)驱动(dong)，经常会采用变(bian)压器(qi)驱动(dong)，有时(shi)为(wei)了满(man)足(zu)安全隔离也使用变(bian)压器(qi)驱动(dong)。其中R1目的(de)(de)(de)是抑制(zhi)PCB板(ban)上寄生的(de)(de)(de)电感与C1形成LC振(zhen)荡，C1的(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)是隔开(kai)直流，通过交(jiao)流，同(tong)时(shi)也能防止磁芯饱和。

除了(le)以上驱动电(dian)路(lu)之外，还有(you)很多其(qi)它形式的驱动电(dian)路(lu)。对于各种各样的驱动电(dian)路(lu)并没有(you)一种驱动电(dian)路(lu)是最(zui)好的，只(zhi)有(you)结合(he)具体应用，选(xuan)择最(zui)合(he)适的驱动。

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