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mos经典驱动电路

一、MOS经典驱动电路

在使用MOS管设计开关电源或者马达驱动(dong)电路的时(shi)候，大部分人都会考(kao)虑(lv)MOS的导通电阻，最大电压等(deng)，最大电流等(deng)，也有(you)很多人仅仅考(kao)虑(lv)这些因素。这样的电路也许是(shi)可以工作的，但并(bing)不是(shi)优秀的，作为(wei)正式(shi)的产品设计也是(shi)不允(yun)许的。

1、MOS管种类和结构

MOSFET管是FET的(de)(de)一种（另一种是JFET），可以被制造(zao)成增强(qiang)型(xing)(xing)或耗(hao)尽型(xing)(xing)，P沟(gou)道(dao)(dao)或N沟(gou)道(dao)(dao)共4种类型(xing)(xing)，但(dan)实际应用的(de)(de)只有增强(qiang)型(xing)(xing)的(de)(de)N沟(gou)道(dao)(dao)MOS管和(he)增强(qiang)型(xing)(xing)的(de)(de)P沟(gou)道(dao)(dao)MOS管，所以通常提到NMOS，或者PMOS指的(de)(de)就是这两种。

至(zhi)于为(wei)什(shen)么不使用(yong)耗尽型的MOS管，不建议刨根问底。

对于这两(liang)种增强型MOS管，比较常(chang)用的(de)(de)是NMOS。原因是导(dao)通电阻(zu)小，且容易制造。所以开(kai)关电源和马达(da)驱(qu)动的(de)(de)应用中，一般(ban)都用NMOS。下面(mian)的(de)(de)介(jie)绍中，也多以NMOS为主。

MOS管的(de)三个管脚之间有寄生电容(rong)存在，这不是我们需要的(de)，而(er)是由于制造工艺限制产生的(de)。寄生电容(rong)的(de)存在使得在设计或选择驱动电路(lu)的(de)时候要麻烦一些，但没有办(ban)法(fa)避免，后(hou)边再(zai)详细介(jie)绍(shao)。

在(zai)MOS管原理(li)图上可(ke)以看到，漏极(ji)和(he)源(yuan)极(ji)之间有一个(ge)寄生二极(ji)管。这(zhei)个(ge)叫体二极(ji)管，在(zai)驱动感性负载（如马达），这(zhei)个(ge)二极(ji)管很重要。顺便说一句，体二极(ji)管只在(zai)单个(ge)的(de)(de)MOS管中存在(zai)，在(zai)集成(cheng)电(dian)路芯片(pian)内(nei)部(bu)通常是没有的(de)(de)。

2、MOS管导通特性

导通(tong)的意(yi)思是(shi)作为开关，相当(dang)于开关闭合。

NMOS的(de)特性(xing)，Vgs大于一定的(de)值就会导通，适合用(yong)于源极(ji)接地时(shi)的(de)情况（低端驱(qu)动），只要栅(zha)极(ji)电压达(da)到4V或10V就可以了(le)。

PMOS的(de)特性(xing)，Vgs小于一定的(de)值(zhi)就会导通(tong)，适合用于源极接VCC时的(de)情(qing)况（高端(duan)驱(qu)动(dong)）。但是(shi)，虽然(ran)PMOS可以很方便地用作高端(duan)驱(qu)动(dong)，但由于导通(tong)电(dian)阻大，价格贵，替(ti)换种类(lei)少(shao)等原(yuan)因，在高端(duan)驱(qu)动(dong)中，通(tong)常还是(shi)使(shi)用NMOS。

3、MOS开关管损失

MOS管(guan)(guan)驱动电路不管(guan)(guan)是NMOS还是PMOS，导(dao)(dao)通(tong)后都有(you)导(dao)(dao)通(tong)电阻存在(zai)，这(zhei)(zhei)(zhei)样电流就会在(zai)这(zhei)(zhei)(zhei)个电阻上消(xiao)耗能量，这(zhei)(zhei)(zhei)部(bu)分消(xiao)耗的能量叫做导(dao)(dao)通(tong)损(sun)耗。选择(ze)导(dao)(dao)通(tong)电阻小的MOS管(guan)(guan)会减小导(dao)(dao)通(tong)损(sun)耗。现在(zai)的小功(gong)率MOS管(guan)(guan)导(dao)(dao)通(tong)电阻一般在(zai)几十毫欧(ou)左右，几毫欧(ou)的也有(you)。

MOS在导(dao)通(tong)和截止的(de)(de)时(shi)候，一(yi)定不是(shi)在瞬间完成的(de)(de)。MOS两端的(de)(de)电压(ya)有(you)一(yi)个下降的(de)(de)过(guo)程，流(liu)(liu)过(guo)的(de)(de)电流(liu)(liu)有(you)一(yi)个上升(sheng)的(de)(de)过(guo)程，在这段时(shi)间内，MOS管的(de)(de)损失(shi)(shi)是(shi)电压(ya)和电流(liu)(liu)的(de)(de)乘积，叫做开关损失(shi)(shi)。通(tong)常开关损失(shi)(shi)比导(dao)通(tong)损失(shi)(shi)大得多，而(er)且开关频(pin)率越(yue)快，损失(shi)(shi)也越(yue)大。

导通瞬间(jian)电压和电流(liu)的乘积很大，造成的损(sun)失也就很大。缩短开(kai)(kai)关(guan)时间(jian)，可以减小(xiao)每次导通时的损(sun)失；降低(di)开(kai)(kai)关(guan)频率，可以减小(xiao)单(dan)位时间(jian)内的开(kai)(kai)关(guan)次数。这(zhei)两种(zhong)办(ban)法都可以减小(xiao)开(kai)(kai)关(guan)损(sun)失。

4、MOS管驱动

跟双极性晶体管相(xiang)比，一(yi)般认(ren)为使MOS管导通不需要电流，只要GS电压高于一(yi)定的值，就可以了。这个很容(rong)易做到，但是，我们还(hai)需要速度。

在MOS管(guan)(guan)的(de)(de)(de)结构中可以(yi)看(kan)到，在GS，GD之(zhi)间存在寄(ji)生电(dian)(dian)容(rong)(rong)，而MOS管(guan)(guan)的(de)(de)(de)驱动，实际上就是(shi)对电(dian)(dian)容(rong)(rong)的(de)(de)(de)充(chong)(chong)放(fang)电(dian)(dian)。对电(dian)(dian)容(rong)(rong)的(de)(de)(de)充(chong)(chong)电(dian)(dian)需要一个电(dian)(dian)流，因为对电(dian)(dian)容(rong)(rong)充(chong)(chong)电(dian)(dian)瞬(shun)间可以(yi)把电(dian)(dian)容(rong)(rong)看(kan)成短路，所(suo)以(yi)瞬(shun)间电(dian)(dian)流会比较大。选择(ze)/设计MOS管(guan)(guan)驱动时第(di)一要注意的(de)(de)(de)是(shi)可提(ti)供(gong)瞬(shun)间短路电(dian)(dian)流的(de)(de)(de)大小(xiao)。

MOS管(guan)驱(qu)动(dong)电(dian)(dian)(dian)路(lu)第二注意的(de)(de)是(shi)，普遍用于高端(duan)驱(qu)动(dong)的(de)(de)NMOS，导通(tong)时需要是(shi)栅极(ji)电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)大(da)于源极(ji)电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)。而(er)高端(duan)驱(qu)动(dong)的(de)(de)MOS管(guan)导通(tong)时源极(ji)电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)与漏(lou)极(ji)电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)（VCC）相同(tong)(tong)，所以(yi)这时 栅极(ji)电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)要比VCC大(da)4V或10V。如果在同(tong)(tong)一(yi)个系统里，要得到比VCC大(da)的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)，就要专(zhuan)门的(de)(de)升压(ya)(ya)(ya)电(dian)(dian)(dian)路(lu)了(le)(le)。很多(duo)马达(da)驱(qu)动(dong)器都集成(cheng)了(le)(le)电(dian)(dian)(dian)荷(he)泵，要注意的(de)(de)是(shi)应该(gai) 选择合适的(de)(de)外接电(dian)(dian)(dian)容，以(yi)得到足够(gou)的(de)(de)短路(lu)电(dian)(dian)(dian)流去驱(qu)动(dong)MOS管(guan)。

上(shang)边说(shuo)的4V或10V是常用(yong)的MOS管的导(dao)通(tong)电压(ya)，设计时当然需要有(you)一(yi)定(ding)的余量(liang)。而且电压(ya)越(yue)(yue)高，导(dao)通(tong)速度越(yue)(yue)快(kuai)，导(dao)通(tong)电阻也(ye)越(yue)(yue)小(xiao)。现(xian)在也(ye)有(you)导(dao)通(tong)电压(ya)更小(xiao)的MOS管用(yong)在不同的领域里(li)(li)，但在12V汽(qi)车(che)电子系统里(li)(li)，一(yi)般4V导(dao)通(tong)就(jiu)够用(yong)了。

MOS管(guan)的驱动(dong)电路及其损(sun)失，可以(yi)参考(kao)Microchip公司的AN799 Matching MOSFET Drivers to MOSFETs。

mos经典驱动电路详解

现在的mos经典驱动电(dian)路，有(you)几个特别的需求：

1，低压应用

当使(shi)用5V电源，这(zhei)时候如果使(shi)用传(chuan)统(tong)的(de)图(tu)腾(teng)柱结构，由于三极管(guan)的(de)be有(you)0.7V左右的(de)压降，导致实际最终(zhong)加在(zai)(zai)gate上(shang)的(de)电压只有(you)4.3V。这(zhei)时候，我们选用标称(cheng)gate电压4.5V的(de)MOS管(guan)就存在(zai)(zai)一定的(de)风险。

同样的问(wen)题(ti)也发生(sheng)在使用3V或者其他低(di)压电(dian)源的场(chang)合。

2，宽电压应用

输入电压(ya)并(bing)不是(shi)一个固定值，它(ta)会随(sui)着时间(jian)或者(zhe)其他因素(su)而变动(dong)。这(zhei)个变动(dong)导致PWM电路提供给(ji)MOS管的驱(qu)动(dong)电压(ya)是(shi)不稳定的。

为了(le)让MOS管(guan)在(zai)高gate电压(ya)下(xia)(xia)安(an)全，很多(duo)MOS管(guan)内置了(le)稳压(ya)管(guan)强行限制gate电压(ya)的(de)幅值。在(zai)这种情况下(xia)(xia)，当提供的(de)驱(qu)动电压(ya)超过稳压(ya)管(guan)的(de)电压(ya)，就(jiu)会引起较(jiao)大的(de)静态(tai)功耗。

同时(shi)，如果简(jian)单的用电(dian)阻分(fen)压(ya)的原理降低(di)gate电(dian)压(ya)，就(jiu)会(hui)出现(xian)输(shu)入电(dian)压(ya)比较高的时(shi)候，MOS管工作良(liang)好(hao)，而输(shu)入电(dian)压(ya)降低(di)的时(shi)候gate电(dian)压(ya)不足，引起导通不够彻底(di)，从而增加功耗。

3，双电压应用

在一些控制(zhi)电(dian)路中(zhong)，逻辑部分使(shi)(shi)用(yong)典型的5V或者3.3V数字电(dian)压(ya)(ya)，而功率部分使(shi)(shi)用(yong)12V甚(shen)至更高的电(dian)压(ya)(ya)。两(liang)个(ge)电(dian)压(ya)(ya)采用(yong)共地(di)方式连接。

这就提出一(yi)个要求，需要使用一(yi)个电路，让低压侧能够有效的(de)控制高压侧的(de)MOS管，同(tong)时(shi)高压侧的(de)MOS管也同(tong)样会面对1和(he)2中提到的(de)问题。

在这三种情况下，图腾(teng)柱(zhu)结构无(wu)法满足输(shu)出(chu)要求，而很多现(xian)成的MOS驱动IC，似乎也没有包含(han)gate电压限(xian)制的结构。

于是我设计了(le)一个相对通用的电路来满足这(zhei)三种(zhong)需求。

mos经典驱动电(dian)路图如(ru)下(xia)：

图1 用于(yu)NMOS的驱动电路

图(tu)2 用(yong)于PMOS的(de)驱动电路

这(zhei)里(li)我只针对NMOS驱动(dong)电路做一(yi)个简单分(fen)析(xi)：

Vl和(he)(he)Vh分(fen)别(bie)是低(di)端和(he)(he)高端的(de)电(dian)源(yuan)，两个(ge)电(dian)压可(ke)以是相同(tong)的(de)，但是Vl不应该(gai)超过Vh。Q1和(he)(he)Q2组成了一个(ge)反置的(de)图(tu)腾柱，用来实现隔离(li)，同(tong)时(shi)确保两只(zhi)驱(qu)动管Q3和(he)(he)Q4不会同(tong)时(shi)导通(tong)。R2和(he)(he)R3提(ti)供了PWM电(dian)压基准(zhun)，通(tong)过改变这个(ge)基准(zhun)，可(ke)以让电(dian)路工作在PWM信号波形比较陡(dou)直的(de)位置。

Q3和Q4用来提供驱动电流，由于导通的时候，Q3和Q4相(xiang)对(dui)Vh和GND最低都只有(you)一个(ge)Vce的压(ya)降，这个(ge)压(ya)降通常(chang)只有(you)0.3V左(zuo)右(you)，大(da)(da)大(da)(da)低于0.7V的Vce。

R5和(he)R6是反(fan)馈(kui)(kui)电(dian)阻，用于对(dui)gate电(dian)压(ya)进行采样，采样后的电(dian)压(ya)通(tong)过Q5对(dui)Q1和(he)Q2的基极产生一个(ge)强(qiang)烈的负(fu)反(fan)馈(kui)(kui)，从而把gate电(dian)压(ya)限(xian)(xian)制在一个(ge)有限(xian)(xian)的数值。这(zhei)个(ge)数值可以(yi)通(tong)过R5和(he)R6来调节。

最后，R1提供(gong)了对(dui)Q3和(he)Q4的(de)基极电(dian)流限制(zhi)(zhi)，R4提供(gong)了对(dui)MOS管的(de)gate电(dian)流限制(zhi)(zhi)，也就是(shi)Q3和(he)Q4的(de)Ice的(de)限制(zhi)(zhi)。必要(yao)的(de)时候可(ke)以在R4上面并(bing)联加速电(dian)容。

这个电路提供了如下的(de)特性：

1，用低端电压和PWM驱(qu)动高端MOS管(guan)。

2，用小幅度的(de)PWM信号驱动(dong)高gate电压需求的(de)MOS管(guan)。

3，gate电压的峰值限制

4，输入和输出的(de)电流限制

5，通(tong)过(guo)使用合适的(de)电阻，可以达到很(hen)低的(de)功耗。

6，PWM信号反相。NMOS并(bing)不需要这(zhei)个特性，可以通过(guo)前(qian)置(zhi)一个反相器来解决。

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