MOS管驱动,MOS管开关电源设计

MOS管驱动电路

在使(shi)用MOS管(guan)设计开关电源或者(zhe)马达驱动电路的(de)(de)(de)时(shi)候，大部分人都会(hui)考虑(lv)MOS的(de)(de)(de)导通(tong)电阻，最(zui)大电压等，最(zui)大电流等，也(ye)有很多人仅仅考虑(lv)这些因素。这样的(de)(de)(de)电路也(ye)许(xu)是(shi)(shi)可以工作的(de)(de)(de)，但并不是(shi)(shi)优秀的(de)(de)(de)，作为(wei)正式的(de)(de)(de)产品设计也(ye)是(shi)(shi)不允许(xu)的(de)(de)(de)。

MOS管驱动

跟双极性晶体管(guan)(guan)相比，一(yi)般(ban)认为使MOS管(guan)(guan)导通不需要电流，只要GS电压高于一(yi)定的值，就可(ke)以(yi)了。这个(ge)很容易(yi)做到，但是，我们还需要速度(du)。

在(zai)MOS管(guan)(guan)的(de)(de)结构中可以看到，在(zai)GS，GD之间(jian)存在(zai)寄生电(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)，而MOS管(guan)(guan)的(de)(de)驱(qu)动，实际(ji)上就是对电(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)的(de)(de)充(chong)放电(dian)(dian)(dian)。对电(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)的(de)(de)充(chong)电(dian)(dian)(dian)需要一个(ge)电(dian)(dian)(dian)流，因为对电(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)充(chong)电(dian)(dian)(dian)瞬(shun)间(jian)可以把电(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)看成短(duan)路(lu)，所(suo)以瞬(shun)间(jian)电(dian)(dian)(dian)流会比较大。选(xuan)择/设计MOS管(guan)(guan)驱(qu)动时第一要注(zhu)意(yi)的(de)(de)是可提供瞬(shun)间(jian)短(duan)路(lu)电(dian)(dian)(dian)流的(de)(de)大小。

第二注(zhu)意的(de)是(shi)(shi)，普遍(bian)用(yong)于高端驱动(dong)的(de)NMOS，导(dao)通时需要(yao)是(shi)(shi)栅极电(dian)压(ya)(ya)(ya)大(da)于源(yuan)极电(dian)压(ya)(ya)(ya)。而(er)高端驱动(dong)的(de)MOS管导(dao)通时源(yuan)极电(dian)压(ya)(ya)(ya)与漏(lou)极电(dian)压(ya)(ya)(ya)(VCC)相同(tong)，所(suo)以这时栅极电(dian)压(ya)(ya)(ya)要(yao)比VCC大(da)4V或10V。如(ru)果(guo)在(zai)同(tong)一个系统里，要(yao)得到(dao)比VCC大(da)的(de)电(dian)压(ya)(ya)(ya)，就要(yao)专门的(de)升(sheng)压(ya)(ya)(ya)电(dian)路了(le)。很多(duo)马达驱动(dong)器都集成了(le)电(dian)荷泵，要(yao)注(zhu)意的(de)是(shi)(shi)应该选择合适的(de)外接电(dian)容(rong)，以得到(dao)足够(gou)的(de)短(duan)路电(dian)流去驱动(dong)MOS管。

上(shang)边说的(de)(de)4V或(huo)10V是常用(yong)的(de)(de)MOS管的(de)(de)导(dao)通电(dian)(dian)压，设(she)计时当然需要有(you)(you)一定的(de)(de)余量。而且电(dian)(dian)压越高，导(dao)通速度越快，导(dao)通电(dian)(dian)阻也越小。现(xian)在(zai)也有(you)(you)导(dao)通电(dian)(dian)压更小的(de)(de)MOS管用(yong)在(zai)不同的(de)(de)领域里(li)，但在(zai)12V汽车(che)电(dian)(dian)子系统(tong)里(li)，一般(ban)4V导(dao)通就够用(yong)了。MOS管的(de)(de)驱动电(dian)(dian)路及其损(sun)失。

mos管种类和结构

mos管(guan)是(shi)FET的(de)一(yi)种(zhong)(另一(yi)种(zhong)是(shi)JFET)，可以(yi)被制造成增(zeng)强(qiang)型或耗尽型，P沟道或N沟道共4种(zhong)类型，但实际应(ying)用的(de)只有(you)增(zeng)强(qiang)型的(de)N沟道MOS管(guan)和增(zeng)强(qiang)型的(de)P沟道mos管(guan)，所以(yi)通常提到NMOS，或者PMOS指的(de)就是(shi)这两(liang)种(zhong)。右图是(shi)这两(liang)种(zhong)MOS管(guan)的(de)符号。

至于为什么不使用(yong)(yong)耗尽(jin)型(xing)的(de)MOS管(guan)，不建(jian)议刨根问底(di)。对于这两种增强型(xing)MOS管(guan)，比较常用(yong)(yong)的(de)是NMOS。原因是导通电(dian)(dian)阻小且容易制造。所以(yi)开(kai)关电(dian)(dian)源和马(ma)达驱动的(de)应(ying)用(yong)(yong)中，一(yi)般都用(yong)(yong)NMOS。下面(mian)的(de)介(jie)绍中，也多(duo)以(yi)NMOS为主。

在MOS管原理(li)图(tu)上可以看到，漏极(ji)(ji)和源极(ji)(ji)之间有一个(ge)寄生二极(ji)(ji)管。这(zhei)个(ge)叫体二极(ji)(ji)管，在驱动感性负载(如马达)，这(zhei)个(ge)二极(ji)(ji)管很重要。在单(dan)个(ge)的(de)(de)(de)MOS管中存在，在集成电路芯片内(nei)部通(tong)常(chang)是没有的(de)(de)(de)。下(xia)图(tu)是MOS管的(de)(de)(de)构造图(tu)，通(tong)常(chang)的(de)(de)(de)原理(li)图(tu)中都画成下(xia)图(tu)所示的(de)(de)(de)样子。

MOS管(guan)的(de)(de)(de)三个管(guan)脚之(zhi)间有(you)寄(ji)生电(dian)容(rong)存在(zai)，如下(xia)图所示(shi)。这不是我们需要的(de)(de)(de)，而是由于制造工(gong)艺限(xian)制产(chan)生的(de)(de)(de)。寄(ji)生电(dian)容(rong)的(de)(de)(de)存在(zai)使得在(zai)设计或选择驱动(dong)电(dian)路的(de)(de)(de)时(shi)候要麻烦一些，但没(mei)有(you)办法避(bi)免，在(zai)MOS管(guan)的(de)(de)(de)驱动(dong)电(dian)路设计时(shi)再详(xiang)细介绍。

MOS管导通特性

导通的意思(si)是作为(wei)开关(guan)，相当于开关(guan)闭合(he)。

NMOS的特(te)性，Vgs大于(yu)一定的值就会导通，适合(he)用于(yu)源极接地时的情况(低(di)端驱(qu)动)，只要(yao)栅极电压达到4V或10V就可(ke)以了。

PMOS的(de)特(te)性，Vgs小于一定的(de)值就会导(dao)通，使用(yong)(yong)与源极接VCC时的(de)情况(高端驱动)。但是(shi)，虽(sui)然(ran)PMOS可以(yi)很(hen)方便地用(yong)(yong)作高端驱动，但由于导(dao)通电阻(zu)大(da)，价格贵，替换(huan)种类少等(deng)原(yuan)因，在高端驱动中(zhong)，通常还是(shi)使用(yong)(yong)NMOS。

下(xia)图是瑞(rui)萨2SK3418的(de)Vgs电(dian)(dian)压(ya)和Vds电(dian)(dian)压(ya)的(de)关(guan)系(xi)图。可(ke)以(yi)看出小电(dian)(dian)流时，Vgs达到4V，DS间压(ya)降(jiang)已经很小，可(ke)以(yi)认为导通。

常用MOS管开关电源驱动设计解析

MOS管开(kai)关(guan)(guan)电(dian)源(yuan)设计(ji)，在使(shi)用MOSFET设计(ji)开(kai)关(guan)(guan)电(dian)源(yuan)时(shi)，大(da)部分人都会考虑(lv)MOSFET的导通电(dian)阻、最(zui)大(da)电(dian)压、最(zui)大(da)电(dian)流。但很多时(shi)候也仅仅考虑(lv)了这些因素(su)，这样(yang)的电(dian)路(lu)也许可以正常工作，但并不(bu)是(shi)一(yi)个好(hao)的设计(ji)方案。更细(xi)致的，MOSFET还应考虑(lv)本身寄生的参数。对一(yi)个确定(ding)(ding)的MOSFET，其(qi)驱(qu)(qu)动电(dian)路(lu)，驱(qu)(qu)动脚输出的峰(feng)值(zhi)电(dian)流，上升速率等，都会影响MOSFET的开(kai)关(guan)(guan)性(xing)能。当电(dian)源(yuan)IC与MOS管选定(ding)(ding)之后(hou)， 选择合适的驱(qu)(qu)动电(dian)路(lu)来连接电(dian)源(yuan)IC与MOS管就显得尤其(qi)重要了。一(yi)个好(hao)的mos管驱(qu)(qu)动电(dian)路(lu)有以下(xia)几点要求：

(1)开(kai)关(guan)管开(kai)通瞬时(shi)，驱动电路(lu)应能提(ti)供足够(gou)大(da)的(de)(de)充电电流使(shi)MOSFET栅源极间电压迅(xun)速(su)上升到所需值(zhi)，保(bao)证开(kai)关(guan)管能快速(su)开(kai)通且不存在上升沿的(de)(de)高频振荡。

(2)开关导通(tong)期间(jian)驱动(dong)电路能保(bao)证(zheng)MOSFET栅源极间(jian)电压保(bao)持(chi)稳定且(qie)可靠导通(tong)。

(3)关(guan)断瞬间驱(qu)动电路(lu)能提供(gong)一(yi)个尽可能低阻抗的(de)通路(lu)供(gong)MOSFET栅(zha)源(yuan)极间电容电压(ya)的(de)快速泄放(fang)，保证(zheng)开关(guan)管能快速关(guan)断。

（4）驱(qu)动电路结构简单可靠、损耗(hao)小。

(5)根据(ju)情况施加隔(ge)离。

下(xia)面介绍(shao)几个模(mo)块电源(yuan)中(zhong)常用的mos管驱(qu)动电路。

1：当源极输出为高电压时的驱动

当源极(ji)输出为高电(dian)压(ya)的情况时，我(wo)们需要(yao)采用(yong)偏(pian)置(zhi)电(dian)路(lu)达(da)到电(dian)路(lu)工作的目的，既(ji)我(wo)们以(yi)源极(ji)为参考点，搭建偏(pian)置(zhi)电(dian)路(lu)，驱动(dong)电(dian)压(ya)在两个电(dian)压(ya)之(zhi)间(jian)波动(dong)，驱动(dong)电(dian)压(ya)偏(pian)差由低电(dian)压(ya)提供。

源极(ji)输出为高电(dian)压时的驱动电(dian)路

2：电源IC直接驱动mos

IC直接(jie)驱(qu)动MOSFET

电源IC直接(jie)驱(qu)动是我们(men)最常(chang)用(yong)的(de)(de)(de)驱(qu)动方(fang)式，同(tong)时(shi)也是最简单的(de)(de)(de)驱(qu)动方(fang)式，使(shi)用(yong)这(zhei)种驱(qu)动方(fang)式，应该注(zhu)意几个参数(shu)以(yi)及(ji)这(zhei)些参数(shu)的(de)(de)(de)影(ying)响。第(di)一(yi)，查看一(yi)下(xia)电源IC手册(ce)，其最大(da)驱(qu)动峰值(zhi)(zhi)(zhi)电流，因为不(bu)同(tong)芯(xin)片，驱(qu)动能(neng)力(li)很多时(shi)候(hou)是不(bu)一(yi)样(yang)的(de)(de)(de)。第(di)二，了解一(yi)下(xia)MOSFET的(de)(de)(de)寄(ji)(ji)生(sheng)(sheng)电容，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(bi)(bi)较(jiao)(jiao)大(da)，MOS管(guan)导通(tong)(tong)的(de)(de)(de)需要的(de)(de)(de)能(neng)量就(jiu)比(bi)(bi)较(jiao)(jiao)大(da)，如果电源IC没有(you)比(bi)(bi)较(jiao)(jiao)大(da)的(de)(de)(de)驱(qu)动峰值(zhi)(zhi)(zhi)电流，那么管(guan)子(zi)导通(tong)(tong)的(de)(de)(de)速(su)度(du)就(jiu)比(bi)(bi)较(jiao)(jiao)慢(man)。如果驱(qu)动能(neng)力(li)不(bu)足，上升沿可能(neng)出现高(gao)频振荡，即使(shi)把(ba)图2中(zhong)Rg减(jian)小，也不(bu)能(neng)解决问题(ti)! IC驱(qu)动能(neng)力(li)、MOS寄(ji)(ji)生(sheng)(sheng)电容大(da)小、MOS管(guan)开(kai)关速(su)度(du)等因素，都(dou)影(ying)响驱(qu)动电阻阻值(zhi)(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)选择，所以(yi)Rg并(bing)不(bu)能(neng)无限减(jian)小。

3、驱动电路加速MOS管关断时间

加速(su)MOS关断

关断(duan)瞬间(jian)(jian)驱(qu)动电(dian)(dian)路能提供(gong)一个尽可能低阻(zu)(zu)抗的(de)通路供(gong)MOSFET栅(zha)源极间(jian)(jian)电(dian)(dian)容(rong)电(dian)(dian)压快速泄放，保证开关管(guan)(guan)能快速关断(duan)。为使栅(zha)源极间(jian)(jian)电(dian)(dian)容(rong)电(dian)(dian)压的(de)快速泄放，常(chang)在驱(qu)动电(dian)(dian)阻(zu)(zu)上并联一个电(dian)(dian)阻(zu)(zu)和一个二极管(guan)(guan)，如图4所示(shi)，其(qi)中D1常(chang)用(yong)的(de)是(shi)(shi)快恢复二极管(guan)(guan)。这使关断(duan)时间(jian)(jian)减(jian)小(xiao)，同时减(jian)小(xiao)关断(duan)时的(de)损耗(hao)。Rg2是(shi)(shi)防止关断(duan)的(de)时电(dian)(dian)流过大，把电(dian)(dian)源IC给烧掉。

改(gai)进(jin)型加(jia)速MOS关(guan)断

4、驱动电路加速MOS管关断时间

隔离驱动

为了满足(zu)如图5所(suo)示高端MOS管的驱(qu)动，经(jing)常会采用变压器驱(qu)动，有时(shi)为了满足(zu)安(an)全(quan)隔离也(ye)使(shi)用变压器驱(qu)动。其中R1目(mu)(mu)的是抑制PCB板上寄生的电感(gan)与C1形成LC振荡，C1的目(mu)(mu)的是隔开直流(liu)，通过交流(liu)，同时(shi)也(ye)能防止磁芯饱和(he)。

除了以上驱(qu)(qu)(qu)动电(dian)路之外，还有(you)很多其它形式的(de)驱(qu)(qu)(qu)动电(dian)路。对于各(ge)种各(ge)样的(de)驱(qu)(qu)(qu)动电(dian)路并没有(you)一(yi)种驱(qu)(qu)(qu)动电(dian)路是(shi)最(zui)好的(de)，只(zhi)有(you)结(jie)合(he)(he)具体应用，选(xuan)择最(zui)合(he)(he)适的(de)驱(qu)(qu)(qu)动。

5、电源IC驱动能力不足时

如果选择MOS管寄(ji)生(sheng)电(dian)容比(bi)较大，电(dian)源IC内部的驱(qu)动(dong)能(neng)力又(you)不足时(shi)，需要在(zai)驱(qu)动(dong)电(dian)路上(shang)增强驱(qu)动(dong)能(neng)力，常使(shi)用(yong)图腾柱(zhu)电(dian)路增加电(dian)源IC驱(qu)动(dong)能(neng)力。

腾柱(zhu)驱动MOS

这种驱(qu)动电(dian)路(lu)作用在于(yu)，提(ti)升电(dian)流提(ti)供能力，迅(xun)速完成对(dui)于(yu)栅极输入电(dian)容(rong)电(dian)荷的充电(dian)过程。这种拓扑增加了导通(tong)所(suo)需要的时间，但是(shi)减少了关(guan)断时间，开关(guan)管能快速开通(tong)且避免(mian)上升沿的高(gao)频振荡。

MOS管应用电路

MOS管最(zui)显着的(de)特性是开关特性好，所以被广泛应用(yong)在需要(yao)电(dian)(dian)子开关的(de)电(dian)(dian)路中(zhong)，常(chang)见的(de)如(ru)开关电(dian)(dian)源和马达驱(qu)动，也有(you)照(zhao)明调光(guang)。

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