MOS管驱(qu)动(dong)-解析MOS管寄生(sheng)参数带来(lai)的影响与驱(qu)动(dong)电路(lu)要点概述-KIA MOS管

信息来源：本站　日期：2019-04-30　

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MOS管,MOS管驱动电路

MOS管驱动

MOS管(guan)(guan)(guan)驱(qu)动电(dian)(dian)路，跟双极性晶体(ti)管(guan)(guan)(guan)相(xiang)比，一般认为使MOS管(guan)(guan)(guan)导(dao)通不需(xu)要(yao)电(dian)(dian)流，只要(yao)GS电(dian)(dian)压高于一定的值(zhi)，就可(ke)以了。这个很(hen)容(rong)易做到，但是，我们还需(xu)要(yao)速度。

在(zai)MOS管(guan)的结(jie)构中(zhong)可(ke)以(yi)看(kan)到，在(zai)GS，GD之间(jian)存在(zai)寄(ji)生(sheng)电(dian)(dian)容(rong)(rong)，而MOS管(guan)的驱(qu)动(dong)，实(shi)际上就是对电(dian)(dian)容(rong)(rong)的充放(fang)电(dian)(dian)。对电(dian)(dian)容(rong)(rong)的充电(dian)(dian)需(xu)要(yao)一个(ge)电(dian)(dian)流(liu)，因为对电(dian)(dian)容(rong)(rong)充电(dian)(dian)瞬(shun)(shun)间(jian)可(ke)以(yi)把电(dian)(dian)容(rong)(rong)看(kan)成短路(lu)(lu)，所(suo)以(yi)瞬(shun)(shun)间(jian)电(dian)(dian)流(liu)会比较(jiao)大(da)。选择/设(she)计MOS管(guan)驱(qu)动(dong)时第(di)一要(yao)注(zhu)意的是可(ke)提供瞬(shun)(shun)间(jian)短路(lu)(lu)电(dian)(dian)流(liu)的大(da)小。

第二注(zhu)意的是(shi)，普遍用于高(gao)(gao)端驱(qu)动(dong)(dong)的NMOS，导(dao)通(tong)时需要(yao)是(shi)栅(zha)极(ji)(ji)电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)大于源极(ji)(ji)电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)。而高(gao)(gao)端驱(qu)动(dong)(dong)的MOS管导(dao)通(tong)时源极(ji)(ji)电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)与漏极(ji)(ji)电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)(VCC)相同，所以这(zhei)时栅(zha)极(ji)(ji)电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)要(yao)比VCC大4V或10V。如果在同一个(ge)系统里，要(yao)得到比VCC大的电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)，就要(yao)专门的升压(ya)(ya)(ya)电(dian)(dian)(dian)路了。很多马达驱(qu)动(dong)(dong)器(qi)都集(ji)成了电(dian)(dian)(dian)荷泵，要(yao)注(zhu)意的是(shi)应该选择合(he)适(shi)的外接电(dian)(dian)(dian)容，以得到足(zu)够的短路电(dian)(dian)(dian)流(liu)去驱(qu)动(dong)(dong)MOS管。

上边说(shuo)的(de)(de)(de)4V或10V是常用(yong)的(de)(de)(de)MOS管的(de)(de)(de)导(dao)通(tong)(tong)(tong)电压(ya)，设计(ji)时当然需要有一(yi)定的(de)(de)(de)余量。而且电压(ya)越高，导(dao)通(tong)(tong)(tong)速度(du)越快，导(dao)通(tong)(tong)(tong)电阻也(ye)越小(xiao)。现在(zai)也(ye)有导(dao)通(tong)(tong)(tong)电压(ya)更(geng)小(xiao)的(de)(de)(de)MOS管用(yong)在(zai)不同的(de)(de)(de)领域里，但(dan)在(zai)12V汽车(che)电子系统里，一(yi)般4V导(dao)通(tong)(tong)(tong)就够用(yong)了。MOS管的(de)(de)(de)驱动(dong)电路及其损失，可(ke)以参考Microchip公司(si)AN799 Matching MOSFET Drivers to MOSFETs。

源边感抗带来的影响

使得MOS管的开启延迟和关断延迟增加

由于存在源(yuan)(yuan)边电(dian)感，在开启和关段初期，电(dian)流的(de)(de)变(bian)化被拽了，使得充电(dian)和放(fang)电(dian)的(de)(de)时间变(bian)长了。同时源(yuan)(yuan)感抗和等效(xiao)输入电(dian)容(rong)之间会(hui)发(fa)生(sheng)谐振(zhen)（这个谐振(zhen)是(shi)由于驱(qu)动电(dian)压(ya)的(de)(de)快速变(bian)压(ya)形成的(de)(de)，也是(shi)我们(men)在G端(duan)看(kan)到震(zhen)(zhen)荡尖峰的(de)(de)原因(yin)），我们(men)加(jia)入的(de)(de)门电(dian)阻(zu)(zu)Rg和内(nei)部的(de)(de)栅极(ji)电(dian)阻(zu)(zu)Rm都会(hui)抑制这个震(zhen)(zhen)荡（震(zhen)(zhen)荡的(de)(de)Q值非(fei)常高）。

MOS管,MOS管驱动电路

我们需要加入(ru)的(de)(de)优化电(dian)(dian)(dian)阻(zu)的(de)(de)值可以(yi)通过(guo)上述(shu)的(de)(de)公式(shi)选取，如果电(dian)(dian)(dian)阻(zu)过(guo)大(da)则会(hui)(hui)引起G端电(dian)(dian)(dian)压(ya)的(de)(de)过(guo)冲（优点是加快了开(kai)启(qi)(qi)(qi)的(de)(de)过(guo)程），电(dian)(dian)(dian)阻(zu)过(guo)小则会(hui)(hui)使得(de)(de)开(kai)启(qi)(qi)(qi)过(guo)程变得(de)(de)很(hen)慢(man)，加大(da)了开(kai)启(qi)(qi)(qi)的(de)(de)时间（虽然G端电(dian)(dian)(dian)压(ya)会(hui)(hui)被抑(yi)制）。

园感抗(kang)另外(wai)一个(ge)影(ying)响是(shi)阻碍Id的变(bian)化，当开启的时候，初始时di/dt偏大(da)，因此在(zai)原感抗(kang)上(shang)产生了(le)较(jiao)大(da)压(ya)降，从而使(shi)得源(yuan)点(dian)点(dian)位抬高，使(shi)得Vg电(dian)压(ya)大(da)部(bu)分加在(zai)电(dian)感上(shang)面(mian)，因此使(shi)得G点(dian)的电(dian)压(ya)变(bian)化减小(xiao)，进而形成(cheng)了(le)一种平衡（负(fu)反馈(kui)系统）。

另外(wai)一(yi)个重(zhong)要的(de)寄生(sheng)参数是漏(lou)极的(de)感(gan)抗，主要是有内部的(de)封(feng)装(zhuang)电(dian)感(gan)以及连接的(de)电(dian)感(gan)所(suo)组成。

在(zai)开启(qi)状态(tai)的(de)时(shi)(shi)候Ld起到了很好(hao)的(de)作(zuo)用(yong)（Subber吸收的(de)作(zuo)用(yong)），开启(qi)的(de)时(shi)(shi)候由(you)于Ld的(de)作(zuo)用(yong)，有效的(de)限制了di/dt/（同时(shi)(shi)减少了开启(qi)的(de)功耗）。在(zai)关(guan)断的(de)时(shi)(shi)候，由(you)于Ld的(de)作(zuo)用(yong)，Vds电压形成明显的(de)下冲（负压）并显著的(de)增加了关(guan)断时(shi)(shi)候的(de)功耗。

驱动（直连或耦合的）的一(yi)些重要(yao)特性(xing)和(he)典型(xing)环节

直连电路最大挑战是优化布局

实(shi)际上(shang)(shang)驱动器和(he)MOS管一般离开(kai)很远，因此在源级到返(fan)回路径(jing)的(de)环(huan)路上(shang)(shang)存在很大的(de)感抗，即使(shi)我(wo)们考(kao)虑使(shi)用地平(ping)面(mian)(mian)，那么(me)我(wo)们仍旧需要一段很粗的(de)PCB线(xian)连接源级和(he)地平(ping)面(mian)(mian)。

MOS管,MOS管驱动电路

另外一(yi)个问题是大部分的(de)(de)集成芯片的(de)(de)输出电流都(dou)比较小，因(yin)为由于控(kong)制频(pin)率较高(gao)，晶(jing)圆(yuan)大小受(shou)到(dao)限制。同时内部功耗(hao)很高(gao)也(ye)导致了(le)IC的(de)(de)成本较高(gao)，因(yin)此我(wo)们需要一(yi)些扩展(zhan)分立的(de)(de)电路(lu)。

旁路(lu)电(dian)容的大(da)小

由于开启的(de)瞬(shun)间，MOS管需要(yao)吸(xi)取大量(liang)的(de)电(dian)流，因此旁路电(dian)容需要(yao)尽可能的(de)贴近驱动(dong)器电(dian)源端。

有两(liang)个电流(liu)需要我(wo)们去考虑：第一个是驱动器(qi)静(jing)态(tai)电流(liu)，它收到输入状(zhuang)态(tai)的(de)影响。他(ta)可以产生一个和占(zhan)空比相关的(de)纹波。

另外一个是G极电流，MOS管(guan)开通的(de)时(shi)候(hou)，充电电流时(shi)将旁路(lu)电流的(de)能量(liang)传输至MOS管(guan)输入(ru)电容(rong)上(shang)。其纹波大小可用(yong)公式来表明，最后两个可合在(zai)一起。

驱动器保护

MOS管,MOS管驱动电路

如果(guo)驱(qu)(qu)动(dong)器输出(chu)(chu)级为(wei)晶体管(guan)，那么我们还需(xu)(xu)要(yao)适当的(de)(de)(de)保(bao)护(hu)来(lai)(lai)防止反向电(dian)(dian)(dian)流。一般为(wei)了成本考(kao)虑，我们采用NPN的(de)(de)(de)输出(chu)(chu)级电(dian)(dian)(dian)路。NPN管(guan)子(zi)只能承(cheng)受(shou)单向电(dian)(dian)(dian)流，高边的(de)(de)(de)管(guan)子(zi)输出(chu)(chu)电(dian)(dian)(dian)流，低(di)边的(de)(de)(de)管(guan)子(zi)吸收电(dian)(dian)(dian)流。在开启和关闭(bi)的(de)(de)(de)时候，无可(ke)避免的(de)(de)(de)源感抗和输入电(dian)(dian)(dian)容之间的(de)(de)(de)振荡使得电(dian)(dian)(dian)流需(xu)(xu)要(yao)上下两个方向都有通路，为(wei)了提(ti)供一条方向通路，低(di)电(dian)(dian)(dian)压(ya)的(de)(de)(de)肖特基二极(ji)管(guan)可(ke)以用来(lai)(lai)保(bao)护(hu)驱(qu)(qu)动(dong)器的(de)(de)(de)输出(chu)(chu)级，这里注(zhu)意这两个管(guan)子(zi)并不能保(bao)护(hu)MOS管(guan)的(de)(de)(de)输入级（离(li)MOS管(guan)较远），因此二极(ji)管(guan)需(xu)(xu)要(yao)离(li)驱(qu)(qu)动(dong)器引脚非常近。

晶体管的图腾柱结构

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这是最便(bian)宜和(he)有(you)效地驱动方式(shi)，此(ci)电(dian)路(lu)(lu)需(xu)要尽量考虑MOS管，这样可以使得开启时大电(dian)流环路(lu)(lu)尽可能小(xiao)，并且此(ci)电(dian)路(lu)(lu)需(xu)要专门(men)的旁路(lu)(lu)电(dian)容(rong)。Rgate是可选的，Rb可以根据晶体(ti)管的放大倍数来选择。两个BE之间(jian)的PN结有(you)效的实(shi)现了反(fan)压时候的相互(hu)保护，并能有(you)效的把电(dian)压嵌位在VCC+Vbe，GND-Vbe之间(jian)。

加速器件

MOS管(guan)开通的(de)时候，开启的(de)速(su)度主(zhu)要取决于二极(ji)管(guan)的(de)反向特性。

因此(ci)MOS管关断(duan)的时间需(xu)要我们去优化，放电曲(qu)线取决于Rgate，Rgate越(yue)小则(ze)关断(duan)越(yue)快。下面有好几个方案：

（一）二极管关断电路

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这(zhei)是最简单的加速电路。Rgate调整着MOS管的开启速度，当关断的时候，由二极管短路电阻，此时G极电流最小(xiao)为：Imin=Vf/Rgate。

此电路(lu)的(de)优点(dian)是(shi)大大加(jia)速了关断的(de)速度(du)，但是(shi)它(ta)仅在电压高的(de)时候工作，且电流仍旧(jiu)流向驱动器。

（二）PNP关断电路

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这是最流(liu)(liu)行和通用的(de)(de)(de)电(dian)路，利用PNP的(de)(de)(de)管子(zi)，在关断期间，源极(ji)和栅极(ji)被短路了。二(er)极(ji)管提供了开(kai)启时候的(de)(de)(de)电(dian)流(liu)(liu)通路（并且有保护(hu)PNP管子(zi)eb免受反向(xiang)电(dian)压(ya)的(de)(de)(de)影响(xiang)），Rgate限(xian)制了开(kai)启的(de)(de)(de)速度(du)。

电(dian)路(lu)的最(zui)大(da)的好处是放电(dian)电(dian)流的尖峰被限制在最(zui)小的环路(lu)中，电(dian)流并(bing)不返回至(zhi)驱动(dong)器，因此也不会造成地弹的现象，驱动(dong)器的功率也小了(le)一半，三(san)极管的存在减(jian)小了(le)回路(lu)电(dian)感。仔细看这个(ge)电(dian)路(lu)其实是图(tu)腾柱结构的简(jian)化，电(dian)路(lu)的唯一的缺点是栅极电(dian)压并(bing)不释放到0V，而是存在EC极的压差。

（三）NPN关断电路

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优点(dian)和上面的(de)PNP管子相同，缺点(dian)是加(jia)入了一个反向(xiang)器，加(jia)入反向(xiang)器势必(bi)会造成延迟。

（四）NMOS关断电路

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这个(ge)电(dian)(dian)路可以使得MOS管(guan)(guan)关断非(fei)常快，并且栅极电(dian)(dian)压完全释(shi)放(fang)至零电(dian)(dian)压。不过(guo)小NMOS管(guan)(guan)子(zi)需要一个(ge)方向电(dian)(dian)压来(lai)驱动(dong)。问(wen)题(ti)也存(cun)在，NMOS的(de)Coss电(dian)(dian)容(rong)和主MOS管(guan)(guan)的(de)CISS合(he)成(cheng)变成(cheng)等(deng)效的(de)电(dian)(dian)容(rong)了(le)。

MOS开关管损失

不管(guan)(guan)是NMOS还是PMOS，导通(tong)后都有导通(tong)电阻(zu)存在(zai)，因(yin)而在(zai)DS间流(liu)过电流(liu)的同(tong)时(shi)，两端还会(hui)有电压(如2SK3418特性图(tu)所示)，这样电流(liu)就会(hui)在(zai)这个电阻(zu)上消(xiao)耗能量(liang)，这部分消(xiao)耗的能量(liang)叫做导通(tong)损耗。选择导通(tong)电阻(zu)小的MOS管(guan)(guan)会(hui)减小导通(tong)损耗。现在(zai)的小功(gong)率MOS管(guan)(guan)导通(tong)电阻(zu)一般在(zai)几十(shi)毫(hao)欧左(zuo)右(you)，几毫(hao)欧的也有。

mos在导(dao)通和截(jie)止的(de)(de)(de)时(shi)候，一(yi)定不是(shi)在瞬间(jian)完成的(de)(de)(de)。MOS两端的(de)(de)(de)电压有一(yi)个下降的(de)(de)(de)过(guo)程，流过(guo)的(de)(de)(de)电流有一(yi)个上(shang)升的(de)(de)(de)过(guo)程，在这段时(shi)间(jian)内，MOS管的(de)(de)(de)损(sun)失(shi)(shi)是(shi)电压和电流的(de)(de)(de)乘积，叫做开(kai)关损(sun)失(shi)(shi)。通常开(kai)关损(sun)失(shi)(shi)比(bi)导(dao)通损(sun)失(shi)(shi)大得多，而且开(kai)关频率越快，损(sun)失(shi)(shi)也越大。

下图是(shi)MOS管导通(tong)时(shi)的波(bo)形。可以(yi)看出，导通(tong)瞬间(jian)电(dian)压和(he)电(dian)流的乘积(ji)很大，造成的损失(shi)也就(jiu)很大。降低开(kai)关(guan)时(shi)间(jian)，可以(yi)减(jian)小(xiao)每(mei)次导通(tong)时(shi)的损失(shi);降低开(kai)关(guan)频率，可以(yi)减(jian)小(xiao)单位(wei)时(shi)间(jian)内的开(kai)关(guan)次数。这两种办法(fa)都可以(yi)减(jian)小(xiao)开(kai)关(guan)损失(shi)。

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