MOS管,MOS管寄生参数,驱动电路

MOS管驱动电路详解

跟双(shuang)极性晶体管相比，一(yi)般认(ren)为使(shi)MOS管导通不(bu)需要(yao)电流，只要(yao)GS电压高于一(yi)定的值，就可以(yi)了。这个很容易做(zuo)到，但(dan)是，我们还需要(yao)速度。

在(zai)(zai)MOS管的(de)结(jie)构中(zhong)可以(yi)看(kan)到，在(zai)(zai)GS，GD之(zhi)间存在(zai)(zai)寄(ji)生(sheng)电(dian)容，而MOS管的(de)驱(qu)动，实际上就是对电(dian)容的(de)充放电(dian)。对电(dian)容的(de)充电(dian)需要一个电(dian)流(liu)，因为(wei)对电(dian)容充电(dian)瞬间可以(yi)把电(dian)容看(kan)成短(duan)路，所以(yi)瞬间电(dian)流(liu)会比(bi)较大。选(xuan)择(ze)/设计(ji)MOS管驱(qu)动时第(di)一要注意的(de)是可提供瞬间短(duan)路电(dian)流(liu)的(de)大小。

第二注意的(de)是，普遍用于(yu)高端驱(qu)(qu)动(dong)的(de)NMOS，导通时(shi)需要(yao)是栅极(ji)电(dian)压(ya)(ya)大(da)于(yu)源极(ji)电(dian)压(ya)(ya)。而高端驱(qu)(qu)动(dong)的(de)MOS管导通时(shi)源极(ji)电(dian)压(ya)(ya)与漏极(ji)电(dian)压(ya)(ya)(VCC)相同，所以(yi)这(zhei)时(shi)栅极(ji)电(dian)压(ya)(ya)要(yao)比(bi)VCC大(da)4V或10V。如果在(zai)同一(yi)个(ge)系统里(li)，要(yao)得到(dao)(dao)比(bi)VCC大(da)的(de)电(dian)压(ya)(ya)，就要(yao)专门的(de)升(sheng)压(ya)(ya)电(dian)路(lu)(lu)了。很多马达驱(qu)(qu)动(dong)器(qi)都集(ji)成了电(dian)荷泵，要(yao)注意的(de)是应该选择(ze)合适的(de)外接电(dian)容，以(yi)得到(dao)(dao)足够(gou)的(de)短路(lu)(lu)电(dian)流去(qu)驱(qu)(qu)动(dong)MOS管。

上边说的4V或10V是常用(yong)(yong)的MOS管的导(dao)通电(dian)(dian)压(ya)，设计时当(dang)然需要有(you)(you)一(yi)定的余量。而且电(dian)(dian)压(ya)越(yue)(yue)(yue)高，导(dao)通速度越(yue)(yue)(yue)快，导(dao)通电(dian)(dian)阻也(ye)越(yue)(yue)(yue)小。现在也(ye)有(you)(you)导(dao)通电(dian)(dian)压(ya)更小的MOS管用(yong)(yong)在不同的领(ling)域里(li)，但(dan)在12V汽车电(dian)(dian)子系统里(li)，一(yi)般4V导(dao)通就够用(yong)(yong)了。

MOS管寄生参数的影响与驱动电路解析

我们在(zai)应用(yong)MOS管(guan)(guan)和设计MOS管(guan)(guan)驱动(dong)的(de)(de)时(shi)候，有很(hen)多寄(ji)生(sheng)参(can)数(shu)，其(qi)中(zhong)最(zui)影响MOS管(guan)(guan)开(kai)关性能(neng)的(de)(de)是(shi)源边(bian)感(gan)抗(kang)。寄(ji)生(sheng)的(de)(de)源边(bian)感(gan)抗(kang)主要有两种(zhong)来源，第一个就 是(shi)晶(jing)圆DIE和封装之间的(de)(de)Bonding线(xian)的(de)(de)感(gan)抗(kang)，另(ling)外一个就是(shi)源边(bian)引脚到地的(de)(de)PCB走线(xian)的(de)(de)感(gan)抗(kang)（地是(shi)作为驱动(dong)电(dian)路(lu)的(de)(de)旁路(lu)电(dian)容和电(dian)源网(wang)络滤波网(wang)的(de)(de)返回路(lu)径）。在(zai)某些情况下，加入测(ce)量电(dian)流的(de)(de)小电(dian)阻也可(ke)能(neng)产生(sheng)额外的(de)(de)感(gan)抗(kang)。

源边感抗(kang)带来的影响如下面所(suo)写。

使得MOS管的开启延迟和关断延迟增加

由于存在源(yuan)边电(dian)感，在开启和(he)(he)关(guan)段初期，电(dian)流(liu)的(de)(de)变(bian)化被拽了(le)，使(shi)得充(chong)电(dian)和(he)(he)放(fang)电(dian)的(de)(de)时间变(bian)长了(le)。同(tong)时源(yuan)感抗和(he)(he)等效输入(ru)电(dian)容(rong)之间会发生谐振(zhen)（这(zhei)个谐振(zhen)是(shi)由于驱动电(dian)压的(de)(de) 快速变(bian)压形成(cheng)的(de)(de)，也是(shi)我们在 G端看到震荡(dang)尖峰的(de)(de)原(yuan)因(yin)），我们加入(ru)的(de)(de)门电(dian)阻Rg和(he)(he)内部的(de)(de)栅极电(dian)阻Rm都会抑制这(zhei)个震荡(dang)（震荡(dang)的(de)(de)Q值非(fei)常高）。

我(wo)们需要(yao)加(jia)入(ru)的(de)优化电阻的(de)值可(ke)以通(tong)过(guo)上述(shu)的(de)公式(shi)选(xuan)取，如(ru)果(guo)电阻过(guo)大则(ze)会(hui)引起(qi)G端电压(ya)的(de)过(guo)冲(chong)（优点是加(jia)快(kuai)了开(kai)启的(de)过(guo)程），电阻过(guo)小(xiao)则(ze)会(hui)使(shi)得(de)开(kai)启过(guo)程变得(de)很(hen)慢，加(jia)大了开(kai)启的(de)时间（虽然G端电压(ya)会(hui)被抑制）。

园感(gan)抗另外(wai)一个影响(xiang)是阻碍Id的(de)变(bian)化，当(dang)开启(qi)的(de)时(shi)候，初始时(shi)di/dt偏大(da)(da)，因此在原感(gan)抗上(shang)产(chan)生了较大(da)(da)压(ya)降，从而(er)使得(de)(de)源点点位抬高(gao)，使得(de)(de)Vg电压(ya)大(da)(da)部分(fen)加在电感(gan)上(shang)面(mian)，因此使得(de)(de)G点的(de)电压(ya)变(bian)化减小，进(jin)而(er)形成了一种(zhong)平(ping)衡（负反(fan)馈系(xi)统）。

另外一(yi)个重要(yao)的(de)寄(ji)生参数是漏(lou)极的(de)感(gan)抗(kang)，主要(yao)是有(you)内部的(de)封装(zhuang)电感(gan)以及连接的(de)电感(gan)所组成。

在开启状态的(de)(de)时候Ld起到了(le)很(hen)好(hao)的(de)(de)作用（Subber吸收(shou)的(de)(de)作用），开启的(de)(de)时候由于Ld的(de)(de)作用，有效的(de)(de)限制了(le)di/dt/（同(tong)时减少了(le)开启的(de)(de)功耗(hao)）。在关(guan)断(duan)的(de)(de)时候，由于Ld的(de)(de)作用，Vds电压(ya)形成(cheng)明(ming)显的(de)(de)下冲（负压(ya)）并显著的(de)(de)增(zeng)加了(le)关(guan)断(duan)时候的(de)(de)功耗(hao)。

直连电路最大挑战是优化布局

实际上驱动(dong)器和MOS管(guan)一般离开很(hen)远，因此在(zai)源(yuan)级(ji)到返回路(lu)径的(de)环路(lu)上存在(zai)很(hen)大的(de)感(gan)抗，即使我们(men)考虑使用地平面，那么我们(men)仍旧(jiu)需(xu)要一段(duan)很(hen)粗的(de)PCB线连接源(yuan)级(ji)和地平面。

另外一个(ge)问(wen)题(ti)是大(da)部分的(de)集(ji)成芯片的(de)输(shu)出电流(liu)都比较小，因为由(you)于控制(zhi)频(pin)率较高，晶圆(yuan)大(da)小受(shou)到限制(zhi)。同(tong)时内部功耗(hao)很高也导致(zhi)了IC的(de)成本较高，因此(ci)我们需(xu)要一些扩展分立(li)的(de)电路。

旁路电容的大小

由于开(kai)启的瞬间，MOS管需(xu)要(yao)吸取大量的电(dian)流(liu)，因此旁路电(dian)容需(xu)要(yao)尽可能的贴近(jin)驱动器电(dian)源(yuan)端。

有两个(ge)(ge)电流(liu)需(xu)要我们去考(kao)虑：第一个(ge)(ge)是驱动(dong)器(qi)静态电流(liu)，它收到输入状(zhuang)态的(de)影(ying)响。他可以产生(sheng)一个(ge)(ge)和(he)占空(kong)比相关的(de)纹波。

另外一个(ge)是G极电(dian)(dian)流，MOS管(guan)开通的时候，充电(dian)(dian)电(dian)(dian)流时将(jiang)旁(pang)路电(dian)(dian)流的能量传(chuan)输至MOS管(guan)输入电(dian)(dian)容上。其纹波(bo)大小可用(yong)公式来表明，最后(hou)两个(ge)可合(he)在一起。

驱动器保护

如果驱(qu)(qu)动(dong)器输(shu)(shu)(shu)出级(ji)(ji)为(wei)晶体管(guan)(guan)，那(nei)么我(wo)们还需要(yao)适当的(de)(de)保护来(lai)防止反向(xiang)(xiang)电(dian)(dian)流。一般为(wei)了成本考虑，我(wo)们采用(yong)NPN的(de)(de)输(shu)(shu)(shu)出级(ji)(ji)电(dian)(dian)路。NPN管(guan)(guan)子(zi)(zi)只能(neng)(neng)承受单向(xiang)(xiang)电(dian)(dian)流，高边(bian)的(de)(de) 管(guan)(guan)子(zi)(zi)输(shu)(shu)(shu)出电(dian)(dian)流，低(di)边(bian)的(de)(de)管(guan)(guan)子(zi)(zi)吸收电(dian)(dian)流。在开启和关闭的(de)(de)时候，无可避免的(de)(de)源感(gan)抗(kang)和输(shu)(shu)(shu)入电(dian)(dian)容之间(jian)的(de)(de)振荡使得电(dian)(dian)流需要(yao)上下两个方向(xiang)(xiang)都有通路，为(wei)了提供一条(tiao)方向(xiang)(xiang)通 路，低(di)电(dian)(dian)压的(de)(de)肖特基二极(ji)管(guan)(guan)可以用(yong)来(lai)保护驱(qu)(qu)动(dong)器的(de)(de)输(shu)(shu)(shu)出级(ji)(ji)，这里注(zhu)意这两个管(guan)(guan)子(zi)(zi)并不(bu)能(neng)(neng)保护MOS管(guan)(guan)的(de)(de)输(shu)(shu)(shu)入级(ji)(ji)（离MOS管(guan)(guan)较远），因此二极(ji)管(guan)(guan)需要(yao)离驱(qu)(qu)动(dong)器引脚非常近。

晶体管的图腾柱结构

这是(shi)(shi)最(zui)便宜和有效(xiao)地驱动(dong)方式(shi)，此电路(lu)(lu)需(xu)要尽(jin)量考(kao)虑(lv)MOS管，这样可(ke)(ke)(ke)以使(shi)得开启时大电流环路(lu)(lu)尽(jin)可(ke)(ke)(ke)能(neng)小，并且此电路(lu)(lu)需(xu)要专门(men)的(de)旁路(lu)(lu)电容(rong)。Rgate是(shi)(shi)可(ke)(ke)(ke)选 的(de)，Rb可(ke)(ke)(ke)以根据晶体(ti)管的(de)放大倍数来(lai)选择。两个BE之间的(de)PN结有效(xiao)的(de)实现了反压(ya)时候的(de)相互保护，并能(neng)有效(xiao)的(de)把电压(ya)嵌位在VCC+Vbe，GND-Vbe 之间。

加速器件

MOS管开通的(de)时候，开启的(de)速度主要(yao)取决于二极(ji)管的(de)反向特性。

因(yin)此MOS管(guan)关(guan)(guan)断的时(shi)间需要我们去优化，放(fang)电曲线取决于Rgate，Rgate越小则(ze)关(guan)(guan)断越快。下面(mian)有好几(ji)个方案：

（一）二极管关断电路

这(zhei)是最简单的(de)加速(su)电(dian)路(lu)。Rgate调(diao)整着(zhe)MOS管(guan)的(de)开(kai)启速(su)度，当关断(duan)的(de)时(shi)候，由二(er)极管(guan)短路(lu)电(dian)阻(zu)，此时(shi)G极电(dian)流最小为：Imin=Vf / Rgate 。

此电(dian)(dian)路的(de)(de)优点(dian)是(shi)大(da)大(da)加速了关断的(de)(de)速度，但(dan)是(shi)它仅在电(dian)(dian)压高(gao)的(de)(de)时候工作，且电(dian)(dian)流仍旧流向驱动器。

（二）PNP关断电路

这(zhei)是最流(liu)行和(he)通用的(de)电路(lu)，利用PNP的(de)管(guan)子，在关断(duan)期间，源极和(he)栅(zha)极被短路(lu)了(le)。二极管(guan)提供了(le)开启时(shi)候的(de)电流(liu)通路(lu)（并且有保护(hu)PNP管(guan)子eb免受(shou)反向电压的(de)影响），Rgate限(xian)制了(le)开启的(de)速度。

电(dian)路(lu)的(de)(de)最大的(de)(de)好处(chu)是放电(dian)电(dian)流(liu)的(de)(de)尖峰被限制在最小(xiao)(xiao)的(de)(de)环(huan)路(lu)中，电(dian)流(liu)并不(bu)返(fan)回(hui)至驱(qu)动器，因此(ci)也不(bu)会造成地(di)弹的(de)(de)现(xian)象，驱(qu)动器的(de)(de)功率也小(xiao)(xiao)了(le)一半，三极管(guan)的(de)(de)存在减小(xiao)(xiao)了(le)回(hui)路(lu)电(dian)感。

仔(zi)细看这个电路其实是(shi)图(tu)腾柱(zhu)结(jie)构的(de)简化，电路的(de)唯一的(de)缺点是(shi)栅(zha)极电压并不(bu)释(shi)放到(dao)0V，而是(shi)存在(zai)EC极的(de)压差。

（三）NPN关断电路

优(you)点和上面(mian)的PNP管子相(xiang)同，缺点是加(jia)入(ru)了一个反(fan)向器，加(jia)入(ru)反(fan)向器势(shi)必会造成延迟(chi)。

（四）NMOS关断电路

这个(ge)电路(lu)可以(yi)使(shi)得(de)MOS管(guan)关断非常(chang)快，并且栅(zha)极电压(ya)(ya)完全释放至零电压(ya)(ya)。不过小NMOS管(guan)子需要(yao)一个(ge)方向电压(ya)(ya)来驱动。 问题(ti)也存(cun)在，NMOS的Coss电容和主MOS管(guan)的CISS合成变成等效的电容了。

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