MOS管驱动电路-详解MOS管和MOS管驱动电路之间的联系

在使用MOS管(guan)设计开(kai)关电源或者(zhe)马达驱(qu)动(dong)电路(lu)的时候，大(da)(da)(da)部(bu)分人(ren)都会(hui)考虑MOS管(guan)的导通电阻(zu)、最(zui)大(da)(da)(da)电压、最(zui)大(da)(da)(da)电流等，也(ye)有很多人(ren)仅仅考虑这些因素。这样(yang)的电路(lu)也(ye)许(xu)是可以工作的，但(dan)并不是优秀的，作为(wei)正式(shi)的产品设计也(ye)是不允许(xu)的。下面是我对MOS及MOS驱(qu)动(dong)电路(lu)基础的一点总结，其中参考了(le)一些资料。包括(kuo)MOS管(guan)的介(jie)绍(shao)、特性、驱(qu)动(dong)以及应用电路(lu)。

MOSFET管FET的(de)(de)一种(另一种是JEFT)，可(ke)以(yi)(yi)被制(zhi)造(zao)成增强型或(huo)耗尽型，P沟(gou)道或(huo)N沟(gou)道共4种类型，但(dan)实际应(ying)用(yong)的(de)(de)只有增强型的(de)(de)N沟(gou)道MOS管和增强型的(de)(de)P沟(gou)道MOS管，所以(yi)(yi)通常(chang)提到(dao)的(de)(de)NMOS，或(huo)者(zhe)PMOS就是指这两种。

至于为什(shen)么不(bu)适用号耗(hao)尽型的MOS管，不(bu)建(jian)议刨根问底。对于这(zhei)两(liang)种增强型MOS管，比较常用的是(shi)NMOS。原因(yin)是(shi)导通电(dian)阻小，且容易制造。所以(yi)开(kai)关电(dian)源(yuan)和马达驱动的应(ying)用中，一(yi)般都(dou)用NMOS，下面(mian)的介(jie)绍中，也(ye)多以(yi)NMOS为主。

MOS管的(de)(de)三个管教(jiao)之间有寄生电容存(cun)在，这不(bu)是我们需(xu)要的(de)(de)，而是由于制造工艺限制产生的(de)(de)，寄生电容的(de)(de)存(cun)在使得(de)在设计或选择驱动电路的(de)(de)时候要麻烦一些，但(dan)没有办法避(bi)免(mian)，后边(bian)再(zai)详细介绍。

在MOS管(guan)原(yuan)理图上可以看到漏(lou)极(ji)和源极(ji)之间有(you)一个(ge)寄生二(er)(er)极(ji)管(guan)，这个(ge)叫体(ti)二(er)(er)极(ji)管(guan)，在驱(qu)动(dong)感性负载(zai)(如马达)，这个(ge)二(er)(er)极(ji)管(guan)很重要(yao)。顺便说(shuo)一句，体(ti)二(er)(er)极(ji)管(guan)只在单个(ge)的MOS管(guan)中(zhong)存在，在集成电路芯片(pian)内部通常是没(mei)有(you)的。

MOS管导通特性

导(dao)通的意思是作为开(kai)关，相(xiang)当于开(kai)关闭合。

NMOS的特性，Vgs大于一定的值就(jiu)会导通(tong)，适用于源极接(jie)地的情况(低(di)端(duan)驱动)，只要(yao)栅极电压达(da)到4V或10V就(jiu)可以(yi)了(le)。

PMOS的特性，Vgs小于一定的(de)值就会导(dao)通(tong)，适用(yong)于源(yuan)极接Vcc的(de)情(qing)况(高(gao)(gao)端驱(qu)动)。但是，虽然PMOS可以很(hen)方(fang)便的(de)用(yong)作高(gao)(gao)端驱(qu)动，但由于导(dao)通(tong)电阻大，价(jia)格(ge)贵，替换种(zhong)类(lei)少等原(yuan)因，在高(gao)(gao)端驱(qu)动中，通(tong)常还是用(yong)NMOS。

MOS开关管损失

不(bu)管(guan)是NMOS还是PMOS，导(dao)(dao)通(tong)后都有(you)(you)导(dao)(dao)通(tong)电(dian)(dian)(dian)(dian)阻存(cun)在(zai)(zai)，这样点电(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)就会在(zai)(zai)这个(ge)电(dian)(dian)(dian)(dian)阻上消耗(hao)能量，这部(bu)分消耗(hao)的(de)(de)(de)能量叫做导(dao)(dao)通(tong)损(sun)(sun)(sun)耗(hao)。选择导(dao)(dao)通(tong)电(dian)(dian)(dian)(dian)阻小(xiao)(xiao)的(de)(de)(de)MOS管(guan)会减小(xiao)(xiao)导(dao)(dao)通(tong)损(sun)(sun)(sun)耗(hao)，现(xian)在(zai)(zai)的(de)(de)(de)小(xiao)(xiao)功率MOS管(guan)导(dao)(dao)通(tong)电(dian)(dian)(dian)(dian)阻一般(ban)在(zai)(zai)几十毫伏左右，几豪欧的(de)(de)(de)也有(you)(you)。MOS在(zai)(zai)导(dao)(dao)通(tong)和(he)截止的(de)(de)(de)时(shi)候，一定不(bu)是在(zai)(zai)瞬间完成的(de)(de)(de)。MOS两端的(de)(de)(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)压有(you)(you)一个(ge)下降(jiang)的(de)(de)(de)过程，流(liu)过的(de)(de)(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)有(you)(you)一个(ge)上升的(de)(de)(de)过程，在(zai)(zai)这段时(shi)间内，MOS管(guan)的(de)(de)(de)损(sun)(sun)(sun)失(shi)(shi)时(shi)电(dian)(dian)(dian)(dian)压和(he)电(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)的(de)(de)(de)乘积(ji)，叫做开关损(sun)(sun)(sun)失(shi)(shi)。通(tong)常开关损(sun)(sun)(sun)失(shi)(shi)比导(dao)(dao)通(tong)损(sun)(sun)(sun)失(shi)(shi)大(da)得多(duo)，而且开关频率越(yue)快，损(sun)(sun)(sun)失(shi)(shi)也越(yue)大(da)。

导(dao)通瞬间电(dian)压和电(dian)流的(de)乘积很大，造成(cheng)的(de)损失也很大。缩短开关(guan)(guan)时间，可以(yi)减(jian)小每次(ci)导(dao)通时的(de)损失，降低(di)开关(guan)(guan)频率，可以(yi)减(jian)小单位时间内的(de)开关(guan)(guan)次(ci)数。这(zhei)两种办法都可以(yi)减(jian)小开关(guan)(guan)损失。

MOS管驱动

跟双极性晶体管相比(bi)，一(yi)(yi)般认为使(shi)MOS管导通不(bu)需要(yao)(yao)电流(liu)，只要(yao)(yao)GS电压高(gao)于一(yi)(yi)定的值(zhi)，就可以(yi)了。这(zhei)个很容易做到，但是，我们还需要(yao)(yao)速度。

在(zai)MOS管(guan)的(de)(de)结构中可以看(kan)到(dao)，在(zai)GS、GD之(zhi)间存(cun)在(zai)寄生电(dian)(dian)(dian)容，而(er)MOS管(guan)的(de)(de)驱动，实际上就是(shi)对(dui)电(dian)(dian)(dian)容的(de)(de)充放电(dian)(dian)(dian)。对(dui)电(dian)(dian)(dian)容的(de)(de)充电(dian)(dian)(dian)需要一个电(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)，因为电(dian)(dian)(dian)容充电(dian)(dian)(dian)瞬(shun)间可以把电(dian)(dian)(dian)容看(kan)成短路(lu)，所以瞬(shun)间电(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)会比较大。选(xuan)择/设计MOS管(guan)驱动时(shi)第(di)一要注意的(de)(de)是(shi)可提供瞬(shun)间短路(lu)电(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)的(de)(de)大小。

第(di)二注意的是(shi)(shi)，普遍用于高端驱动(dong)的NMOS，导(dao)通时需(xu)要(yao)是(shi)(shi)栅(zha)极电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)大于源极电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)。而高端驱动(dong)的MOS管(guan)导(dao)通时源极电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)和(he)漏极电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)(Vcc)相同，所以这是(shi)(shi)栅(zha)极电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)要(yao)比Vcc大4V或10V。如(ru)果在同一个系统里(li)，要(yao)得到(dao)(dao)比Vcc大的电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)，就要(yao)专门(men)的升压(ya)(ya)(ya)电(dian)(dian)(dian)(dian)路了(le)。很多马(ma)达驱动(dong)器都集成了(le)电(dian)(dian)(dian)(dian)荷泵(beng)，要(yao)注意的是(shi)(shi)应该选择合适的外(wai)接电(dian)(dian)(dian)(dian)容，以得到(dao)(dao)足够的短路电(dian)(dian)(dian)(dian)流去驱动(dong)MOS管(guan)。

上边说的(de)4V或(huo)10V是常用的(de)MOS管的(de)导(dao)(dao)通电压(ya)(ya)，设计时当然需要(yao)有(you)一定的(de)余量(liang)。而且电压(ya)(ya)越高，导(dao)(dao)通速度越快，导(dao)(dao)通电阻也越小(xiao)。现在也有(you)导(dao)(dao)通电压(ya)(ya)更(geng)小(xiao)的(de)MOS管用在不同的(de)领(ling)域，但(dan)在12V汽车电子系(xi)统里(li)，一般4V导(dao)(dao)通就够(gou)用了(le)。

MOS管应用电路

MOS管最显(xian)着的(de)特性是开关特性好，所(suo)以(yi)被(bei)广(guang)泛应用(yong)于(yu)需要(yao)电(dian)子(zi)开关的(de)电(dian)路中，常见(jian)的(de)如(ru)开关电(dian)源和马达驱动(dong)电(dian)路，也有照明调光(guang)。

现在(zai)的(de)MOS驱动(dong)，有几个特别的(de)需求：

1.低压应用

当使(shi)用(yong)5V电源(yuan)，这时(shi)候如果使(shi)用(yong)传(chuan)统(tong)的(de)图(tu)腾柱结构(gou)，由于三极管(guan)的(de)be只有0.7V左右的(de)压降，导致实(shi)际最终加载gate上的(de)电压只有4.3V，这时(shi)候，我们选(xuan)用(yong)标称gate电压4.5V的(de)MOS管(guan)就存在一定的(de)风险(xian)。同样的(de)问(wen)题也发生(sheng)在使(shi)用(yong)3V或者其他低压电源(yuan)的(de)场合。

2.宽电压应用

输入电压(ya)并不是(shi)一个固(gu)定值，它会(hui)随着时间或(huo)者其(qi)他(ta)因素而变动(dong)。这个变动(dong)导致(zhi)PWM电路提供给MOS管的驱动(dong)电压(ya)是(shi)不稳定的。

为了让MOS管在高gate电压(ya)下(xia)安全，很多MOS管内(nei)置了稳(wen)压(ya)管强行限(xian)制(zhi)gate电压(ya)的幅值。在这种情况下(xia)，当(dang)提供的驱(qu)动电压(ya)超过稳(wen)压(ya)管的电压(ya)，就会引起较大的静态功耗。

同时，如果简单(dan)的用电(dian)阻分(fen)压(ya)的原理降(jiang)(jiang)低gate电(dian)压(ya)，就会出(chu)现输入(ru)电(dian)压(ya)比较高的时候，MOS管(guan)工作良好，而输入(ru)电(dian)压(ya)降(jiang)(jiang)低的时候gate电(dian)压(ya)不足，引起导(dao)通(tong)不够(gou)彻底，从而增加(jia)功耗。

3.双电压应用

在(zai)一些控制电(dian)路中(zhong)，逻辑部分使(shi)(shi)用典型的5V或3.3V数字(zi)电(dian)压(ya)，而功率(lv)部分使(shi)(shi)用12V甚至更高的电(dian)压(ya)。两(liang)个(ge)电(dian)压(ya)采用共地方式连接。

这(zhei)就提出一个(ge)(ge)要求，需(xu)要使用一个(ge)(ge)电(dian)路，让低压(ya)侧能够有效的(de)控制(zhi)高(gao)压(ya)侧的(de)MOS管，同时高(gao)压(ya)侧的(de)MOS管也同样会(hui)面对1和2提到的(de)问题。

在(zai)这(zhei)三种情(qing)况下，图腾柱(zhu)结构无法满足输出(chu)需求(qiu)，而很多现(xian)成的(de)(de)MOS驱动IC，似乎也没有包含(han)gate电压限制的(de)(de)结构。

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