MOS管驱动设计与电路布线设计—KIA MOS管

MOS管驱动设计细节

MOS管驱动设计，一(yi)般认为MOSFET是(shi)电(dian)压驱动的，不(bu)需要(yao)驱动电(dian)流。然而，在(zai)MOS的G S两级之间有结(jie)电(dian)容(rong)存在(zai)，这个电(dian)容(rong)会让(rang)驱动MOS变的不(bu)那(nei)么简单。

MOS管(guan)驱(qu)动设(she)计(ji)，如(ru)果不考虑纹波和EMI等要求的(de)话(hua)，MOS管(guan)开(kai)关(guan)速度(du)越(yue)快(kuai)越(yue)好，因为开(kai)关(guan)时(shi)间越(yue)短，开(kai)关(guan)损(sun)(sun)耗(hao)(hao)越(yue)小，而(er)在开(kai)关(guan)电(dian)源中(zhong)开(kai)关(guan)损(sun)(sun)耗(hao)(hao)占总损(sun)(sun)耗(hao)(hao)的(de)很大(da)一部分，因此MOS管(guan)驱(qu)动电(dian)路的(de)好坏直接决定了电(dian)源的(de)效率。对于(yu)一个MOS管，如(ru)果把GS之间的(de)(de)(de)电(dian)压(ya)(ya)从0拉到管子的(de)(de)(de)开(kai)启(qi)电(dian)压(ya)(ya)所用的(de)(de)(de)时(shi)间越短，那(nei)么MOS管开(kai)启(qi)的(de)(de)(de)速度就会越快。与此类似(si)，如(ru)果把MOS管的(de)(de)(de)GS电(dian)压(ya)(ya)从开(kai)启(qi)电(dian)压(ya)(ya)降(jiang)到0V的(de)(de)(de)时(shi)间越短，那(nei)么MOS管关断(duan)的(de)(de)(de)速度也就越快。

由此(ci)我们可以知道，如果想(xiang)在更短的时间(jian)(jian)内把GS电压(ya)拉(la)高(gao)或者拉(la)低，就要给MOS管栅极更大的瞬间(jian)(jian)驱动电流。大家常(chang)用的(de)PWM芯片输(shu)出直接驱动MOS或者用三极管放(fang)大后再驱动MOS的(de)方法，其实(shi)在瞬间(jian)驱动电流这块是有很大缺陷的(de)。比(bi)较好的(de)方法是使用(yong)专用(yong)的(de)MOSFET驱动芯(xin)片(pian)如TC4420来驱动MOS管，这类的(de)芯(xin)片(pian)一般有(you)很大的(de)瞬间输出电(dian)流，而且还兼容TTL电(dian)平输入，MOSFET驱动芯(xin)片(pian)的(de)内部结构(gou)。

MOS驱动电路设计需要注意的地方：

因为驱动(dong)线(xian)(xian)路(lu)走(zou)线(xian)(xian)会(hui)有寄生(sheng)电感，而寄生(sheng)电感和MOS管的(de)(de)结电容会(hui)组成一个LC振荡(dang)电路(lu)，如果直接(jie)把驱动(dong)芯片的(de)(de)输(shu)出端(duan)接(jie)到(dao)MOS管栅(zha)极的(de)(de)话，在PWM波(bo)的(de)(de)上升下(xia)降(jiang)(jiang)沿会(hui)产生(sheng)很大的(de)(de)震(zhen)荡(dang)，导(dao)致MOS管急剧发(fa)热甚至爆炸，一般的(de)(de)解(jie)决方法是在栅(zha)极串联10欧左右的(de)(de)电阻，降(jiang)(jiang)低LC振荡(dang)电路(lu)的(de)(de)Q值(zhi)，使震(zhen)荡(dang)迅速衰(shuai)减掉。因(yin)为MOS管栅极高输入阻(zu)抗的(de)特(te)性，一(yi)点点静(jing)电或者干扰都可能导(dao)致MOS管误(wu)导(dao)通，所以建议(yi)在MOS管G S之(zhi)间(jian)并联一(yi)个10K的(de)电阻(zu)以降低输入阻(zu)抗。

如(ru)果担心附近功(gong)率(lv)线路上的(de)干(gan)扰耦合过来(lai)产(chan)生瞬(shun)(shun)(shun)(shun)间(jian)(jian)高压击穿MOS管(guan)的(de)话(hua)，可以(yi)在(zai)GS之间(jian)(jian)再并联一(yi)个18V左右的(de)TVS瞬(shun)(shun)(shun)(shun)态(tai)抑制二极(ji)管(guan)，TVS可以(yi)认为是一(yi)个反应速度(du)很快的(de)稳(wen)压管(guan)，其瞬(shun)(shun)(shun)(shun)间(jian)(jian)可以(yi)承受的(de)功(gong)率(lv)高达几百至(zhi)上千瓦，可以(yi)用来(lai)吸收(shou)瞬(shun)(shun)(shun)(shun)间(jian)(jian)的(de)干(gan)扰脉(mai)冲。

MOS管驱动(dong)电路参考

MOS管驱动电路的布线设计

MOS管驱动线路(lu)(lu)的环路(lu)(lu)面积要尽可(ke)能小，否则可(ke)能会引入(ru)外来的电磁干扰。驱(qu)(qu)动芯(xin)片(pian)的(de)旁(pang)路电(dian)容要(yao)尽量靠近驱(qu)(qu)动芯(xin)片(pian)的(de)VCC和(he)GND引脚，否则走线的(de)电(dian)感会很大程(cheng)度上影响(xiang)芯(xin)片(pian)的(de)瞬(shun)间输出电(dian)流。

一个好的MOSFET驱动电路有以下几点要求：

(1)开关管开通(tong)瞬时，驱动电(dian)(dian)(dian)路应能提供足够大的充电(dian)(dian)(dian)电(dian)(dian)(dian)流使MOSFET栅源极间(jian)电(dian)(dian)(dian)压迅速(su)上升到所(suo)需值，保证(zheng)开关管能快速(su)开通(tong)且不存在(zai)上升沿的高频振荡。

(2)开关导通期间驱(qu)动电路能保证(zheng)MOSFET栅源极间电压(ya)保持(chi)稳定且可靠导通。

(3)关断(duan)瞬(shun)间(jian)驱动电(dian)路(lu)(lu)能(neng)提供一(yi)个(ge)尽可能(neng)低(di)阻(zu)抗(kang)的通路(lu)(lu)供MOSFET栅源极间(jian)电(dian)容电(dian)压的快速(su)泄放(fang)，保证(zheng)开(kai)关管能(neng)快速(su)关断(duan)。

(4)驱动电路结构简单可靠、损耗小(xiao)。

(5)根据情况施加(jia)隔离。

下面介绍几个模块电源中常用的MOSFET驱动电路。

1、电(dian)源IC直接驱动(dong)MOSFET

MOS管驱(qu)(qu)(qu)(qu)动(dong)(dong)(dong)设计，电(dian)源(yuan)IC直接驱(qu)(qu)(qu)(qu)动(dong)(dong)(dong)是我们最常用(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)驱(qu)(qu)(qu)(qu)动(dong)(dong)(dong)方(fang)式，同时也是最简单的(de)(de)(de)(de)驱(qu)(qu)(qu)(qu)动(dong)(dong)(dong)方(fang)式，使(shi)(shi)用(yong)(yong)这种(zhong)驱(qu)(qu)(qu)(qu)动(dong)(dong)(dong)方(fang)式，应该注意几个(ge)参数(shu)以及这些参数(shu)的(de)(de)(de)(de)影(ying)响(xiang)。第一(yi)，查看(kan)一(yi)下(xia)电(dian)源(yuan)IC手册，其最大(da)(da)驱(qu)(qu)(qu)(qu)动(dong)(dong)(dong)峰值电(dian)流(liu)，因为不(bu)(bu)同芯(xin)片，驱(qu)(qu)(qu)(qu)动(dong)(dong)(dong)能(neng)力(li)很多时候(hou)是不(bu)(bu)一(yi)样的(de)(de)(de)(de)。第二，了解(jie)一(yi)下(xia)MOSFET的(de)(de)(de)(de)寄(ji)生(sheng)电(dian)容(rong)，如图 1中C1、C2的(de)(de)(de)(de)值。如果(guo)(guo)(guo)C1、C2的(de)(de)(de)(de)值比较(jiao)(jiao)大(da)(da)，MOS管导通(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)需要的(de)(de)(de)(de)能(neng)量就(jiu)比较(jiao)(jiao)大(da)(da)，如果(guo)(guo)(guo)电(dian)源(yuan)IC没有比较(jiao)(jiao)大(da)(da)的(de)(de)(de)(de)驱(qu)(qu)(qu)(qu)动(dong)(dong)(dong)峰值电(dian)流(liu)，那么管子导通(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)速度就(jiu)比较(jiao)(jiao)慢(man)。如果(guo)(guo)(guo)驱(qu)(qu)(qu)(qu)动(dong)(dong)(dong)能(neng)力(li)不(bu)(bu)足，上(shang)升(sheng)沿(yan)可能(neng)出现高频(pin)振(zhen)荡，即使(shi)(shi)把图 1中Rg减小(xiao)，也不(bu)(bu)能(neng)解(jie)决问题! IC驱(qu)(qu)(qu)(qu)动(dong)(dong)(dong)能(neng)力(li)、MOS寄(ji)生(sheng)电(dian)容(rong)大(da)(da)小(xiao)、MOS管开关速度等(deng)因素，都影(ying)响(xiang)驱(qu)(qu)(qu)(qu)动(dong)(dong)(dong)电(dian)阻(zu)阻(zu)值的(de)(de)(de)(de)选择(ze)，所以Rg并不(bu)(bu)能(neng)无限减小(xiao)。

2、电源(yuan)IC驱动能力不足时

如果选择MOS管寄生电(dian)(dian)容比较大，电(dian)(dian)源(yuan)IC内部的驱(qu)动(dong)能(neng)力(li)又不足(zu)时，需(xu)要在(zai)驱(qu)动(dong)电(dian)(dian)路(lu)(lu)上增强驱(qu)动(dong)能(neng)力(li)，常使(shi)用图腾柱电(dian)(dian)路(lu)(lu)增加(jia)电(dian)(dian)源(yuan)IC驱(qu)动(dong)能(neng)力(li)，其电(dian)(dian)路(lu)(lu)图 2虚线框所示。

这种驱(qu)动电路作(zuo)用在于(yu)(yu)，提升(sheng)电流提供能力，迅(xun)速完成对(dui)于(yu)(yu)栅极(ji)输入电容(rong)电荷的(de)充电过(guo)程。这种拓扑增(zeng)加(jia)了(le)导通所需(xu)要的(de)时间，但是(shi)减少了(le)关断时间，开关管能快速开通且避(bi)免上升(sheng)沿的(de)高频振荡。

3、驱(qu)动电(dian)路加(jia)速MOS管(guan)关(guan)断时间

关(guan)断(duan)瞬间(jian)驱动电(dian)(dian)(dian)路能提供一个尽可(ke)能低(di)阻(zu)抗的(de)(de)通路供MOSFET栅(zha)源(yuan)极(ji)(ji)间(jian)电(dian)(dian)(dian)容电(dian)(dian)(dian)压快速(su)泄(xie)放(fang)，保(bao)证开关(guan)管能快速(su)关(guan)断(duan)。为使栅(zha)源(yuan)极(ji)(ji)间(jian)电(dian)(dian)(dian)容电(dian)(dian)(dian)压的(de)(de)快速(su)泄(xie)放(fang)，常(chang)(chang)在驱动电(dian)(dian)(dian)阻(zu)上并联一个电(dian)(dian)(dian)阻(zu)和一个二极(ji)(ji)管，如(ru)图 3所示，其中D1常(chang)(chang)用(yong)的(de)(de)是快恢复(fu)二极(ji)(ji)管。这使关(guan)断(duan)时间(jian)减(jian)小，同(tong)时减(jian)小关(guan)断(duan)时的(de)(de)损耗。Rg2是防止关(guan)断(duan)的(de)(de)时电(dian)(dian)(dian)流过大，把(ba)电(dian)(dian)(dian)源(yuan)IC给烧(shao)掉(diao)。

在(zai)第(di)二点介绍的(de)图腾(teng)柱电(dian)路(lu)也有(you)加(jia)快(kuai)关(guan)断作用(yong)。当(dang)电(dian)源(yuan)(yuan)IC的(de)驱(qu)动(dong)能力足(zu)够时，对(dui)图 2中(zhong)电(dian)路(lu)改进(jin)可(ke)以(yi)加(jia)速MOS管关(guan)断时间，得到如图 4所示(shi)电(dian)路(lu)。用(yong)三极管来泄放(fang)栅源(yuan)(yuan)极间电(dian)容(rong)电(dian)压(ya)是比较常见的(de)。如果Q1的(de)发(fa)射极没有(you)电(dian)阻，当(dang)PNP三极管导通(tong)时，栅源(yuan)(yuan)极间电(dian)容(rong)短接，达到最短时间内把电(dian)荷放(fang)完，最大限度减(jian)小关(guan)断时的(de)交(jiao)叉损(sun)耗(hao)。与图 3拓扑相(xiang)比较，还有(you)一个好处(chu)，就是栅源(yuan)(yuan)极间电(dian)容(rong)上的(de)电(dian)荷泄放(fang)时电(dian)流(liu)不经过电(dian)源(yuan)(yuan)IC，提高了可(ke)靠性。

4、驱动(dong)电路加速MOS管关(guan)断时(shi)间

为(wei)(wei)了满足如图 5所示(shi)高端MOS管的驱动(dong)，经常会采用(yong)变压(ya)器驱动(dong)，有时为(wei)(wei)了满足安全隔离也(ye)使用(yong)变压(ya)器驱动(dong)。其(qi)中R1目(mu)的是抑制PCB板上(shang)寄生的电感与C1形成LC振(zhen)荡，C1的目(mu)的是隔开直流，通过交流，同时也(ye)能防止磁(ci)芯饱(bao)和(he)。

5、当源(yuan)极输(shu)出(chu)为高电压时的驱(qu)动

当源极输出为高电(dian)压(ya)的(de)情(qing)况时，我(wo)们需(xu)要采用(yong)偏置电(dian)路达到电(dian)路工作的(de)目的(de)，既我(wo)们以源极为参(can)考(kao)点，搭(da)建偏置电(dian)路，驱(qu)动(dong)电(dian)压(ya)在两个电(dian)压(ya)之间波动(dong)，驱(qu)动(dong)电(dian)压(ya)偏差由低电(dian)压(ya)提供(gong)，如下图6所示(shi)。

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