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                            mos經典驅動電路詳解 mos結構與種類、導通特性解析-KIA MOS管

                            信息來源:本站 日期:2018-11-28 

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                            mos經典驅動電路

                            一、MOS經典驅動電路

                            在使用MOS管設計開關電源或者馬達驅動電路的時候,大部分人都會考慮MOS的導通電阻,最大電壓等,最大電流等,也有很多人僅僅考慮這些因素。這樣的電路也許是可以工作的,但并不是優秀的,作為正式的產品設計也是不允許的。


                            1、MOS管種類和結構

                            MOSFET管是FET的一種(另一種是JFET),可以被制造成增強型或耗盡型,P溝道或N溝道共4種類型,但實際應用的只有增強型的N溝道MOS管和增強型的P溝道MOS管,所以通常提到NMOS,或者PMOS指的就是這兩種。

                            至于為什么不使用耗盡型的MOS管,不建議刨根問底。


                            對于這兩種增強型MOS管,比較常用的是NMOS。原因是導通電阻小,且容易制造。所以開關電源和馬達驅動的應用中,一般都用NMOS。下面的介紹中,也多以NMOS為主。

                            MOS管的三個管腳之間有寄生電容存在,這不是我們需要的,而是由于制造工藝限制產生的。寄生電容的存在使得在設計或選擇驅動電路的時候要麻煩一些,但沒有辦法避免,后邊再詳細介紹。


                            在MOS管原理圖上可以看到,漏極和源極之間有一個寄生二極管。這個叫體二極管,在驅動感性負載(如馬達),這個二極管很重要。順便說一句,體二極管只在單個的MOS管中存在,在集成電路芯片內部通常是沒有的。


                            2、MOS管導通特性

                            導通的意思是作為開關,相當于開關閉合。


                            NMOS的特性,Vgs大于一定的值就會導通,適合用于源極接地時的情況(低端驅動),只要柵極電壓達到4V或10V就可以了。


                            PMOS的特性,Vgs小于一定的值就會導通,適合用于源極接VCC時的情況(高端驅動)。但是,雖然PMOS可以很方便地用作高端驅動,但由于導通電阻大,價格貴,替換種類少等原因,在高端驅動中,通常還是使用NMOS。


                            3、MOS開關管損失

                            MOS管驅動電路不管是NMOS還是PMOS,導通后都有導通電阻存在,這樣電流就會在這個電阻上消耗能量,這部分消耗的能量叫做導通損耗。選擇導通電阻小的MOS管會減小導通損耗?,F在的小功率MOS管導通電阻一般在幾十毫歐左右,幾毫歐的也有。


                            MOS在導通和截止的時候,一定不是在瞬間完成的。MOS兩端的電壓有一個下降的過程,流過的電流有一個上升的過程,在這段時間內,MOS管的損失是電壓和電流的乘積,叫做開關損失。通常開關損失比導通損失大得多,而且開關頻率越快,損失也越大。

                            導通瞬間電壓和電流的乘積很大,造成的損失也就很大??s短開關時間,可以減小每次導通時的損失;降低開關頻率,可以減小單位時間內的開關次數。這兩種辦法都可以減小開關損失。


                            4、MOS管驅動

                            跟雙極性晶體管相比,一般認為使MOS管導通不需要電流,只要GS電壓高于一定的值,就可以了。這個很容易做到,但是,我們還需要速度。


                            在MOS管的結構中可以看到,在GS,GD之間存在寄生電容,而MOS管的驅動,實際上就是對電容的充放電。對電容的充電需要一個電流,因為對電容充電瞬間可以把電容看成短路,所以瞬間電流會比較大。選擇/設計MOS管驅動時第一要注意的是可提供瞬間短路電流的大小。


                            MOS管驅動電路第二注意的是,普遍用于高端驅動的NMOS,導通時需要是柵極電壓大于源極電壓。而高端驅動的MOS管導通時源極電壓與漏極電壓(VCC)相同,所以這時 柵極電壓要比VCC大4V或10V。如果在同一個系統里,要得到比VCC大的電壓,就要專門的升壓電路了。很多馬達驅動器都集成了電荷泵,要注意的是應該 選擇合適的外接電容,以得到足夠的短路電流去驅動MOS管。


                            上邊說的4V或10V是常用的MOS管的導通電壓,設計時當然需要有一定的余量。而且電壓越高,導通速度越快,導通電阻也越小?,F在也有導通電壓更小的MOS管用在不同的領域里,但在12V汽車電子系統里,一般4V導通就夠用了。

                            MOS管的驅動電路及其損失,可以參考Microchip公司的AN799 Matching MOSFET Drivers to MOSFETs。


                            mos經典驅動電路詳解

                            現在的mos經典驅動電路,有幾個特別的需求:


                            1,低壓應用

                            當使用5V電源,這時候如果使用傳統的圖騰柱結構,由于三極管的be有0.7V左右的壓降,導致實際最終加在gate上的電壓只有4.3V。這時候,我們選用標稱gate電壓4.5V的MOS管就存在一定的風險。

                            同樣的問題也發生在使用3V或者其他低壓電源的場合。


                            2,寬電壓應用

                            輸入電壓并不是一個固定值,它會隨著時間或者其他因素而變動。這個變動導致PWM電路提供給MOS管的驅動電壓是不穩定的。


                            為了讓MOS管在高gate電壓下安全,很多MOS管內置了穩壓管強行限制gate電壓的幅值。在這種情況下,當提供的驅動電壓超過穩壓管的電壓,就會引起較大的靜態功耗。


                            同時,如果簡單的用電阻分壓的原理降低gate電壓,就會出現輸入電壓比較高的時候,MOS管工作良好,而輸入電壓降低的時候gate電壓不足,引起導通不夠徹底,從而增加功耗。


                            3,雙電壓應用

                            在一些控制電路中,邏輯部分使用典型的5V或者3.3V數字電壓,而功率部分使用12V甚至更高的電壓。兩個電壓采用共地方式連接。


                            這就提出一個要求,需要使用一個電路,讓低壓側能夠有效的控制高壓側的MOS管,同時高壓側的MOS管也同樣會面對1和2中提到的問題。


                            在這三種情況下,圖騰柱結構無法滿足輸出要求,而很多現成的MOS驅動IC,似乎也沒有包含gate電壓限制的結構。


                            于是我設計了一個相對通用的電路來滿足這三種需求。


                            mos經典驅動電路圖如下:

                            mos經典驅動電路

                            圖1 用于NMOS的驅動電路


                            mos經典驅動電路

                            圖2 用于PMOS的驅動電路


                            這里我只針對NMOS驅動電路做一個簡單分析:

                            Vl和Vh分別是低端和高端的電源,兩個電壓可以是相同的,但是Vl不應該超過Vh。Q1和Q2組成了一個反置的圖騰柱,用來實現隔離,同時確保兩只驅動管Q3和Q4不會同時導通。R2和R3提供了PWM電壓基準,通過改變這個基準,可以讓電路工作在PWM信號波形比較陡直的位置。


                            Q3和Q4用來提供驅動電流,由于導通的時候,Q3和Q4相對Vh和GND最低都只有一個Vce的壓降,這個壓降通常只有0.3V左右,大大低于0.7V的Vce。


                            R5和R6是反饋電阻,用于對gate電壓進行采樣,采樣后的電壓通過Q5對Q1和Q2的基極產生一個強烈的負反饋,從而把gate電壓限制在一個有限的數值。這個數值可以通過R5和R6來調節。


                            最后,R1提供了對Q3和Q4的基極電流限制,R4提供了對MOS管的gate電流限制,也就是Q3和Q4的Ice的限制。必要的時候可以在R4上面并聯加速電容。


                            這個電路提供了如下的特性:

                            1,用低端電壓和PWM驅動高端MOS管。


                            2,用小幅度的PWM信號驅動高gate電壓需求的MOS管。


                            3,gate電壓的峰值限制


                            4,輸入和輸出的電流限制


                            5,通過使用合適的電阻,可以達到很低的功耗。


                            6,PWM信號反相。NMOS并不需要這個特性,可以通過前置一個反相器來解決。


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