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                            MOS管驅動電路、導通性等詳解-常用MOS管開關電源驅動設計-KIA MOS管

                            信息來源:本站 日期:2019-02-20 

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                            MOS管驅動,MOS管開關電源設計

                            MOS管驅動電路

                            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。


                            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。


                            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。


                            mos管種類和結構

                            mos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。右圖是這兩種MOS管的符號。

                            MOS管驅動,MOS管開關電源設計


                            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。

                            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。在單個的MOS管中存在,在集成電路芯片內部通常是沒有的。下圖是MOS管的構造圖,通常的原理圖中都畫成下圖所示的樣子。

                            MOS管驅動,MOS管開關電源設計


                            MOS管的三個管腳之間有寄生電容存在,如下圖所示。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,在MOS管的驅動電路設計時再詳細介紹。

                            MOS管驅動,MOS管開關電源設計


                            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,使用與源極接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。


                            下圖是瑞薩2SK3418的Vgs電壓和Vds電壓的關系圖??梢钥闯鲂‰娏鲿r,Vgs達到4V,DS間壓降已經很小,可以認為導通。

                            MOS管驅動,MOS管開關電源設計


                            常用MOS管開關電源驅動設計解析

                            MOS管開關電源設計,在使用MOSFET設計開關電源時,大部分人都會考慮MOSFET的導通電阻、最大電壓、最大電流。但很多時候也僅僅考慮了這些因素,這樣的電路也許可以正常工作,但并不是一個好的設計方案。更細致的,MOSFET還應考慮本身寄生的參數。對一個確定的MOSFET,其驅動電路,驅動腳輸出的峰值電流,上升速率等,都會影響MOSFET的開關性能。當電源IC與MOS管選定之后, 選擇合適的驅動電路來連接電源IC與MOS管就顯得尤其重要了。一個好的mos管驅動電路有以下幾點要求:


                            (1)開關管開通瞬時,驅動電路應能提供足夠大的充電電流使MOSFET柵源極間電壓迅速上升到所需值,保證開關管能快速開通且不存在上升沿的高頻振蕩。


                            (2)開關導通期間驅動電路能保證MOSFET柵源極間電壓保持穩定且可靠導通。


                            (3)關斷瞬間驅動電路能提供一個盡可能低阻抗的通路供MOSFET柵源極間電容電壓的快速泄放,保證開關管能快速關斷。


                            (4)驅動電路結構簡單可靠、損耗小。


                            (5)根據情況施加隔離。

                            下面介紹幾個模塊電源中常用的mos管驅動電路。


                            1:當源極輸出為高電壓時的驅動

                            當源極輸出為高電壓的情況時,我們需要采用偏置電路達到電路工作的目的,既我們以源極為參考點,搭建偏置電路,驅動電壓在兩個電壓之間波動,驅動電壓偏差由低電壓提供。

                            MOS管驅動,MOS管開關電源設計

                            源極輸出為高電壓時的驅動電路


                            2:電源IC直接驅動mos

                            MOS管驅動,MOS管開關電源設計 

                            IC直接驅動MOSFET

                            電源IC直接驅動是我們最常用的驅動方式,同時也是最簡單的驅動方式,使用這種驅動方式,應該注意幾個參數以及這些參數的影響。第一,查看一下電源IC手冊,其最大驅動峰值電流,因為不同芯片,驅動能力很多時候是不一樣的。第二,了解一下MOSFET的寄生電容,如圖2中C1、C2的值。如果C1、C2的值比較大,MOS管導通的需要的能量就比較大,如果電源IC沒有比較大的驅動峰值電流,那么管子導通的速度就比較慢。如果驅動能力不足,上升沿可能出現高頻振蕩,即使把圖2中Rg減小,也不能解決問題! IC驅動能力、MOS寄生電容大小、MOS管開關速度等因素,都影響驅動電阻阻值的選擇,所以Rg并不能無限減小。


                            3、驅動電路加速MOS管關斷時間

                            MOS管驅動,MOS管開關電源設計

                            加速MOS關斷

                            關斷瞬間驅動電路能提供一個盡可能低阻抗的通路供MOSFET柵源極間電容電壓快速泄放,保證開關管能快速關斷。為使柵源極間電容電壓的快速泄放,常在驅動電阻上并聯一個電阻和一個二極管,如圖4所示,其中D1常用的是快恢復二極管。這使關斷時間減小,同時減小關斷時的損耗。Rg2是防止關斷的時電流過大,把電源IC給燒掉。

                            MOS管驅動,MOS管開關電源設計

                            改進型加速MOS關斷


                            4、驅動電路加速MOS管關斷時間

                            MOS管驅動,MOS管開關電源設計 

                            隔離驅動

                            為了滿足如圖5所示高端MOS管的驅動,經常會采用變壓器驅動,有時為了滿足安全隔離也使用變壓器驅動。其中R1目的是抑制PCB板上寄生的電感與C1形成LC振蕩,C1的目的是隔開直流,通過交流,同時也能防止磁芯飽和。

                            除了以上驅動電路之外,還有很多其它形式的驅動電路。對于各種各樣的驅動電路并沒有一種驅動電路是最好的,只有結合具體應用,選擇最合適的驅動。


                            5、電源IC驅動能力不足時

                            如果選擇MOS管寄生電容比較大,電源IC內部的驅動能力又不足時,需要在驅動電路上增強驅動能力,常使用圖騰柱電路增加電源IC驅動能力。

                            MOS管驅動,MOS管開關電源設計

                            騰柱驅動MOS


                            這種驅動電路作用在于,提升電流提供能力,迅速完成對于柵極輸入電容電荷的充電過程。這種拓撲增加了導通所需要的時間,但是減少了關斷時間,開關管能快速開通且避免上升沿的高頻振蕩。


                            MOS管應用電路

                            MOS管最顯著的特性是開關特性好,所以被廣泛應用在需要電子開關的電路中,常見的如開關電源和馬達驅動,也有照明調光。


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