MOS管驅動(dòng)電路-MOS管驅動(dòng)電路及特性作用經(jīng)典講解-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2018-08-09
在使用MOS管設計開(kāi)關(guān)電源或者馬達驅動(dòng)電路的時(shí)候，大部分人都會(huì )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(yōu)秀的，作為正式的產(chǎn)品設計也是不允許的。
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(lèi)型，但實(shí)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(wèn)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(kāi)關(guān)電源和馬達驅動(dòng)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(gè)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(chǎn)生的。寄生電容的存在使得在設計或選擇驅動(dòng)電路的時(shí)候要麻煩一些，但沒(méi)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(gè)寄生二極管。這個(gè)叫體二極管，在驅動(dòng)感性負載（如馬達），這個(gè)二極管很重要。順便說(shuō)一句，體二極管只在單個(gè)的MOS管中存在，在集成電路芯片內部通常是沒(méi)有的。
導通的意思是作為開(kāi)關(guān)，相當于開(kāi)關(guān)閉合。
NMOS的特性，Vgs大于一定的值就會(huì )導通，適合用于源極接地時(shí)的情況（低端驅動(dòng)），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(huì )導通，適合用于源極接VCC時(shí)的情況（高端驅動(dòng)）。但是，雖然PMOS可以很方便地用作高端驅動(dòng)，但由于導通電阻大，價(jià)格貴，替換種類(lèi)少等原因，在高端驅動(dòng)中，通常還是使用NMOS。
MOS管驅動(dòng)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(huì )在這個(gè)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(huì )減小導通損耗。現在的小功率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(shí)候，一定不是在瞬間完成的。MOS兩端的電壓有一個(gè)下降的過(guò)程，流過(guò)的電流有一個(gè)上升的過(guò)程，在這段時(shí)間內，MOS管的損失是電壓和電流的乘積，叫做開(kāi)關(guān)損失。通常開(kāi)關(guān)損失比導通損失大得多，而且開(kāi)關(guān)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。縮短開(kāi)關(guān)時(shí)間，可以減小每次導通時(shí)的損失；降低開(kāi)關(guān)頻率，可以減小單位時(shí)間內的開(kāi)關(guān)次數。這兩種辦法都可以減小開(kāi)關(guān)損失。
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(gè)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(dòng)，實(shí)際上就是對電容的充放電。對電容的充電需要一個(gè)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(huì )比較大。選擇/設計MOS管驅動(dòng)時(shí)第一要注意的是可提供瞬間短路電流的大小。
MOS管驅動(dòng)電路第二注意的是，普遍用于高端驅動(dòng)的NMOS，導通時(shí)需要是柵極電壓大于源極電壓。而高端驅動(dòng)的MOS管導通時(shí)源極電壓與漏極電壓（VCC）相同，所以這時(shí) 柵極電壓要比VCC大4V或10V。如果在同一個(gè)系統里，要得到比VCC大的電壓，就要專(zhuān)門(mén)的升壓電路了。很多馬達驅動(dòng)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(dòng)MOS管。
上邊說(shuō)的4V或10V是常用的MOS管的導通電壓，設計時(shí)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。現在也有導通電壓更小的MOS管用在不同的領(lǐng)域里，但在12V汽車(chē)電子系統里，一般4V導通就夠用了。
MOS管的驅動(dòng)電路及其損失，可以參考Microchip公司的AN799 Matching MOSFET Drivers to MOSFETs。講述得很詳細，所以不打算多寫(xiě)了。
MOS管最顯著(zhù)的特性是開(kāi)關(guān)特性好，所以被廣泛應用在需要電子開(kāi)關(guān)的電路中，常見(jiàn)的如開(kāi)關(guān)電源和馬達驅動(dòng)，也有照明調光。
當使用5V電源，這時(shí)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(shí)際最終加在gate上的電壓只有4.3V。這時(shí)候，我們選用標稱(chēng)gate電壓4.5V的MOS管就存在一定的風(fēng)險。
同樣的問(wèn)題也發(fā)生在使用3V或者其他低壓電源的場(chǎng)合。
輸入電壓并不是一個(gè)固定值，它會(huì )隨著(zhù)時(shí)間或者其他因素而變動(dòng)。這個(gè)變動(dòng)導致PWM電路提供給MOS管的驅動(dòng)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(dòng)電壓超過(guò)穩壓管的電壓，就會(huì )引起較大的靜態(tài)功耗。
同時(shí)，如果簡(jiǎn)單的用電阻分壓的原理降低gate電壓，就會(huì )出現輸入電壓比較高的時(shí)候，MOS管工作良好，而輸入電壓降低的時(shí)候gate電壓不足，引起導通不夠徹底，從而增加功耗。
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(gè)電壓采用共地方式連接。MOS管驅動(dòng)電路
這就提出一個(gè)要求，需要使用一個(gè)電路，讓低壓側能夠有效的控制高壓側的MOS管，同時(shí)高壓側的MOS管也同樣會(huì )面對1和2中提到的問(wèn)題。
在這三種情況下，圖騰柱結構無(wú)法滿(mǎn)足輸出要求，而很多現成的MOS驅動(dòng)IC，似乎也沒(méi)有包含gate電壓限制的結構。
電路圖如下：
圖1 用于NMOS的驅動(dòng)電路
圖2用于PMOS的驅動(dòng)電路
這里只針對NMOS驅動(dòng)電路做一個(gè)簡(jiǎn)單分析：
Vl和Vh分別是低端和高端的電源，兩個(gè)電壓可以是相同的，但是Vl不應該超過(guò)Vh。
Q1和Q2組成了一個(gè)反置的圖騰柱，用來(lái)實(shí)現隔離，同時(shí)確保兩只驅動(dòng)管Q3和Q4不會(huì )同時(shí)導通。
R2和R3提供了PWM電壓基準，通過(guò)改變這個(gè)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(lái)提供驅動(dòng)電流，由于導通的時(shí)候，Q3和Q4相對Vh和GND最低都只有一個(gè)Vce的壓降，這個(gè)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(jìn)行采樣，采樣后的電壓通過(guò)Q5對Q1和Q2的基極產(chǎn)生一個(gè)強烈的負反饋，從而把gate電壓限制在一個(gè)有限的數值。這個(gè)數值可以通過(guò)R5和R6來(lái)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(shí)候可以在R4上面并聯(lián)加速電容。
1，用低端電壓和PWM驅動(dòng)高端MOS管。
2，用小幅度的PWM信號驅動(dòng)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(guò)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(gè)特性，可以通過(guò)前置一個(gè)反相器來(lái)解決。
一種低電壓高頻率采用自舉電路的BiCMOS驅動(dòng)電路
在設計便攜式設備和無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品時(shí)，提高產(chǎn)品性能、延長(cháng)電池工作時(shí)間是設計人員需要面對的兩個(gè)問(wèn)題。DC-DC轉換器具有效率高、輸出電流大、靜態(tài)電流小等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于為便攜式設備供電。目前DC-DC轉換器設計技術(shù)發(fā)展主要趨勢有：
（1）高頻化技術(shù)：隨著(zhù)開(kāi)關(guān)頻率的提高，開(kāi)關(guān)變換器的體積也隨之減小，功率密度也得到大幅提升，動(dòng)態(tài)響應得到改善。小功率DC-DC轉換器的開(kāi)關(guān)頻率將上升到兆赫級。
（2）低輸出電壓技術(shù)：隨著(zhù)半導體制造技術(shù)的不斷發(fā)展，微處理器和便攜式電子設備的工作電壓越來(lái)越低，這就要求未來(lái)的DC-DC變換器能夠提供低輸出電壓以適應微處理器和便攜式電子設備的要求。
這些技術(shù)的發(fā)展對電源芯片電路的設計提出了更高的要求。首先，隨著(zhù)開(kāi)關(guān)頻率的不斷提高，對于開(kāi)關(guān)元件的性能提出了很高的要求，同時(shí)必須具有相應的開(kāi)關(guān)元件 驅動(dòng)電路以保證開(kāi)關(guān)元件在高達兆赫級的開(kāi)關(guān)頻率下正常工作。其次，對于電池供電的便攜式電子設備來(lái)說(shuō)，電路的工作電壓低（以鋰電池為例，工作電壓 2.5～3.6V），因此，電源芯片的工作電壓較低。
MOS管具有很低的導通電阻，消耗能量較低，在目前流行的高效DC－DC芯片中多采用MOS管作為功率開(kāi)關(guān)。但是由于MOS管的寄生電容大，一般情況下NMOS開(kāi)關(guān)管的柵極電容高達幾十皮法。這對于設計高工作頻率DC－DC轉換器開(kāi)關(guān)管驅動(dòng)電路的設計提出了更高的要求。
在低電壓ULSI設計中有多種CMOS、BiCMOS采用自舉升壓結構的邏輯電路和作為大容性負載的驅動(dòng)電路。這些電路能夠在低于1V電壓供電條件下正常 工作，并且能夠在負載電容1～2pF的條件下工作頻率能夠達到幾十兆甚至上百兆赫茲。本文正是采用了自舉升壓電路，設計了一種具有大負載電容驅動(dòng)能力的， 適合于低電壓、高開(kāi)關(guān)頻率升壓型DC－DC轉換器的驅動(dòng)電路。電路基于Samsung AHP615 BiCMOS工藝設計并經(jīng)過(guò)Hspice仿真驗證，在供電電壓1.5V ，負載電容為60pF時(shí)，工作頻率能夠達到5MHz以上。
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