mos管驅動(dòng)電路設計

在使用mos管驅動(dòng)電路設計開(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。

1、mos管種類(lèi)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(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。右圖是這兩種MOS管的符號。

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。

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。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。下圖是MOS管的構造圖，通常的原理圖中都畫(huà)成右圖所示的樣子。

MOS管的三個(gè)管腳之間有寄生電容存在，如右圖所示。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，在MOS管的驅動(dòng)電路設計時(shí)再詳細介紹。

2、MOS管導通特性

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，使用與源極接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。

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

3、MOS開(kāi)關(guān)管損失

不管是NMOS還是PMOS，導通后都有導通電阻存在，因而在DS間流過(guò)電流的同時(shí)，兩端還會(huì )有電壓(如2SK3418特性圖所示)，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?，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(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。

下圖是MOS管導通時(shí)的波形?？梢钥闯?，導通瞬間電壓和電流的乘積很大，造成的損失也就很大。降低開(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。 

4、MOS管驅動(dòng)

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。

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?，F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AN799 Matching MOSFET Drivers to MOSFETs。講述得很詳細，所以不打算多寫(xiě)了。

5、MOS管應用電路

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。這三種應用在各個(gè)領(lǐng)域都有詳細的介紹，這里就不多寫(xiě)了。

5種常用開(kāi)關(guān)電源mos管驅動(dòng)電路設計解析

在使用MOSFET設計開(kāi)關(guān)電源時(shí)，大部分人都會(huì )考慮MOSFET的導通電阻、最大電壓、最大電流。但很多時(shí)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(gè)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(gè)確定的MOSFET，其驅動(dòng)電路，驅動(dòng)腳輸出的峰值電流，上升速率等，都會(huì )影響MOSFET的開(kāi)關(guān)性能。當電源IC與MOS管選定之后， 選擇合適的驅動(dòng)電路來(lái)連接電源IC與MOS管就顯得尤其重要了。一個(gè)好的mos管驅動(dòng)電路有以下幾點(diǎn)要求：

(1)開(kāi)關(guān)管開(kāi)通瞬時(shí)，驅動(dòng)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(kāi)關(guān)管能快速開(kāi)通且不存在上升沿的高頻振蕩。

(2)開(kāi)關(guān)導通期間驅動(dòng)電路能保證MOSFET柵源極間電壓保持穩定且可靠導通。

(3)關(guān)斷瞬間驅動(dòng)電路能提供一個(gè)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(kāi)關(guān)管能快速關(guān)斷。

(4)驅動(dòng)電路結構簡(jiǎn)單可靠、損耗小。

(5)根據情況施加隔離。

下面介紹幾個(gè)模塊電源中常用的mos管驅動(dòng)電路。

1：當源極輸出為高電壓時(shí)的驅動(dòng)

當源極輸出為高電壓的情況時(shí)，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(diǎn)，搭建偏置電路，驅動(dòng)電壓在兩個(gè)電壓之間波動(dòng)，驅動(dòng)電壓偏差由低電壓提供。

圖1 源極輸出為高電壓時(shí)的驅動(dòng)電路

2：電源IC直接驅動(dòng)mos

圖2 IC直接驅動(dòng)MOSFET

電源IC直接驅動(dòng)是我們最常用的驅動(dòng)方式，同時(shí)也是最簡(jiǎn)單的驅動(dòng)方式，使用這種驅動(dòng)方式，應該注意幾個(gè)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(dòng)峰值電流，因為不同芯片，驅動(dòng)能力很多時(shí)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(méi)有比較大的驅動(dòng)峰值電流，那么管子導通的速度就比較慢。如果驅動(dòng)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(wèn)題! IC驅動(dòng)能力、MOS寄生電容大小、MOS管開(kāi)關(guān)速度等因素，都影響驅動(dòng)電阻阻值的選擇，所以Rg并不能無(wú)限減小。

3：電源IC驅動(dòng)能力不足時(shí)

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

圖3 騰柱驅動(dòng)MOS

這種驅動(dòng)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(guò)程。這種拓撲增加了導通所需要的時(shí)間，但是減少了關(guān)斷時(shí)間，開(kāi)關(guān)管能快速開(kāi)通且避免上升沿的高頻振蕩。

4：驅動(dòng)電路加速MOS管關(guān)斷時(shí)間

圖4 加速MOS關(guān)斷

關(guān)斷瞬間驅動(dòng)電路能提供一個(gè)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(kāi)關(guān)管能快速關(guān)斷。為使柵源極間電容電壓的快速泄放，常在驅動(dòng)電阻上并聯(lián)一個(gè)電阻和一個(gè)二極管，如圖4所示，其中D1常用的是快恢復二極管。這使關(guān)斷時(shí)間減小，同時(shí)減小關(guān)斷時(shí)的損耗。Rg2是防止關(guān)斷的時(shí)電流過(guò)大，把電源IC給燒掉。

 圖4-1 改進(jìn)型加速MOS關(guān)斷

在第二點(diǎn)介紹的圖騰柱電路也有加快關(guān)斷作用。當電源IC的驅動(dòng)能力足夠時(shí)，對圖 2中電路改進(jìn)可以加速MOS管關(guān)斷時(shí)間，得到如圖 4所示電路。用三極管來(lái)泄放柵源極間電容電壓是比較常見(jiàn)的。如果Q1的發(fā)射極沒(méi)有電阻，當PNP三極管導通時(shí)，柵源極間電容短接，達到最短時(shí)間內把電荷放完，最大限度減小關(guān)斷時(shí)的交叉損耗。與圖 3拓撲相比較，還有一個(gè)好處，就是柵源極間電容上的電荷泄放時(shí)電流不經(jīng)過(guò)電源IC，提高了可靠性。

5：驅動(dòng)電路加速MOS管關(guān)斷時(shí)間

圖5 隔離驅動(dòng)

為了滿(mǎn)足如圖5所示高端MOS管的驅動(dòng)，經(jīng)常會(huì )采用變壓器驅動(dòng)，有時(shí)為了滿(mǎn)足安全隔離也使用變壓器驅動(dòng)。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(kāi)直流，通過(guò)交流，同時(shí)也能防止磁芯飽和。

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

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