MOS管驅動(dòng)設計與電路布線(xiàn)設計—KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2020-09-25
MOS管驅動(dòng)設計，一般認為MOSFET是電壓驅動(dòng)的，不需要驅動(dòng)電流。然而，在MOS的G S兩級之間有結電容存在，這個(gè)電容會(huì )讓驅動(dòng)MOS變的不那么簡(jiǎn)單。
MOS管驅動(dòng)設計，如果不考慮紋波和EMI等要求的話(huà)，MOS管開(kāi)關(guān)速度越快越好，因為開(kāi)關(guān)時(shí)間越短，開(kāi)關(guān)損耗越小，而在開(kāi)關(guān)電源中開(kāi)關(guān)損耗占總損耗的很大一部分，因此MOS管驅動(dòng)電路的好壞直接決定了電源的效率。對于一個(gè)MOS管，如果把GS之間的電壓從0拉到管子的開(kāi)啟電壓所用的時(shí)間越短，那么MOS管開(kāi)啟的速度就會(huì )越快。與此類(lèi)似，如果把MOS管的GS電壓從開(kāi)啟電壓降到0V的時(shí)間越短，那么MOS管關(guān)斷的速度也就越快。
由此我們可以知道，如果想在更短的時(shí)間內把GS電壓拉高或者拉低，就要給MOS管柵極更大的瞬間驅動(dòng)電流。大家常用的PWM芯片輸出直接驅動(dòng)MOS或者用三極管放大后再驅動(dòng)MOS的方法，其實(shí)在瞬間驅動(dòng)電流這塊是有很大缺陷的。比較好的方法是使用專(zhuān)用的MOSFET驅動(dòng)芯片如TC4420來(lái)驅動(dòng)MOS管，這類(lèi)的芯片一般有很大的瞬間輸出電流，而且還兼容TTL電平輸入，MOSFET驅動(dòng)芯片的內部結構。
因為驅動(dòng)線(xiàn)路走線(xiàn)會(huì )有寄生電感，而寄生電感和MOS管的結電容會(huì )組成一個(gè)LC振蕩電路，如果直接把驅動(dòng)芯片的輸出端接到MOS管柵極的話(huà)，在PWM波的上升下降沿會(huì )產(chǎn)生很大的震蕩，導致MOS管急劇發(fā)熱甚至爆炸，一般的解決方法是在柵極串聯(lián)10歐左右的電阻，降低LC振蕩電路的Q值，使震蕩迅速衰減掉。因為MOS管柵極高輸入阻抗的特性，一點(diǎn)點(diǎn)靜電或者干擾都可能導致MOS管誤導通，所以建議在MOS管G S之間并聯(lián)一個(gè)10K的電阻以降低輸入阻抗。
如果擔心附近功率線(xiàn)路上的干擾耦合過(guò)來(lái)產(chǎn)生瞬間高壓擊穿MOS管的話(huà)，可以在GS之間再并聯(lián)一個(gè)18V左右的TVS瞬態(tài)抑制二極管，TVS可以認為是一個(gè)反應速度很快的穩壓管，其瞬間可以承受的功率高達幾百至上千瓦，可以用來(lái)吸收瞬間的干擾脈沖。
MOS管驅動(dòng)電路參考
MOS管驅動(dòng)線(xiàn)路的環(huán)路面積要盡可能小，否則可能會(huì )引入外來(lái)的電磁干擾。驅動(dòng)芯片的旁路電容要盡量靠近驅動(dòng)芯片的VCC和GND引腳，否則走線(xiàn)的電感會(huì )很大程度上影響芯片的瞬間輸出電流。
(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。
1、電源IC直接驅動(dòng)MOSFET
MOS管驅動(dòng)設計，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 1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 1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。
2、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，其電路圖 2虛線(xiàn)框所示。
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。
3、驅動(dòng)電路加速MOS管關(guān)斷時(shí)間
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 3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。
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。
4、驅動(dòng)電路加速MOS管關(guān)斷時(shí)間
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。
5、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，如下圖6所示。
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