MOS管驱动电路综述
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在使用MOS管设计开关电源或者马达驱动电路的时候,大部分人都会考虑MOS的导通电阻,最大电压等,最大电流等,也有很多人仅仅考虑这些因素.这样的电路也许是可以工作的,但并不是优秀的,作为正式的产品设计也是不允许的. 下面是我对MOSFET及MOSFET驱动电路基础的一点总结,其中参考了一些资料,非全部原创.包括MOS管的介绍,特性,驱动以及应用电路. 1,MOS管种类和结构
MOSFET管是FET的一种(另一种是JFET),可以被制造成增强型或耗尽型,P沟道或N沟道共4种类型,但实际应用的只有增强型的N沟道MOS管和增强型的P沟道MOS管,所以通常提到NMOS,或者PMOS指的就是这两种. 至于为什么不使用耗尽型的MOS管,不建议刨根问底.
对于这两种增强型MOS管,比较常用的是NMOS.原因是导通电阻小,且容易制造.所以开关电源和马达驱动的应用中,一般都用NMOS.下面的介绍中,也多以NMOS为主.
MOS管的三个管脚之间有寄生电容存在,这不是我们需要的,而是由于制造工艺限制产生的.寄生电容的存在使得在设计或选择驱动电路的时候要麻烦一些,但没有办法避免,后边再详细介绍.
在MOS管原理图上可以看到,漏极和源极之间有一个寄生二极管.这个叫体二极管,在驱动感性负载(如马达),这个二极管很重要.顺便说一句,体二极管只在单个的MOS管中存在,在集成电路芯片内部通常是没有的.
2,MOS管导通特性
导通的意思是作为开关,相当于开关闭合.
NMOS的特性,Vgs大于一定的值就会导通,适合用于源极接地时的情况(低端驱动),只要栅极电压达到4V或10V就可以了.
PMOS的特性,Vgs小于一定的值就会导通,适合用于源极接VCC时的情况(高
端驱动).但是,虽然PMOS可以很方便地用作高端驱动,但由于导通电阻大,价格贵,替换种类少等原因,在高端驱动中,通常还是使用NMOS.
3,MOS开关管损失
不管是NMOS还是PMOS,导通后都有导通电阻存在,这样电流就会在这个电阻上消耗能量,这部分消耗的能量叫做导通损耗.选择导通电阻小的MOS管会减小导通损耗.现在的小功率MOS管导通电阻一般在几十毫欧左右,几毫欧的也有.
MOS在导通和截止的时候,一定不是在瞬间完成的.MOS两端的电压有一个下降的过程,流过的电流有一个上升的过程,在这段时间内,MOS管的损失是电压和电流的乘积,叫做开关损失.通常开关损失比导通损失大得多,而且开关频率越快,损失也越大.
导通瞬间电压和电流的乘积很大,造成的损失也就很大.缩短开关时间,可以减小每次导通时的损失;降低开关频率,可以减小单位时间内的开关次数.这两种办法都可以减小开关损失.
4,MOS管驱动
跟双极性晶体管相比,一般认为使MOS管导通不需要电流,只要GS电压高于一定的值,就可以了.这个很容易做到,但是,我们还需要速度.
在MOS管的结构中可以看到,在GS,GD之间存在寄生电容,而MOS管的驱动,实际上就是对电容的充放电.对电容的充电需要一个电流,因为对电容充电瞬间可以把电容看成短路,所以瞬间电流会比较大.选择/设计MOS管驱动时第一要注意的是可提供瞬间短路电流的大小.
第二注意的是,普遍用于高端驱动的NMOS,导通时需要是栅极电压大于源极电压.而高端驱动的MOS管导通时源极电压与漏极电压(VCC)相同,所以这时栅极电压要比VCC大4V或10V.如果在同一个系统里,要得到比VCC大的电压,就要专门的升压电路了.很多马达驱动器都集成了电荷泵,要注意的是应该选择合适的外接电容,以得到足够的短路电流去驱动MOS管.
上边说的4V或10V是常用的MOS管的导通电压,设计时当然需要有一定的余量.而且电压越高,导通速度越快,导通电阻也越小.现在也有导通电压更小的MOS管用在不同的领域里,但在12V汽车电子系统里,一般4V导通就够用了.
MOS管的驱动电路及其损失,可以参考Microchip公司的AN799 Matching MOSFET Drivers to MOSFETs.讲述得很详细,所以不打算多写了.
5,MOS管应用电路
MOS管最显著的特性是开关特性好,所以被广泛应用在需要电子开关的电路中,常见的如开关电源和马达驱动,也有照明调光.
现在的MOS驱动,有几个特别的需求, 1,低压应用
当使用5V电源,这时候如果使用传统的图腾柱结构,由于三极管的be有0.7V左右的压降,导致实际最终加在gate上的电压只有4.3V.这时候,我们选用标称gate电压4.5V的MOS管就存在一定的风险.
同样的问题也发生在使用3V或者其他低压电源的场合.
2,宽电压应用
输入电压并不是一个固定值,它会随着时间或者其他因素而变动.这个变动导致PWM电路提供给MOS管的驱动电压是不稳定的.
为了让MOS管在高gate电压下安全,很多MOS管内置了稳压管强行限制gate电压的幅值.在这种情况下,当提供的驱动电压超过稳压管的电压,就会引起较大的静态功耗.
同时,如果简单的用电阻分压的原理降低gate电压,就会出现输入电压比较高的时候,MOS管工作良好,而输入电压降低的时候gate电压不足,引起导通不够彻底,从而增加功耗.
3,双电压应用
在一些控制电路中,逻辑部分使用典型的5V或者3.3V数字电压,而功率部分使用12V甚至更高的电压.两个电压采用共地方式连接.
这就提出一个要求,需要使用一个电路,让低压侧能够有效的控制高压侧的MOS管,同时高压侧的MOS管也同样会面对1和2中提到的问题.
在这三种情况下,图腾柱结构无法满足输出要求,而很多现成的MOS驱动IC,似乎也没有包含gate电压限制的结构.
于是我设计了一个相对通用的电路来满足这三种需求.
电路图如下:
图1 用于NMOS的驱动电路
图2 用于PMOS的驱动电路
这里我只针对NMOS驱动电路做一个简单分析:
Vl和Vh分别是低端和高端的电源,两个电压可以是相同的,但是Vl不应该超过Vh.
Q1和Q2组成了一个反置的图腾柱,用来实现隔离,同时确保两只驱动管Q3和Q4不会同时导通.
R2和R3提供了PWM电压基准,通过改变这个基准,可以让电路工作在PWM信号波形比较陡直的位置.
Q3和Q4用来提供驱动电流,由于导通的时候,Q3和Q4相对Vh和GND最低都只有一个Vce的压降,这个压降通常只有0.3V左右,大大低于0.7V的Vce.