深解mos管驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)及mos管驅(qū)動(dòng)電阻如何選擇-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2019-01-02
跟雙極性晶體管相比，一般認(rèn)為使MOS管導(dǎo)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(jié)構(gòu)中可以看到，在GS，GD之間存在寄生電容，而MOS管的驅(qū)動(dòng)，實(shí)際上就是對(duì)電容的充放電。對(duì)電容的充電需要一個(gè)電流，因?yàn)閷?duì)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(shè)計(jì)MOS管驅(qū)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(qū)動(dòng)的NMOS，導(dǎo)通時(shí)需要是柵極電壓大于源極電壓。而高端驅(qū)動(dòng)的MOS管導(dǎo)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(tǒng)里，要得到比VCC大的電壓，就要專門的升壓電路了。很多馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器都集成了電荷泵，要注意的是應(yīng)該 選擇合適的外接電容，以得到足夠的短路電流去驅(qū)動(dòng)MOS管。
上邊說的4V或10V是常用的MOS管的導(dǎo)通電壓，設(shè)計(jì)時(shí)當(dāng)然需要有一定的余量。而且電壓越高，導(dǎo)通速度越快，導(dǎo)通電阻也越小。現(xiàn)在也有導(dǎo)通電壓更小的MOS管用在不同的領(lǐng)域里，但在12V汽車電子系統(tǒng)里，一般4V導(dǎo)通就夠用了。
MOS管的驅(qū)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(xì)，所以不打算多寫了。
MOS管最顯著的特性是開關(guān)特性好，所以被廣泛應(yīng)用在需要電子開關(guān)的電路中，常見的如開關(guān)電源和馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，也有照明調(diào)光。
當(dāng)使用5V電源，這時(shí)候如果使用傳統(tǒng)的圖騰柱結(jié)構(gòu)，由于三極管的be有0.7V左右的壓降，導(dǎo)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(biāo)稱gate電壓4.5V的MOS管就存在一定的風(fēng)險(xiǎn)
同樣的問題也發(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)隨著時(shí)間或者其他因素而變動(dòng)。這個(gè)變動(dòng)導(dǎo)致PWM電路提供給MOS管的驅(qū)動(dòng)電壓是不穩(wěn)定的。
為了讓MOS管在高gate電壓下安全，很多MOS管內(nèi)置了穩(wěn)壓管強(qiáng)行限制gate電壓的幅值。在這種情況下，當(dāng)提供的驅(qū)動(dòng)電壓超過穩(wěn)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(xiàn)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(dǎo)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(shù)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。
這就提出一個(gè)要求，需要使用一個(gè)電路，讓低壓側(cè)能夠有效的控制高壓側(cè)的MOS管，同時(shí)高壓側(cè)的MOS管也同樣會(huì)面對(duì)1和2中提到的問題。
在這三種情況下，圖騰柱結(jié)構(gòu)無法滿足輸出要求，而很多現(xiàn)成的MOS驅(qū)動(dòng)IC，似乎也沒有包含gate電壓限制的結(jié)構(gòu)。
電路圖如下：
這里只針對(duì)NMOS驅(qū)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(yīng)該超過Vh。
Q1和Q2組成了一個(gè)反置的圖騰柱，用來實(shí)現(xiàn)隔離，同時(shí)確保兩只驅(qū)動(dòng)管Q3和Q4不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通。
R2和R3提供了PWM電壓基準(zhǔn)，通過改變這個(gè)基準(zhǔn)，可以讓電路工作在PWM信號(hào)波形比較陡直的位置。
Q3和Q4用來提供驅(qū)動(dòng)電流，由于導(dǎo)通的時(shí)候，Q3和Q4相對(duì)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(duì)gate電壓進(jìn)行采樣，采樣后的電壓通過Q5對(duì)Q1和Q2的基極產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)烈的負(fù)反饋，從而把gate電壓限制在一個(gè)有限的數(shù)值。這個(gè)數(shù)值可以通過R5和R6來調(diào)節(jié)。
最后，R1提供了對(duì)Q3和Q4的基極電流限制，R4提供了對(duì)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。
這個(gè)電路提供了如下的特性：
1，用低端電壓和PWM驅(qū)動(dòng)高端MOS管。
2，用小幅度的PWM信號(hào)驅(qū)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，通過使用合適的電阻，可以達(dá)到很低的功耗。
6，PWM信號(hào)反相。NMOS并不需要這個(gè)特性，可以通過前置一個(gè)反相器來解決。
在設(shè)計(jì)便攜式設(shè)備和無線產(chǎn)品時(shí)，提高產(chǎn)品性能、延長(zhǎng)電池工作時(shí)間是設(shè)計(jì)人員需要面對(duì)的兩個(gè)問題。DC-DC轉(zhuǎn)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(shè)備供電。目前DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展主要趨勢(shì)有：
（1）高頻化技術(shù)：隨著開關(guān)頻率的提高，開關(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(yīng)得到改善。小功率DC-DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率將上升到兆赫級(jí)。
（2）低輸出電壓技術(shù)：隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)的不斷發(fā)展，微處理器和便攜式電子設(shè)備的工作電壓越來越低，這就要求未來的DC-DC變換器能夠提供低輸出電壓以適應(yīng)微處理器和便攜式電子設(shè)備的要求。
這些技術(shù)的發(fā)展對(duì)電源芯片電路的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。首先，隨著開關(guān)頻率的不斷提高，對(duì)于開關(guān)元件的性能提出了很高的要求，同時(shí)必須具有相應(yīng)的開關(guān)元件 驅(qū)動(dòng)電路以保證開關(guān)元件在高達(dá)兆赫級(jí)的開關(guān)頻率下正常工作。其次，對(duì)于電池供電的便攜式電子設(shè)備來說，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(dǎo)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管作為功率開關(guān)。但是由于MOS管的寄生電容大，一般情況下NMOS開關(guān)管的柵極電容高達(dá)幾十皮法。這對(duì)于設(shè)計(jì)高工作頻率DC－DC轉(zhuǎn)換器開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。
在低電壓ULSI設(shè)計(jì)中有多種CMOS、BiCMOS采用自舉升壓結(jié)構(gòu)的邏輯電路和作為大容性負(fù)載的驅(qū)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(fù)載電容1～2pF的條件下工作頻率能夠達(dá)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(shè)計(jì)了一種具有大負(fù)載電容驅(qū)動(dòng)能力的， 適合于低電壓、高開關(guān)頻率升壓型DC－DC轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)電路。電路基于Samsung AHP615 BiCMOS工藝設(shè)計(jì)并經(jīng)過Hspice仿真驗(yàn)證，在供電電壓1.5V ，負(fù)載電容為60pF時(shí)，工作頻率能夠達(dá)到5MHz以上。
MOS管驅(qū)動(dòng)電阻怎么選擇,給定頻率,MOS管的Qg和上升沿怎么計(jì)算用多大電阻首先得知道輸入電容大小和驅(qū)動(dòng)電壓大小,等效為電阻和電容串聯(lián)電路,求出電容充電電壓表達(dá)式,得出電阻和電容電壓關(guān)系圖MOS管的開關(guān)時(shí)間要考慮的是Qg的,而不是有Ciss,Coss決定,看下面的Data.一個(gè)MOS可能有很大的輸入電容,但是并不代表其導(dǎo)通需要的電荷量Qg就大,Ciss(輸入電容)和Qg是有一定的關(guān)系,但是還要考慮MOS的跨導(dǎo)y.
1 、概述
MOS管的驅(qū)動(dòng)對(duì)其工作效果起著決定性的作用。設(shè)計(jì)師既要考慮減少開關(guān)損耗，又要求驅(qū)動(dòng)波形較好即振蕩小、過沖小、EMI小。這兩方面往往是互相矛盾的，需要尋求一個(gè)平衡點(diǎn)，即驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)。驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)包含兩部分內(nèi)容：一是最優(yōu)的驅(qū)動(dòng)電流、電壓的波形；二是最優(yōu)的驅(qū)動(dòng)電壓、電流的大小。在進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電路優(yōu)化設(shè)計(jì)之前，必須先清楚MOS管的模型、MOS管的開關(guān)過程、MOS管的柵極電荷以及MOS管的輸入輸出電容、跨接電容、等效電容等參數(shù)對(duì)驅(qū)動(dòng)的影響。
MOS管的等效電路模型及寄生參數(shù)如圖1所示。圖1中各部分的物理意義為：
（1）LG和LG代表封裝端到實(shí)際的柵極線路的電感和電阻。
（2）C1代表從柵極到源端N+間的電容，它的值是由結(jié)構(gòu)所固定的。
（3）C2+C4代表從柵極到源極P區(qū)間的電容。C2是電介質(zhì)電容，共值是固定的。而C4是由源極到漏極的耗盡區(qū)的大小決定，并隨柵極電壓的大小而改變。當(dāng)柵極電壓從0升到開啟電壓UGS（th）時(shí)，C4使整個(gè)柵源電容增加10%～15%。
（4）C3+C5是由一個(gè)固定大小的電介質(zhì)電容和一個(gè)可變電容構(gòu)成，當(dāng)漏極電壓改變極性時(shí)，其可變電容值變得相當(dāng)大。
（5）C6是隨漏極電壓變換的漏源電容。
MOS管輸入電容（Ciss）、跨接電容（Crss）、輸出電容（Coss）和柵源電容、柵漏電容、漏源電容間的關(guān)系如下：
開關(guān)管的開關(guān)模式電路如圖2所示，二極管可是外接的或MOS管固有的。開關(guān)管在開通時(shí)的二極管電壓、電流波形如圖3所示。在圖3的階段1開關(guān)管關(guān)斷，開關(guān)電流為零，此時(shí)二極管電流和電感電流相等；在階段2開關(guān)導(dǎo)通，開關(guān)電流上升，同時(shí)二極管電流下降。開關(guān)電流上升的斜率和二極管電流下降的斜率的絕對(duì)值相同，符號(hào)相反；在階段3開關(guān)電流繼續(xù)上升，二極管電流繼續(xù)下降，并且二極管電流符號(hào)改變，由正轉(zhuǎn)到負(fù)；在階段4，二極管從負(fù)的反向最大電流IRRM開始減小，它們斜率的絕對(duì)值相等；在階段5開關(guān)管完全開通，二極管的反向恢復(fù)完成，開關(guān)管電流等于電感電流。
圖4是存儲(chǔ)電荷高或低的兩種二極管電流、電壓波形。從圖中可以看出存儲(chǔ)電荷少時(shí)，反向電壓的斜率大，并且會(huì)產(chǎn)生有害的振動(dòng)。而前置電流低則存儲(chǔ)電荷少，即在空載或輕載時(shí)是最壞條件。所以進(jìn)行優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)著重考慮前置電流低的情況，即空載或輕載的情況，應(yīng)使這時(shí)二極管產(chǎn)生的振動(dòng)在可接受范圍內(nèi)。
柵極電荷QG是使柵極電壓從0升到10V所需的柵極電荷，它可以表示為驅(qū)動(dòng)電流值與開通時(shí)間之積或柵極電容值與柵極電壓之積?，F(xiàn)在大部分MOS管的柵極電荷QG值從幾十納庫侖到一、兩百納庫侖。
柵極電荷QG包含了兩個(gè)部分：柵極到源極電荷QGS；柵極到漏極電荷QGD—即“Miller”電荷。QGS是使柵極電壓從0升到門限值（約3V）所需電荷；QGD是漏極電壓下降時(shí)克服“Miller”效應(yīng)所需電荷，這存在于UGS曲線比較平坦的第二段（如圖5所示），此時(shí)柵極電壓不變、柵極電荷積聚而漏極電壓急聚下降，也就是在這時(shí)候需要驅(qū)動(dòng)尖峰電流限制，這由芯睡內(nèi)部完成或外接電阻完成。實(shí)際的QG還可以略大，以減小等效RON，但是太大也無益，所以10V到12V的驅(qū)動(dòng)電壓是比較合理的。這還包含一個(gè)重要的事實(shí)：需要一個(gè)高的尖峰電流以減小MOS管損耗和轉(zhuǎn)換時(shí)間。
重要是的對(duì)于IC來說，MOS管的平均電容負(fù)荷并不是MOS管的輸入電容Ciss,而是等效輸入電容Ceff(Ceff=QG/UGS)，即整個(gè)0
漏極電流在QG波形的QGD階段出現(xiàn)，該段漏極電壓依然很高，MOS管的損耗該段最大，并隨UDS的減小而減小。QGD的大部分用來減小UDS從關(guān)斷電壓到UGS(th)產(chǎn)生的“Miller”效應(yīng)。QG波形第三段的等效負(fù)載電容是：
在大多數(shù)的開關(guān)功率應(yīng)用電路中，當(dāng)柵極被驅(qū)動(dòng)，開關(guān)導(dǎo)通時(shí)漏極電流上升的速度是漏極電壓下降速度的幾倍，這將造成功率損耗增加。為了解決問題可以增加?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)電流，但增加?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)上升斜率又將帶來過沖、振蕩、EMI等問題。優(yōu)化柵極驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，正是在互相矛盾的要求中尋求一個(gè)平衡點(diǎn)，而這個(gè)平衡點(diǎn)就是開關(guān)導(dǎo)通時(shí)漏極電流上升的速度和漏極電壓下降速度相等這樣一種波形，理想的驅(qū)動(dòng)波形如圖6所示。
圖6的UGS波形包括了這樣幾部分：UGS第一段是快速上升到門限電壓；UGS第二段是比較緩的上升速度以減慢漏極電流的上升速度，但此時(shí)的UGS也必須滿足所需的漏極電流值；UGS第四段快速上升使漏極電壓快速下降；UGS第五段是充電到最后的值。當(dāng)然，要得到完全一樣的驅(qū)動(dòng)波形是很困難的，但是可以得到一個(gè)大概的驅(qū)動(dòng)電流波形，其上升時(shí)間等于理想的漏極電壓下降時(shí)間或漏極電流上升的時(shí)間，并且具有足夠的尖峰值來充電開關(guān)期間的較大等效電容。該柵極尖峰電流IP的計(jì)算是：電荷必須完全滿足開關(guān)時(shí)期的寄生電容所需。
6 應(yīng)用實(shí)例
在筆者設(shè)計(jì)的48V50A電路中采用雙晶體管正激式變換電路，其開關(guān)管采用IXFH24N50，其參數(shù)為：
根據(jù)如前所述，驅(qū)動(dòng)電壓、電流的理想波形不應(yīng)該是一條直線，而應(yīng)該是如圖6所示的波形。實(shí)驗(yàn)波形見圖7。
7、結(jié)論
本文詳細(xì)介紹了MOS管的電路模型、開關(guān)過程、輸入輸出電容、等效電容、電荷存儲(chǔ)等對(duì)MOS管驅(qū)動(dòng)波形的影響，及根據(jù)這些參數(shù)對(duì)驅(qū)動(dòng)波形的影響進(jìn)行的驅(qū)動(dòng)波形的優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例，取得了較好的實(shí)際效果。
影響MOSFET開關(guān)速度除了其本身固有Tr,Tf外,還有一個(gè)重要的參數(shù):Qg (柵極總靜電荷容量).該參數(shù)與柵極驅(qū)動(dòng)電路的輸出內(nèi)阻共同構(gòu)成了一個(gè)時(shí)間參數(shù),影響著MOSFET的性能(你主板的MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)電路就集成在IRU3055這塊PWM控制芯片內(nèi)); r6 @0 k" S/ l3 }4 u, r/ W廠家給出的Tr,Tf值,是在柵極驅(qū)動(dòng)內(nèi)阻小到可以忽略的情況下測(cè)出的,實(shí)際應(yīng)用中就不一樣了,特別是柵極驅(qū)動(dòng)集成在PWM芯片中的電路,從PWM到MOSFET柵極的布線的寬度,長(zhǎng)度,都會(huì)深刻影響MOSFET的性能.如果PWM的輸出內(nèi)阻本來就不低,加上MOS管的Qg又大,那么不論其Tr,Tf如何優(yōu)秀,都可能會(huì)大大增加上升和下降的時(shí)間
偶認(rèn)為,BUCK同步變換器中,高側(cè)MOS管的Qg比RDS等其他參數(shù)更重要,另外,柵極驅(qū)動(dòng)內(nèi)阻與Qg的配合也很重要,一定 程度上就是由它的充電時(shí)間決定高側(cè)MOSFET的開關(guān)速度和損耗..
看從哪個(gè)角度出發(fā)。電荷瀉放慢，說明時(shí)間常數(shù)大。時(shí)間常數(shù)是Ciss與Rgs的乘積。柵源極絕緣電阻大，說明制造工藝控制較好，材料、芯片和管殼封裝的表面雜質(zhì)少，漏電少。時(shí)間常數(shù)大，柵源極等效輸入電容也大。柵源極等效輸入電容，與管芯尺寸成正比并與管芯設(shè)計(jì)有關(guān)。通常，管芯尺寸大，Ron(導(dǎo)通電阻)小、跨導(dǎo)（增益）大。柵源極等效電容大，會(huì)增加開關(guān)時(shí)間、降低開關(guān)性能、降低工作速度、增加功率損耗。Ciss與電荷注入率成正比，可能還與外加電壓有關(guān)并具有非線性等。以上，均是在相同條件下的對(duì)比。從應(yīng)用角度出發(fā)，同等價(jià)格，多數(shù)設(shè)計(jì)希望選用3個(gè)等效電容（包括Ciss）小的器件。Ciss=Cgd+Cgs，充放電時(shí)間上也有先后，先是Cgs充滿，然后是Cgd.。
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