详细解读MOS管驱动电路

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MOS管是金属(metal)—氧化物(oxide)—半导体(semiconductor)场效应晶体管,或者称是金属—绝缘体(insulator)—半导体。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管的导通电阻、最大电压、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。下面是对MOS及MOS驱动电路基础的一点总结,包括MOS管的介绍、特性、驱动以及应用电路。

 

  • MOS管的介绍

1、MOSFET管FET的一种(另一种是JEFT),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,所以通常提到的NMOS,或者PMOS就是指这两种。右图是这两种MOS管的符号。

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2、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。

3、MOS管的三个管教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。

4、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。

 

二、MOS管导通特性

1、导通的意思是作为开关,相当于开关闭合。

2、NMOS的特性,Vgs大于一定的值就会导通,适用于源极接地的情况(低端驱动),只要栅极电压达到4V或10V就可以了。

3、PMOS的特性,Vgs小于一定的值就会导通,适用于源极接Vcc的情况(高端驱动)。但是,虽然PMOS可以很方便的用作高端驱动,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,通常还是用NMOS。

 

三、MOS开关管损失

1、导通损耗指功率管从截止到导通时,所产生的功率损耗。不管是NMOS还是PMOS,导通后都有导通电阻存在,这样点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伏左右。

2、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管的损失时电压和电流的乘积,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。

3、导通瞬间电压和电流的乘积很大,造成的损失也很大。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、软开关技术,该电路是在全桥逆变电路中加入电容和二极管。二极管在开关管导通时起钳位作用, 并构成泻放回路, 泻放电流。电容在反激电压作用下, 电容被充电, 电压不能突然增加, 当电压比较大的时侯, 电流已经为0。这样可以使开关损耗很小。

 

四、MOS管驱动

1、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

2、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管驱动时要注意的是可提供瞬间短路电流的大小。

3、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管导通时源极电压和漏极电压(Vcc)相同,所以这是栅极电压要比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。

4、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,但在12V汽车电子系统里,一般4V导通就够用了。

 

五、MOS管应用电路

MOS管最显著的特性是开关特性好,所以被广泛应用于需要电子开关的电路中,常见的如开关电源和马达驱动电路,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只有0.7V左右的压降,导致实际最终加载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、在模块电源中,常用的是电源IC直接驱动MOS管。使用中,应该注意最大驱动峰值电流、MOS管的寄生电容两个参数。这里,电源IC的驱动能力、MOS寄生电容大小、驱动电阻阻值都将影响MOS管开关速度。如果选择MOS管寄生电容比较大,电源IC内部的驱动能力又不足时,需要在驱动电路上增强驱动能力,常使用图腾柱电路增加电源IC驱动能力。目前,各种各样的MOS管驱动电路并没有一种驱动电路是最好的,需要用户根据具体应用,结合MOS管厂商提供的用户手册,不断对电路及参数进行优化,才能打磨出最合适自己应用的驱动方案来。

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MOS管是金属(metal)—氧化物(oxide)—半导体(semiconductor)场效应晶体管,或者称是金属—绝缘体(insulator)—半导体。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管的导通电阻、最大电压、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。下面是我对MOS及MOS驱动电路基础的一点总结,包括MOS管的介绍、特性、驱动以及应用电路。