深解mos管驅(qū)動電路設(shè)計及mos管驅(qū)動電阻如何選擇-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，實際上就是對電容的充放電。對電容的充電需要一個電流，因為對電容充電瞬間可以把電容看成短路，所以瞬間電流會比較大。選擇/設(shè)計MOS管驅(qū)動時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)動的NMOS，導通時需要是柵極電壓大于源極電壓。而高端驅(qū)動的MOS管導通時源極電壓與漏極電壓（VCC）相同，所以這時 柵極電壓要比VCC大4V或10V。如果在同一個系統(tǒng)里，要得到比VCC大的電壓，就要專門的升壓電路了。很多馬達驅(qū)動器都集成了電荷泵，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MOS管。
上邊說的4V或10V是常用的MOS管的導通電壓，設(shè)計時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(xiàn)在也有導通電壓更小的MOS管用在不同的領(lǐng)域里，但在12V汽車電子系統(tǒng)里，一般4V導通就夠用了。
MOS管的驅(qū)動電路及其損失，可以參考Microchip公司的AN799 Matching MOSFET Drivers to MOSFETs。講述得很詳細，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)電源和馬達驅(qū)動，也有照明調(diào)光。
當使用5V電源，這時候如果使用傳統(tǒng)的圖騰柱結(jié)構(gòu)，由于三極管的be有0.7V左右的壓降，導致實際最終加在gate上的電壓只有4.3V。這時候，我們選用標稱gate電壓4.5V的MOS管就存在一定的風險
同樣的問題也發(fā)生在使用3V或者其他低壓電源的場合。
輸入電壓并不是一個固定值，它會隨著時間或者其他因素而變動。這個變動導致PWM電路提供給MOS管的驅(qū)動電壓是不穩(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)壓管強行限制gate電壓的幅值。在這種情況下，當提供的驅(qū)動電壓超過穩(wěn)壓管的電壓，就會引起較大的靜態(tài)功耗。
同時，如果簡單的用電阻分壓的原理降低gate電壓，就會出現(xiàn)輸入電壓比較高的時候，MOS管工作良好，而輸入電壓降低的時候gate電壓不足，引起導通不夠徹底，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。兩個電壓采用共地方式連接。
這就提出一個要求，需要使用一個電路，讓低壓側(cè)能夠有效的控制高壓側(cè)的MOS管，同時高壓側(cè)的MOS管也同樣會面對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NMOS驅(qū)動電路做一個簡單分析：
Vl和Vh分別是低端和高端的電源，兩個電壓可以是相同的，但是Vl不應(yīng)該超過Vh。
Q1和Q2組成了一個反置的圖騰柱，用來實現(xiàn)隔離，同時確保兩只驅(qū)動管Q3和Q4不會同時導通。
R2和R3提供了PWM電壓基準，通過改變這個基準，可以讓電路工作在PWM信號波形比較陡直的位置。
Q3和Q4用來提供驅(qū)動電流，由于導通的時候，Q3和Q4相對Vh和GND最低都只有一個Vce的壓降，這個壓降通常只有0.3V左右，大大低于0.7V的Vce。
R5和R6是反饋電阻，用于對gate電壓進行采樣，采樣后的電壓通過Q5對Q1和Q2的基極產(chǎn)生一個強烈的負反饋，從而把gate電壓限制在一個有限的數(shù)值。這個數(shù)值可以通過R5和R6來調(diào)節(jié)。
最后，R1提供了對Q3和Q4的基極電流限制，R4提供了對MOS管的gate電流限制，也就是Q3和Q4的Ice的限制。必要的時候可以在R4上面并聯(lián)加速電容。
這個電路提供了如下的特性：
1，用低端電壓和PWM驅(qū)動高端MOS管。
2，用小幅度的PWM信號驅(qū)動高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，可以達到很低的功耗。
6，PWM信號反相。NMOS并不需要這個特性，可以通過前置一個反相器來解決。
在設(shè)計便攜式設(shè)備和無線產(chǎn)品時，提高產(chǎn)品性能、延長電池工作時間是設(shè)計人員需要面對的兩個問題。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，非常適用于為便攜式設(shè)備供電。目前DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計技術(shù)發(fā)展主要趨勢有：
（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。
（2）低輸出電壓技術(shù)：隨著半導體制造技術(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)展對電源芯片電路的設(shè)計提出了更高的要求。首先，隨著開關(guān)頻率的不斷提高，對于開關(guān)元件的性能提出了很高的要求，同時必須具有相應(yīng)的開關(guān)元件 驅(qū)動電路以保證開關(guān)元件在高達兆赫級的開關(guān)頻率下正常工作。其次，對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)管的柵極電容高達幾十皮法。這對于設(shè)計高工作頻率DC－DC轉(zhuǎn)換器開關(guān)管驅(qū)動電路的設(shè)計提出了更高的要求。
在低電壓ULSI設(shè)計中有多種CMOS、BiCMOS采用自舉升壓結(jié)構(gòu)的邏輯電路和作為大容性負載的驅(qū)動電路。這些電路能夠在低于1V電壓供電條件下正常 工作，并且能夠在負載電容1～2pF的條件下工作頻率能夠達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)計了一種具有大負載電容驅(qū)動能力的， 適合于低電壓、高開關(guān)頻率升壓型DC－DC轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動電路。電路基于Samsung AHP615 BiCMOS工藝設(shè)計并經(jīng)過Hspice仿真驗證，在供電電壓1.5V ，負載電容為60pF時，工作頻率能夠達到5MHz以上。
MOS管驅(qū)動電阻怎么選擇,給定頻率,MOS管的Qg和上升沿怎么計算用多大電阻首先得知道輸入電容大小和驅(qū)動電壓大小,等效為電阻和電容串聯(lián)電路,求出電容充電電壓表達式,得出電阻和電容電壓關(guān)系圖MOS管的開關(guān)時間要考慮的是Qg的,而不是有Ciss,Coss決定,看下面的Data.一個MOS可能有很大的輸入電容,但是并不代表其導通需要的電荷量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y.
1 、概述
MOS管的驅(qū)動對其工作效果起著決定性的作用。設(shè)計師既要考慮減少開關(guān)損耗，又要求驅(qū)動波形較好即振蕩小、過沖小、EMI小。這兩方面往往是互相矛盾的，需要尋求一個平衡點，即驅(qū)動電路的優(yōu)化設(shè)計。驅(qū)動電路的優(yōu)化設(shè)計包含兩部分內(nèi)容：一是最優(yōu)的驅(qū)動電流、電壓的波形；二是最優(yōu)的驅(qū)動電壓、電流的大小。在進行驅(qū)動電路優(yōu)化設(shè)計之前，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)對驅(qū)動的影響。
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。當柵極電壓從0升到開啟電壓UGS（th）時，C4使整個柵源電容增加10%～15%。
（4）C3+C5是由一個固定大小的電介質(zhì)電容和一個可變電容構(gòu)成，當漏極電壓改變極性時，其可變電容值變得相當大。
（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，此時二極管電流和電感電流相等；在階段2開關(guān)導通，開關(guān)電流上升，同時二極管電流下降。開關(guān)電流上升的斜率和二極管電流下降的斜率的絕對值相同，符號相反；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改變，由正轉(zhuǎn)到負；在階段4，二極管從負的反向最大電流IRRM開始減小，它們斜率的絕對值相等；在階段5開關(guān)管完全開通，二極管的反向恢復完成，開關(guān)管電流等于電感電流。
圖4是存儲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電荷少時，反向電壓的斜率大，并且會產(chǎn)生有害的振動。而前置電流低則存儲電荷少，即在空載或輕載時是最壞條件。所以進行優(yōu)化驅(qū)動電路設(shè)計時應(yīng)著重考慮前置電流低的情況，即空載或輕載的情況，應(yīng)使這時二極管產(chǎn)生的振動在可接受范圍內(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)動電流值與開通時間之積或柵極電容值與柵極電壓之積。現(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，也就是在這時候需要驅(qū)動尖峰電流限制，這由芯睡內(nèi)部完成或外接電阻完成。實際的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)動電壓是比較合理的。這還包含一個重要的事實：需要一個高的尖峰電流以減小MOS管損耗和轉(zhuǎn)換時間。
重要是的對于IC來說，MOS管的平均電容負荷并不是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載電容是：
在大多數(shù)的開關(guān)功率應(yīng)用電路中，當柵極被驅(qū)動，開關(guān)導通時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柵極驅(qū)動電流，但增加柵極驅(qū)動上升斜率又將帶來過沖、振蕩、EMI等問題。優(yōu)化柵極驅(qū)動設(shè)計，正是在互相矛盾的要求中尋求一個平衡點，而這個平衡點就是開關(guān)導通時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。當然，要得到完全一樣的驅(qū)動波形是很困難的，但是可以得到一個大概的驅(qū)動電流波形，其上升時間等于理想的漏極電壓下降時間或漏極電流上升的時間，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的計算是：電荷必須完全滿足開關(guān)時期的寄生電容所需。
6 應(yīng)用實例
在筆者設(shè)計的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。實驗波形見圖7。
7、結(jié)論
本文詳細介紹了MOS管的電路模型、開關(guān)過程、輸入輸出電容、等效電容、電荷存儲等對MOS管驅(qū)動波形的影響，及根據(jù)這些參數(shù)對驅(qū)動波形的影響進行的驅(qū)動波形的優(yōu)化設(shè)計實例，取得了較好的實際效果。
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)動電路的輸出內(nèi)阻共同構(gòu)成了一個時間參數(shù),影響著MOSFET的性能(你主板的MOSFET的柵極驅(qū)動電路就集成在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)動內(nèi)阻小到可以忽略的情況下測出的,實際應(yīng)用中就不一樣了,特別是柵極驅(qū)動集成在PWM芯片中的電路,從PWM到MOSFET柵極的布線的寬度,長度,都會深刻影響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,都可能會大大增加上升和下降的時間
偶認為,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間決定高側(cè)MOSFET的開關(guān)速度和損耗..
看從哪個角度出發(fā)。電荷瀉放慢，說明時間常數(shù)大。時間常數(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)計有關(guān)。通常，管芯尺寸大，Ron(導通電阻)小、跨導（增益）大。柵源極等效電容大，會增加開關(guān)時間、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比。從應(yīng)用角度出發(fā)，同等價格，多數(shù)設(shè)計希望選用3個等效電容（包括Ciss）小的器件。Ciss=Cgd+Cgs，充放電時間上也有先后，先是Cgs充滿，然后是Cgd.。
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