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        1. 全面解析MOS管特性、驅動和應用電路

          發布日期:2017年08月10日    瀏覽次數:3566

            在使用MOS管設計開關電源或者馬達驅動電路的時候,大部分人都會考慮MOS管的導通電阻、最大電壓、最大電流等,也有很多人僅僅考慮這些因素。這樣的電路也許是可以工作的,但并不是優秀的,作為正式的產品設計也是不允許的。

            下面是我對MOS及MOS驅動電路基礎的一點總結,其中參考了一些資料,并非原創。包括MOS管的介紹、特性、驅動以及應用電路。

            MOSFET管FET的一種(另一種是JEFT),可以被制造成增強型或耗盡型,P溝道或N溝道共4種類型,但實際應用的只有增強型的N溝道MOS管和增強型的P溝道MOS管,所以通常提到的NMOS,或者PMOS就是指這兩種。

            至于為什么不適用號耗盡型的MOS管,不建議刨根問底。

            對于這兩種增強型MOS管,比較常用的是NMOS。原因是導通電阻小,且容易制造。所以開關電源和馬達驅動的應用中,一般都用NMOS,下面的介紹中,也多以NMOS為主。

            MOS管的三個管教之間有寄生電容存在,這不是我們需要的,而是由于制造工藝限制產生的,寄生電容的存在使得在設計或選擇驅動電路的時候要麻煩一些,但沒有辦法避免,后邊再詳細介紹。

            在MOS管原理圖上可以看到漏極和源極之間有一個寄生二極管,這個叫體二極管,在驅動感性負載(如馬達),這個二極管很重要。順便說一句,體二極管只在單個的MOS管中存在,在集成電路芯片內部通常是沒有的。

            MOS管導通特性

            導通的意思是作為開關,相當于開關閉合。

            NMOS的特性,Vgs大于一定的值就會導通,適用于源極接地的情況(低端驅動),只要柵極電壓達到4V或10V就可以了。

            PMOS的特性,Vgs小于一定的值就會導通,適用于源極接Vcc的情況(高端驅動)。但是,雖然PMOS可以很方便的用作高端驅動,但由于導通電阻大,價格貴,替換種類少等原因,在高端驅動中,通常還是用NMOS。

            MOS開關管損失

            不管是NMOS還是PMOS,導通后都有導通電阻存在,這樣點電流就會在這個電阻上消耗能量,這部分消耗的能量叫做導通損耗。選擇導通電阻小的MOS管會減小導通損耗,現在的小功率MOS管導通電阻一般在幾十毫伏左右,幾豪歐的也有。

            MOS在導通和截止的時候,一定不是在瞬間完成的。MOS兩端的電壓有一個下降的過程,流過的電流有一個上升的過程,在這段時間內,MOS管的損失時電壓和電流的乘積,叫做開關損失。通常開關損失比導通損失大得多,而且開關頻率越快,損失也越大。

            導通瞬間電壓和電流的乘積很大,造成的損失也很大??s短開關時間,可以減小每次導通時的損失,降低開關頻率,可以減小單位時間內的開關次數。這兩種辦法都可以減小開關損失。

            MOS管驅動

            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管的結構中可以看到,在GS、GD之間存在寄生電容,而MOS管的驅動,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/設計MOS管驅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,普遍用于高端驅動的NMOS,導通時需要是柵極電壓大于源極電壓。而高端驅動的MOS管導通時源極電壓和漏極電壓(Vcc)相同,所以這是柵極電壓要比Vcc大4V或10V。如果在同一個系統里,要得到比Vcc大的電壓,就要專門的升壓電路了。很多馬達驅動器都集成了電荷泵,要注意的是應該選擇合適的外接電容,以得到足夠的短路電流去驅動MOS管。

            上邊說的4V或10V是常用的MOS管的導通電壓,設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在也有導通電壓更小的MOS管用在不同的領域,但在12V汽車電子系統里,一般4V導通就夠用了。

            MOS管的驅動電路及其損失,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管應用電路

            MOS管最顯著的特性是開關特性好,所以被廣泛應用于需要電子開關的電路中,常見的如開關電源和馬達驅動電路,也有照明調光。

            現在的MOS驅動,有幾個特別的需求:

            1. 低壓應用

            當使用5V電源,這時候如果使用傳統的圖騰柱結構,由于三極管的be只有0.7V左右的壓降,導致實際最終加載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。同樣的問題也發生在使用3V或者其他低壓電源的場合。

            2. 寬電壓應用

            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管的驅動電壓是不穩定的。

            為了讓MOS管在高gate電壓下安全,很多MOS管內置了穩壓管強行限制gate電壓的幅值。在這種情況下,當提供的驅動電壓超過穩壓管的電壓,就會引起較大的靜態功耗。

            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。

            3. 雙電壓應用

            在一些控制電路中,邏輯部分使用典型的5V或3.3V數字電壓,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,讓低壓側能夠有效的控制高壓側的MOS管,同時高壓側的MOS管也同樣會面對1和2提到的問題。

            在這三種情況下,圖騰柱結構無法滿足輸出需求,而很多現成的MOS驅動IC,似乎也沒有包含gate電壓限制的結構。


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