mos管驅(qū)動(dòng)電路總結(jié)

ID:781717 · 發(fā)表于 2020-6-23 11:24

MOS管驅(qū)動(dòng)電路總結(jié)
在使用MOS管設(shè)計(jì)開關(guān)電源或者馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電路的時(shí)候，大部分人都會(huì)考慮MOS的導(dǎo)通電阻，最
大電壓等，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(yōu)秀的，作為正式的產(chǎn)品設(shè)計(jì)也是不允許的。
下面是我對(duì)MOSFET及MOSFET驅(qū)動(dòng)電路基礎(chǔ)的一點(diǎn)總結(jié)，其中參考了一些資料，非全部原
創(chuàng)。包括MOS管的介紹，特性，驅(qū)動(dòng)以及應(yīng)用電路。
1，MOS管種類和結(jié)構(gòu)
MOSFET管是FET的一種（另一種是JFET），可以被制造成增強(qiáng)型或耗盡型，P溝道或N溝道共
4 種類型，但實(shí)際應(yīng)用的只有增強(qiáng)型的N溝道MOS管和增強(qiáng)型的P溝道MOS管，所以通常提到
NMOS，或者PMOS指的就是這兩種。
至于為什么不使用耗盡型的MOS管，不建議刨根問底。
對(duì)于這兩種增強(qiáng)型MOS管，比較常用的是NMOS。原因是導(dǎo)通電阻小，且容易制造。所以開
關(guān)電源和馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用中，一般都用NMOS。下面的介紹中，也多以NMOS為主。
MOS管的三個(gè)管腳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(chǎn)生的。
寄生電容的存在使得在設(shè)計(jì)或選擇驅(qū)動(dòng)電路的時(shí)候要麻煩一些，但沒有辦法避免，后邊再詳細(xì)介
紹。
在MOS管原理圖上可以看到，漏極和源極之間有一個(gè)寄生二極管。這個(gè)叫體二極管，在驅(qū)動(dòng)
感性負(fù)載（如馬達(dá)），這個(gè)二極管很重要。順便說一句，體二極管只在單個(gè)的MOS管中存在，在
集成電路芯片內(nèi)部通常是沒有的。
2，MOS管導(dǎo)通特性
導(dǎo)通的意思是作為開關(guān)，相當(dāng)于開關(guān)閉合。
NMOS的特性，Vgs大于一定的值就會(huì)導(dǎo)通，適合用于源極接地時(shí)的情況（低端驅(qū)動(dòng)），只要
柵極電壓達(dá)到 4V或 10V就可以了。
PMOS的特性，Vgs小于一定的值就會(huì)導(dǎo)通，適合用于源極接VCC時(shí)的情況（高端驅(qū)動(dòng)）。但
是，雖然PMOS可以很方便地用作高端驅(qū)動(dòng)，但由于導(dǎo)通電阻大，價(jià)格貴，替換種類少等原因，
在高端驅(qū)動(dòng)中，通常還是使用NMOS。
3，MOS開關(guān)管損失
不管是NMOS還是PMOS，導(dǎo)通后都有導(dǎo)通電阻存在，這樣電流就會(huì)在這個(gè)電阻上消耗能量，
這部分消耗的能量叫做導(dǎo)通損耗。選擇導(dǎo)通電阻小的MOS管會(huì)減小導(dǎo)通損耗�，F(xiàn)在的小功率
MOS管導(dǎo)通電阻一般在幾十毫歐左右，幾毫歐的也有。
MOS在導(dǎo)通和截止的時(shí)候，一定不是在瞬間完成的。MOS兩端的電壓有一個(gè)下降的過程，流
過的電流有一個(gè)上升的過程，在這段時(shí)間內(nèi)，MOS管的損失是電壓和電流的乘積，叫做開關(guān)損
失。通常開關(guān)損失比導(dǎo)通損失大得多，而且開關(guān)頻率越快，損失也越大。
導(dǎo)通瞬間電壓和電流的乘積很大，造成的損失也就很大�？s短開關(guān)時(shí)間，可以減小每次導(dǎo)通時(shí)
的損失；降低開關(guān)頻率，可以減小單位時(shí)間內(nèi)的開關(guān)次數(shù)。這兩種辦法都可以減小開關(guān)損失。
4，MOS管驅(qū)動(dòng)
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�，F(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。
5，MOS管應(yīng)用電路
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。
這三種應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域都有詳細(xì)的介紹，這里暫時(shí)不多寫了。以后有時(shí)間再總結(jié)
問題提出：
現(xiàn)在的MOS驅(qū)動(dòng)，有幾個(gè)特別的需求，
1，低壓應(yīng)用
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合。
2，寬電壓應(yīng)用
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。
3，雙電壓應(yīng)用
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)。
于是我設(shè)計(jì)了一個(gè)相對(duì)通用的電路來滿足這三種需求。
電路圖如下：圖 1 用于NMOS的驅(qū)動(dòng)電路
圖 2 用于PMOS的驅(qū)動(dòng)電路
這里我只針對(duì)NMOS驅(qū)動(dòng)電路做一個(gè)簡單分析：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。
一種低電壓高頻率采用自舉電路的BiCMOS驅(qū)動(dòng)電路
西安電子科技大學(xué) CAD所潘華兵來新泉賈立剛
引言
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。自舉升壓電路
自舉升壓電路的原理圖如圖 1 所示。所謂的自舉升壓原理就是，在輸入端IN輸入一個(gè)方波信號(hào)，
利用電容Cboot將A點(diǎn)電壓抬升至高于VDD的電平，這樣就可以在B端輸出一個(gè)與輸入信號(hào)反相，
且高電平高于VDD的方波信號(hào)。具體工作原理如下。
當(dāng)VIN為高電平時(shí)，NMOS管N1 導(dǎo)通，PMOS管P1 截止，C點(diǎn)電位為低電平。同時(shí)N2 導(dǎo)通，
P2 的柵極電位為低電平，則P2 導(dǎo)通。這就使得此時(shí)A點(diǎn)電位約為VDD，電容Cboot兩端電壓
UC≈VDD。由于N3 導(dǎo)通，P4 截止，所以B點(diǎn)的電位為低電平。這段時(shí)間稱為預(yù)充電周期。
當(dāng)VIN變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，NMOS管N1 截止，PMOS管P1 導(dǎo)通，C點(diǎn)電位為高電平，約為VDD。同
時(shí)N2、N3 截止，P3 導(dǎo)通。這使得P2 的柵極電位升高，P2 截止。此時(shí)A點(diǎn)電位等于C點(diǎn)電位加
上電容Cboot兩端電壓，約為 2VDD。而且P4 導(dǎo)通，因此B點(diǎn)輸出高電平，且高于VDD。這段
時(shí)間稱為自舉升壓周期。

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