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MOSFET及MOSFET驅動電路設計與原理分析

[日期:2011-12-16] 來源:  作者:pcb_dz [字體: ]

 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的導通電阻,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,但并不是優秀的,作為正式的產品設計也是不允許的。
 


  下面是我對MOSFET及MOSFET驅動電路基礎的一點總結,其中參考了一些資料,非全部原創。包括MOS管的介紹,特性,驅動以及應用電路。
1、MOS管種類和結構
  MOSFET管是FET的一種(另一種是JFET),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NMOS,或者PMOS指的就是這兩種。右圖是這兩種MOS管的符號。
MOSFET及MOSFET驅動電路總結 
  至于為什么不使用耗盡型的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。
  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。下圖是MOS管的構造圖,通常的原理圖中都畫成右圖所示的樣子。  (柵極保護用二極管有時不畫)
MOSFET及MOSFET驅動電路總結 
  MOS管的三個管腳之間有寄生電容存在,如右圖所示。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,在MOS管的驅動電路設計時再詳細介紹。
MOSFET及MOSFET驅動電路總結 
2、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,適合用于源極接地時的情況(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,使用與源極接VCC時的情況(高端驅動)。但是,雖然PMOS可以很方便地用作高端驅動,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,通常還是使用NMOS。
  右圖是瑞薩2SK3418的Vgs電壓和Vds電壓的關系圖??梢钥闯鲂‰娏鲿r,Vgs達到4V,DS間壓降已經很小,可以認為導通。
MOSFET及MOSFET驅動電路總結 
3、MOS開關管損失
  不管是NMOS還是PMOS,導通后都有導通電阻存在,因而在DS間流過電流的同時,兩端還會有電壓(如2SK3418特性圖所示),這樣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?,F在的小功率MOS管導通電阻一般在幾十毫歐左右,幾毫歐的也有。
  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管的損失是電壓和電流的乘積,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。
  下圖是MOS管導通時的波形??梢钥闯?,導通瞬間電壓和電流的乘積很大,造成的損失也就很大。降低開關時間,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。
MOSFET及MOSFET驅動電路總結 
4、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管用在不同的領域里,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。
5、MOS管應用電路
  MOS管最顯著的特性是開關特性好,所以被廣泛應用在需要電子開關的電路中,常見的如開關電源和馬達驅動,也有照明調光。這三種應用在各個領域都有詳細的介紹,這里暫時不多寫了。以后有時間再總結。

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