1.MOS管驱动电路综述
在使用MOS管设计开关电源或电机驱动电路时,大多数人会考虑MOS的导电阻、最大电压、最大电流等,而很多人只考虑这些因素。这种电路可能工作,但不是很好,不允许作为正式的产品设计。
1、MOS管的类型和结构
MOSFET管是FET的一种(另一种是JFET),可以**成为增强型或耗尽型。有四种类型的P通道或N通道,但实际应用只有增强型N通道MOS管和增强型P通道MOS管,所以通常提到NMOS,或者PMOS指的是这两种。
至于为什么不使用耗尽的MOS管,不建议刨根问底。
NMOS常用于这两种增强型MOS管。原因是导电阻小,容易**。因此,NMOS通常用于开关电源和电机驱动的应用。在下面的介绍中,NMOS主要是NMOS。
寄生电容器存在于MOS管的三个管脚之间,这不是我们需要的,而是由**工艺限制造成的。寄生电容器的存在使得在设计或选择驱动电路时更加麻烦,但没有办法避免。稍后再详细介绍。
从MOS管原理图可以看出,泄漏极和源极之间有一个寄生二极管。这被称为体式二极管,它在驱动感性负载(如电机)时非常重要。顺便说一句,体式二极管只存在于单个MOS管中,通常不存在于集成电路芯片中。
2、MOS管的导通特性
导通的意思是作为一个开关,相当于开关闭合。
对于NMOS的特性,如果VGS大于一定值,它将被导通。只要栅极电压达到4V或10V,就适用于源极接地时的情况(低端驱动)。
PMOS的特点是,当Vgs小于一定值时,将导通,适用于源极连接VCC(高端驱动)。然而,虽然PMOS可以很容易地用作高端驱动,但NMOS通常用于高端驱动,因为导通电阻大,价格昂贵,替代品种少。
3、MOS开关管损失
无论是NMOS还是PMOS,导电后都有导电阻,这样电流就会在这个电阻上消耗能量,这部分消耗的能量称为导电损耗。选择导电阻小的MOS管会减少导电损耗。目前小功率MOS管的导电阻一般在几十毫欧左右,也有几毫欧。
MOS不能在导通和截止日期的瞬间完成。MOS两端的电压有一个下降的过程,流动的电流有一个上升的过程。在此期间,MOS管的损失是电压和电流的乘积,称为开关损失。通常,开关损失远大于导通损失,开关频率越快,损失越大。
导通瞬时电压和电流的乘积很大,造成很大的损失。缩短开关时间可以减少每次导通时的损失;降低开关频率可以减少单位时间内的开关次数。这两种方法都可以减少开关损失。
4、MOS管驱动
与双极晶体管相比,只要GS电压高于一定值,一般认为MOS管导通不需要电流。这很容易做到,但我们仍然需要速度。
从MOS管的结构可以看出,GS和GD之间存在寄生电容器,而MOS管的驱动实际上是对电容器的充放电。电容器的充电需要一个电流,因为电容器可以在瞬间被视为短路,因此瞬时电流将相对较大。在选择/设计MOS管驱动器时,首先要注意的是可以提供瞬时短路电流的大小。
第二,一般用于高端驱动的NMOS,导通时需要大于源极电压的栅极电压。而且高端驱动的MOS管导通时源极电压和漏极电压(VCC)因此,此时栅极电压比VCC大4V或10V。如果在同一个系统中获得比VCC更大的电压,则需要一个特殊的升压电路。许多电机驱动器都集成了电荷泵,应注意选择合适的外部电容器,以获得足够的短路电流来驱动MOS管。
上面提到的4V或10V是常用的MOS管的导电压,当然需要有一定的设计余量。电压越高,导电速度越快,导电阻越小。在不同的领域也有导电压较小的MOS管,但在12V汽车电子系统中,一般的4V导电就足够了。
5、MOS管应用电路
MOS管最显著的特点是开关特性好,因此广泛应用于需要电子开关的电路中,如开关电源和电机驱动,以及照明和调光。
目前的MOS驱动程序,有几个特殊的应用程序
1、低压应用
当使用5V电源时,如果使用传统的图腾柱结构,由于三极管的be压降约为0.7V,gate上的实际电压只有4.3V。此时,标称gate电压4.5V的MOS管存在一定的风险。
在使用3V或其他低压电源时也会出现同样的问题。
2、宽电压应用
输入电压不是固定值,会随时间或其他因素而变化。这种变化导致PWM电路提供给MOS管的驱动电压不稳定。
为了使MOS管在高gate电压下安全,许多MOS管内置稳压管,强制限制gate电压的振幅。在这种情况下,当驱动电压超过稳压管的电压时,会造成更大的静态功耗。
同时,如果采用电阻分压原理简单降低gate电压,输入电压相对较高,MOS管工作良好,输入电压降低gate电压不足,导致导通不足,增加功耗。
3、双电压应用
在某些控制电路中,逻辑部分使用典型的5V或3.3V数字电压,而功率部分使用12V或更高的电压。这两个电压通过共同位置连接。
这就要求使用电路,使低压侧能够有效控制高压侧的MOS管,高压侧的MOS管也会面临1和2中提到的问题。
在这三种情况下,图腾柱结构不能满足输出要求,许多现成的MOS驱动IC似乎不包括gate电压限制。