MOS管驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)與電路布線設(shè)計(jì)—KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2020-09-25
MOS管驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，一般認(rèn)為MOSFET是電壓驅(qū)動(dòng)的，不需要驅(qū)動(dòng)電流。然而，在MOS的G S兩級(jí)之間有結(jié)電容存在，這個(gè)電容會(huì)讓驅(qū)動(dòng)MOS變的不那么簡(jiǎn)單。
MOS管驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，如果不考慮紋波和EMI等要求的話，MOS管開(kāi)關(guān)速度越快越好，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)時(shí)間越短，開(kāi)關(guān)損耗越小，而在開(kāi)關(guān)電源中開(kāi)關(guān)損耗占總損耗的很大一部分，因此MOS管驅(qū)動(dòng)電路的好壞直接決定了電源的效率。對(duì)于一個(gè)MOS管，如果把GS之間的電壓從0拉到管子的開(kāi)啟電壓所用的時(shí)間越短，那么MOS管開(kāi)啟的速度就會(huì)越快。與此類似，如果把MOS管的GS電壓從開(kāi)啟電壓降到0V的時(shí)間越短，那么MOS管關(guān)斷的速度也就越快。
由此我們可以知道，如果想在更短的時(shí)間內(nèi)把GS電壓拉高或者拉低，就要給MOS管柵極更大的瞬間驅(qū)動(dòng)電流。大家常用的PWM芯片輸出直接驅(qū)動(dòng)MOS或者用三極管放大后再驅(qū)動(dòng)MOS的方法，其實(shí)在瞬間驅(qū)動(dòng)電流這塊是有很大缺陷的。比較好的方法是使用專用的MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片如TC4420來(lái)驅(qū)動(dòng)MOS管，這類的芯片一般有很大的瞬間輸出電流，而且還兼容TTL電平輸入，MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
因?yàn)轵?qū)動(dòng)線路走線會(huì)有寄生電感，而寄生電感和MOS管的結(jié)電容會(huì)組成一個(gè)LC振蕩電路，如果直接把驅(qū)動(dòng)芯片的輸出端接到MOS管柵極的話，在PWM波的上升下降沿會(huì)產(chǎn)生很大的震蕩，導(dǎo)致MOS管急劇發(fā)熱甚至爆炸，一般的解決方法是在柵極串聯(lián)10歐左右的電阻，降低LC振蕩電路的Q值，使震蕩迅速衰減掉。因?yàn)镸OS管柵極高輸入阻抗的特性，一點(diǎn)點(diǎn)靜電或者干擾都可能導(dǎo)致MOS管誤導(dǎo)通，所以建議在MOS管G S之間并聯(lián)一個(gè)10K的電阻以降低輸入阻抗。
如果擔(dān)心附近功率線路上的干擾耦合過(guò)來(lái)產(chǎn)生瞬間高壓擊穿MOS管的話，可以在GS之間再并聯(lián)一個(gè)18V左右的TVS瞬態(tài)抑制二極管，TVS可以認(rèn)為是一個(gè)反應(yīng)速度很快的穩(wěn)壓管，其瞬間可以承受的功率高達(dá)幾百至上千瓦，可以用來(lái)吸收瞬間的干擾脈沖。
MOS管驅(qū)動(dòng)電路參考
MOS管驅(qū)動(dòng)線路的環(huán)路面積要盡可能小，否則可能會(huì)引入外來(lái)的電磁干擾。驅(qū)動(dòng)芯片的旁路電容要盡量靠近驅(qū)動(dòng)芯片的VCC和GND引腳，否則走線的電感會(huì)很大程度上影響芯片的瞬間輸出電流。
(1)開(kāi)關(guān)管開(kāi)通瞬時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)能提供足夠大的充電電流使MOSFET柵源極間電壓迅速上升到所需值，保證開(kāi)關(guān)管能快速開(kāi)通且不存在上升沿的高頻振蕩。
(2)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通期間驅(qū)動(dòng)電路能保證MOSFET柵源極間電壓保持穩(wěn)定且可靠導(dǎo)通。
(3)關(guān)斷瞬間驅(qū)動(dòng)電路能提供一個(gè)盡可能低阻抗的通路供MOSFET柵源極間電容電壓的快速泄放，保證開(kāi)關(guān)管能快速關(guān)斷。
(4)驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、損耗小。
(5)根據(jù)情況施加隔離。
1、電源IC直接驅(qū)動(dòng)MOSFET
MOS管驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，電源IC直接驅(qū)動(dòng)是我們最常用的驅(qū)動(dòng)方式，同時(shí)也是最簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)方式，使用這種驅(qū)動(dòng)方式，應(yīng)該注意幾個(gè)參數(shù)以及這些參數(shù)的影響。第一，查看一下電源IC手冊(cè)，其最大驅(qū)動(dòng)峰值電流，因?yàn)椴煌酒?，?qū)動(dòng)能力很多時(shí)候是不一樣的。第二，了解一下MOSFET的寄生電容，如圖 1中C1、C2的值。如果C1、C2的值比較大，MOS管導(dǎo)通的需要的能量就比較大，如果電源IC沒(méi)有比較大的驅(qū)動(dòng)峰值電流，那么管子導(dǎo)通的速度就比較慢。如果驅(qū)動(dòng)能力不足，上升沿可能出現(xiàn)高頻振蕩，即使把圖 1中Rg減小，也不能解決問(wèn)題! IC驅(qū)動(dòng)能力、MOS寄生電容大小、MOS管開(kāi)關(guān)速度等因素，都影響驅(qū)動(dòng)電阻阻值的選擇，所以Rg并不能無(wú)限減小。
2、電源IC驅(qū)動(dòng)能力不足時(shí)
如果選擇MOS管寄生電容比較大，電源IC內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)能力又不足時(shí)，需要在驅(qū)動(dòng)電路上增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力，常使用圖騰柱電路增加電源IC驅(qū)動(dòng)能力，其電路圖 2虛線框所示。
這種驅(qū)動(dòng)電路作用在于，提升電流提供能力，迅速完成對(duì)于柵極輸入電容電荷的充電過(guò)程。這種拓?fù)湓黾恿藢?dǎo)通所需要的時(shí)間，但是減少了關(guān)斷時(shí)間，開(kāi)關(guān)管能快速開(kāi)通且避免上升沿的高頻振蕩。
3、驅(qū)動(dòng)電路加速M(fèi)OS管關(guān)斷時(shí)間
關(guān)斷瞬間驅(qū)動(dòng)電路能提供一個(gè)盡可能低阻抗的通路供MOSFET柵源極間電容電壓快速泄放，保證開(kāi)關(guān)管能快速關(guān)斷。為使柵源極間電容電壓的快速泄放，常在驅(qū)動(dòng)電阻上并聯(lián)一個(gè)電阻和一個(gè)二極管，如圖 3所示，其中D1常用的是快恢復(fù)二極管。這使關(guān)斷時(shí)間減小，同時(shí)減小關(guān)斷時(shí)的損耗。Rg2是防止關(guān)斷的時(shí)電流過(guò)大，把電源IC給燒掉。
在第二點(diǎn)介紹的圖騰柱電路也有加快關(guān)斷作用。當(dāng)電源IC的驅(qū)動(dòng)能力足夠時(shí)，對(duì)圖 2中電路改進(jìn)可以加速M(fèi)OS管關(guān)斷時(shí)間，得到如圖 4所示電路。用三極管來(lái)泄放柵源極間電容電壓是比較常見(jiàn)的。如果Q1的發(fā)射極沒(méi)有電阻，當(dāng)PNP三極管導(dǎo)通時(shí)，柵源極間電容短接，達(dá)到最短時(shí)間內(nèi)把電荷放完，最大限度減小關(guān)斷時(shí)的交叉損耗。與圖 3拓?fù)湎啾容^，還有一個(gè)好處，就是柵源極間電容上的電荷泄放時(shí)電流不經(jīng)過(guò)電源IC，提高了可靠性。
4、驅(qū)動(dòng)電路加速M(fèi)OS管關(guān)斷時(shí)間
為了滿足如圖 5所示高端MOS管的驅(qū)動(dòng)，經(jīng)常會(huì)采用變壓器驅(qū)動(dòng)，有時(shí)為了滿足安全隔離也使用變壓器驅(qū)動(dòng)。其中R1目的是抑制PCB板上寄生的電感與C1形成LC振蕩，C1的目的是隔開(kāi)直流，通過(guò)交流，同時(shí)也能防止磁芯飽和。
5、當(dāng)源極輸出為高電壓時(shí)的驅(qū)動(dòng)
當(dāng)源極輸出為高電壓的情況時(shí)，我們需要采用偏置電路達(dá)到電路工作的目的，既我們以源極為參考點(diǎn)，搭建偏置電路，驅(qū)動(dòng)電壓在兩個(gè)電壓之間波動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電壓偏差由低電壓提供，如下圖6所示。
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