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  • MOS管驅(qū)動電路-詳解MOS管與MOS管驅(qū)動電路之間的聯(lián)系
    • 發(fā)布時間:2020-09-01 18:24:30
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    MOS管驅(qū)動電路-詳解MOS管與MOS管驅(qū)動電路之間的聯(lián)系
    在使用MOS管設(shè)計開關(guān)電源或者馬達驅(qū)動電路的時候,大部分人都會考慮MOS管的導(dǎo)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(yōu)秀的,作為正式的產(chǎn)品設(shè)計也是不允許的。下面是我對MOS及MOS驅(qū)動電路基礎(chǔ)的一點總結(jié),其中參考了一些資料。包括MOS管的介紹、特性、驅(qū)動以及應(yīng)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(yīng)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(dǎo)通電阻小,且容易制造。所以開關(guān)電源和馬達驅(qū)動的應(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(chǎn)生的,寄生電容的存在使得在設(shè)計或選擇驅(qū)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(qū)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(nèi)部通常是沒有的。
    MOS管導(dǎo)通特性
    導(dǎo)通的意思是作為開關(guān),相當于開關(guān)閉合。
    NMOS的特性,Vgs大于一定的值就會導(dǎo)通,適用于源極接地的情況(低端驅(qū)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(dǎo)通,適用于源極接Vcc的情況(高端驅(qū)動)。但是,雖然PMOS可以很方便的用作高端驅(qū)動,但由于導(dǎo)通電阻大,價格貴,替換種類少等原因,在高端驅(qū)動中,通常還是用NMOS。
    MOS管.MOS管驅(qū)動,MOS管驅(qū)動電路
    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(dǎo)通損耗。選擇導(dǎo)通電阻小的MOS管會減小導(dǎo)通損耗,現(xiàn)在的小功率MOS管導(dǎo)通電阻一般在幾十毫伏左右,幾豪歐的也有。MOS在導(dǎo)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(nèi),MOS管的損失時電壓和電流的乘積,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,造成的損失也很大??s短開關(guān)時間,可以減小每次導(dǎo)通時的損失,降低開關(guān)頻率,可以減小單位時間內(nèi)的開關(guān)次數(shù)。這兩種辦法都可以減小開關(guān)損失。
    MOS管驅(qū)動
    跟雙極性晶體管相比,一般認為使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,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(shè)計MOS管驅(qū)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(qū)動的NMOS,導(dǎo)通時需要是柵極電壓大于源極電壓。而高端驅(qū)動的MOS管導(dǎo)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(tǒng)里,要得到比Vcc大的電壓,就要專門的升壓電路了。很多馬達驅(qū)動器都集成了電荷泵,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MOS管。
    上邊說的4V或10V是常用的MOS管的導(dǎo)通電壓,設(shè)計時當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,但在12V汽車電子系統(tǒng)里,一般4V導(dǎo)通就夠用了。
    MOS管.MOS管驅(qū)動,MOS管驅(qū)動電路
    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)用于需要電子開關(guān)的電路中,常見的如開關(guān)電源和馬達驅(qū)動電路,也有照明調(diào)光。
    現(xiàn)在的MOS驅(qū)動,有幾個特別的需求:
    1.低壓應(yīng)用
    當使用5V電源,這時候如果使用傳統(tǒng)的圖騰柱結(jié)構(gòu),由于三極管的be只有0.7V左右的壓降,導(dǎo)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(fēng)險。同樣的問題也發(fā)生在使用3V或者其他低壓電源的場合。
    MOS管.MOS管驅(qū)動,MOS管驅(qū)動電路
    2.寬電壓應(yīng)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(dǎo)致PWM電路提供給MOS管的驅(qū)動電壓是不穩(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)壓管強行限制gate電壓的幅值。在這種情況下,當提供的驅(qū)動電壓超過穩(wěn)壓管的電壓,就會引起較大的靜態(tài)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(xiàn)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(dǎo)通不夠徹底,從而增加功耗。
    MOS管.MOS管驅(qū)動,MOS管驅(qū)動電路
    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3.3V數(shù)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(cè)能夠有效的控制高壓側(cè)的MOS管,同時高壓側(cè)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(jié)構(gòu)無法滿足輸出需求,而很多現(xiàn)成的MOS驅(qū)動IC,似乎也沒有包含gate電壓限制的結(jié)構(gòu)。
    MOS管.MOS管驅(qū)動,MOS管驅(qū)動電路
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