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電源PWM與控制芯片的驅(qū)動(dòng)能力介紹
  • 發(fā)布時(shí)間:2022-10-24 17:03:27
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電源PWM與控制芯片的驅(qū)動(dòng)能力介紹
MOSFET應(yīng)用于不同的開關(guān)電源以及電力電子系統(tǒng),除了部分的應(yīng)用使用專門的驅(qū)動(dòng)芯片、光耦驅(qū)動(dòng)器或變壓器驅(qū)動(dòng)器,大量的應(yīng)用通常使用PWM IC或其它控制芯片直接驅(qū)動(dòng)。控制芯片的驅(qū)動(dòng)能力直接影響功率MOSFET的開關(guān)特性,開關(guān)損耗以及工作的可靠性。
1、控制芯片內(nèi)部Totem圖騰柱驅(qū)動(dòng)器
在PWM控制芯片及其它電源控制器的內(nèi)部,集成了用于驅(qū)動(dòng)功率MOSFET的Totem圖騰柱驅(qū)動(dòng)器,最簡(jiǎn)單的圖騰柱驅(qū)動(dòng)器如圖1所示,由一個(gè)NPN三極管和一個(gè)PNP三極管對(duì)管組成,有時(shí)候也會(huì)用一個(gè)N溝道MOSFET的一個(gè)P溝道MOSFET對(duì)管組成,工作原理相同。
PWM 控制芯片 驅(qū)動(dòng)
(a) 圖騰柱驅(qū)動(dòng)器
PWM 控制芯片 驅(qū)動(dòng)
(b) 圖騰柱的等效電路
圖1: 圖騰柱驅(qū)動(dòng)器及等效電路
圖1(a)的圖騰柱驅(qū)動(dòng)器,當(dāng)輸入信號(hào)為高電平時(shí)上管導(dǎo)通,其輸出為高電平,上管通過電源提供輸出電流,通常稱為Source電流(源電流),由于上管導(dǎo)通時(shí)有導(dǎo)通壓降,在一定的電流下對(duì)應(yīng)著一定的電阻,因此這個(gè)電阻通常稱為上拉電阻Rup。
當(dāng)圖騰柱驅(qū)動(dòng)器的輸入信號(hào)為低電平時(shí)下管導(dǎo)通,將MOSFET的G極(柵極)拉到低電位,此時(shí)下管灌入電流,通常稱為Sink電流(灌電流),下管導(dǎo)通時(shí)有導(dǎo)通壓降,在一定的電流下對(duì)應(yīng)著一定的電阻,因此這個(gè)電阻通常稱為下拉電阻Rdown。
等效的簡(jiǎn)化電路如圖1(b)所示,包括一個(gè)上拉電阻Rup和一個(gè)下拉電阻Rdown。在實(shí)際的應(yīng)用中,不同的控制芯片內(nèi)部圖騰柱驅(qū)動(dòng)器可能采用不同的形式,如圖2所示。UC3842采用二個(gè)NPN三極管組成,L6561采用一個(gè)NPN三極管和一個(gè)N溝道的MOSFET組成。
PWM 控制芯片 驅(qū)動(dòng)
(a) UC3842圖騰柱驅(qū)動(dòng)器
PWM 控制芯片 驅(qū)動(dòng)
(b) L6561圖騰柱驅(qū)動(dòng)器
圖2:控制芯片圖騰柱驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)
理解控制的驅(qū)動(dòng)能力
雖然許多驅(qū)動(dòng)器給出了一定的容性負(fù)載條件下的上升、下降延時(shí)時(shí)間,在實(shí)際的應(yīng)用中,MOSFET具有內(nèi)部的柵極電阻或外部串聯(lián)柵極電阻,同時(shí)MSOFET在開關(guān)過程中不完全是一個(gè)理想的電容,會(huì)經(jīng)過米勒平臺(tái)區(qū)域,因此,實(shí)際的延時(shí)時(shí)間將會(huì)產(chǎn)生非常大的差異,數(shù)據(jù)表中的延時(shí)值只具有相當(dāng)有限的參考意義。
功率MOSFET在開關(guān)過程中,在米勒平臺(tái)線性區(qū),由于VGS保持不變,相當(dāng)于使用恒流源進(jìn)行驅(qū)動(dòng),其它的時(shí)間段,使用恒壓源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。VGS電壓變化時(shí),和時(shí)間成指數(shù)關(guān)系改變。
在VGS電壓和時(shí)間成指數(shù)關(guān)系變化的時(shí)間段,控制芯片驅(qū)動(dòng)器的電流并不是恒流源,那么對(duì)應(yīng)的上拉、下拉電阻也隨著電流的變化而變化,上拉、下拉電阻不固定,就不容易計(jì)算相應(yīng)的時(shí)間以及相應(yīng)的開關(guān)損耗。
很多文獻(xiàn)使用數(shù)據(jù)表中推薦的上拉、下拉電阻的典型值來計(jì)算開關(guān)損耗,從上面的分析過程可以知道:不同的芯片、不同的公司,所用的測(cè)試條件并不相同,使用數(shù)據(jù)表中推薦的上拉、下拉電阻的典型值,并不滿足實(shí)際應(yīng)用的條件。
建議根據(jù)實(shí)際應(yīng)用過程中米勒平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)電流值,選擇或計(jì)算出相應(yīng)的上拉、下拉電阻值作為計(jì)算開關(guān)損耗的基準(zhǔn),使用典型值。因?yàn)樵陂_關(guān)過程中米勒平臺(tái)的時(shí)間占主導(dǎo),使用這個(gè)基準(zhǔn)所產(chǎn)生的誤差并不大。
然后再用比例系數(shù)校核在最大的上拉、下拉電阻值時(shí)最大的開關(guān)損耗,這樣就可以知道開關(guān)損耗波動(dòng)的范圍,從而保證系統(tǒng)的效率和MOSFET的溫升在設(shè)計(jì)要求的規(guī)范內(nèi)。
許多公司新一代的芯片有時(shí)候并沒有標(biāo)出上述驅(qū)動(dòng)器的參數(shù),這是因?yàn)橄啾扔谏弦淮瑸榱私档统杀?,必須降低器件的硅片的面積。在PWM及電源控制器中,相關(guān)的數(shù)字邏輯、基準(zhǔn)運(yùn)放所占的硅片的面積為必須功能,流過它們的電流也比較小,因此減小硅片面積的空間不大。
內(nèi)部的圖騰驅(qū)動(dòng)器由于流過較大電流,要占用較大的硅片面積,這一部分對(duì)芯片的功能影響不明顯,因此降低成本最直接的方法就是減小內(nèi)部圖騰驅(qū)動(dòng)器的硅片面積,也就是降低驅(qū)動(dòng)能力,這樣導(dǎo)致上拉、下拉的電阻增加,相應(yīng)的壓降也會(huì)增加。
因此對(duì)于沒有標(biāo)出內(nèi)部驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)參數(shù)的芯片,使用時(shí)要根據(jù)外面驅(qū)動(dòng)的功率MOSFET的特性校核開關(guān)過程,要特別小心,必要的時(shí)候,使用對(duì)管組成外部的圖騰驅(qū)動(dòng)器,以增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)的能力。
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