詳細講解MOS管驅動電路

2021-05-23 19:52:22 字數 2581 閱讀 4868

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管的導通電阻、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,但並不是優秀的,作為正式的產品設計也是不允許的。

下面是我對mos及mos驅動電路基礎的一點總結,其中參考了一些資料,並非原創。包括mos管的介紹、特性、驅動以及應用電路。

mosfet管fet的一種(另一種是jeft),可以被製造成增強型或耗盡型,p溝道或n溝道共4種型別,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,所以通常提到的nmos,或者pmos就是指這兩種。

至於為什麼不適用號耗盡型的mos管,不建議刨根問底。

對於這兩種增強型mos管,比較常用的是nmos。原因是導通電阻小,且容易製造。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。

mos管的三個管教之間有寄生電容存在,這不是我們需要的,而是由於製造工藝限制產生的,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,後邊再詳細介紹。

在mos管原理圖上可以看到漏極和源極之間有乙個寄生二極體,這個叫體二極體,在驅動感性負載(如馬達),這個二極體很重要。順便說一句,體二極體只在單個的mos管中存在,在積體電路晶元內部通常是沒有的。

mos管導通特性

導通的意思是作為開關,相當於開關閉合。

nmos的特性,vgs大於一定的值就會導通,適用於源極接地的情況(低端驅動),只要柵極電壓達到4v或10v就可以了。

pmos的特性,vgs小於一定的值就會導通,適用於源極接vcc的情況(高階驅動)。但是,雖然pmos可以很方便的用作高階驅動,但由於導通電阻大,**貴,替換種類少等原因,在高階驅動中,通常還是用nmos。

mos開關管損失

不管是nmos還是pmos,導通後都有導通電阻存在,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通損耗。選擇導通電阻小的mos管會減小導通損耗,現在的小功率mos管導通電阻一般在幾十毫伏左右,幾豪歐的也有。

mos在導通和截止的時候,一定不是在瞬間完成的。mos兩端的電壓有乙個下降的過程,流過的電流有乙個上公升的過程,在這段時間內,mos管的損失時電壓和電流的乘積,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。

導通瞬間電壓和電流的乘積很大,造成的損失也很大。縮短開關時間,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。

mos管驅動

跟雙極性電晶體相比,一般認為使mos管導通不需要電流,只要gs電壓高於一定的值,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。對電容的充電需要乙個電流,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,普遍用於高階驅動的nmos,導通時需要是柵極電壓大於源極電壓。而高階驅動的mos管導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。如果在同乙個系統裡,要得到比vcc大的電壓,就要專門的公升壓電路了。很多馬達驅動器都整合了電荷幫浦,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餘量。而且電壓越高,導通速度越快,導通電阻也越小。現在也有導通電壓更小的mos管用在不同的領域,但在12v汽車電子系統裡,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。

mos管應用電路

mos管最顯著的特性是開關特性好,所以被廣泛應用於需要電子開關的電路中,常見的如開關電源和馬達驅動電路,也有照明調光。

現在的mos驅動,有幾個特別的需求:

1. 低壓應用

當使用5v電源,這時候如果使用傳統的圖騰柱結構,由於三極體的be只有0.7v左右的壓降,導致實際最終載入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管就存在一定的風險。同樣的問題也發生在使用3v或者其他低壓電源的場合。

2. 寬電壓應用

輸入電壓並不是乙個固定值,它會隨著時間或者其他因素而變動。這個變動導致pwm電路提供給mos管的驅動電壓是不穩定的。

為了讓mos管在高gate電壓下安全,很多mos管內建了穩壓管強行限制gate電壓的幅值。在這種情況下,當提供的驅動電壓超過穩壓管的電壓,就會引起較大的靜態功耗。

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,引起導通不夠徹底,從而增加功耗。

3. 雙電壓應用

在一些控制電路中,邏輯部分使用典型的5v或3.3v數字電壓,而功率部分使用12v甚至更高的電壓。兩個電壓採用共地方式連線。

這就提出乙個要求,需要使用乙個電路,讓低壓側能夠有效的控制高壓側的mos管,同時高壓側的mos管也同樣會面對1和2提到的問題。

在這三種情況下,圖騰柱結構無法滿足輸出需求,而很多現成的mos驅動ic,似乎也沒有包含gate電壓限制的結構。

於是我設計了乙個相對通用的電路來滿足這三種需求

電路圖如下

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