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的導通電阻,最大電壓等,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mosfet及mosfet驅動電路基礎的一點總結,其中參考了一些資料,非全部原創.包括mos管的介紹,特性,驅動以及應用電路.
1,mos管種類和結構
mosfet管是fet的一種(另一種是jfet),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nmos,或者pmos指的就是這兩種.
至於為什麼不使用耗盡型的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管的三個管腳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.
2,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,適合用於源極接地時的情況(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,適合用於源極接vcc時的情況(高階驅動).但是,雖然pmos可以很方便地用作高階驅動,但由於導通電阻大,**貴,替換種類少等原因,在高階驅動中,通常還是使用nmos.
3,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歐左右,幾毫歐的也有.
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管的損失是電壓和電流的乘積,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,造成的損失也就很大.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.
4,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,因為對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管導通時源極電壓與漏極電壓(vcc)相同,所以這時柵極電壓要比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管用在不同的領域裡,但在12v汽車電子系統裡,一般4v導通就夠用了.
5,mos管應用電路
mos管最顯著的特性是開關特性好,所以被廣泛應用在需要電子開關的電路中,常見的如開關電源和馬達驅動,也有照明調光.
現在的mos驅動,有幾個特別的需求,
a,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有0.7v左右的壓降,導致實際最終加在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.
b,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.
c,雙電壓應用
在一些控制電路中,邏輯部分使用典型的5v或者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中提到的問題.
在這三種情況下,圖騰柱結構無法滿足輸出要求,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:
圖1 用於nmos的驅動電路
MOS管驅動電路總結
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