MOS管驱动电路,看这里就啥都懂了! |
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一、MOS管驱动电路综述 在使用MOS管设计开关电源或者马达驱动电路的时候,大部分人都会考虑MOS的导通电阻,最大电压等,最大电流等,也有很多人仅仅考虑这些因素。这样的电路也许是可以工作的,但并不是优秀的,作为正式的产品设计也是不允许的。1、MOS管种类和结构 MOSFET管是FET的一种(另一种是JFET),可以被制造成增强型或耗尽型,P沟道或N沟道共4种类型,但实际应用的只有增强型的N沟道MOS管和增强型的P沟道MOS管,所以通常提到NMOS,或者PMOS指的就是这两种。 至于为什么不使用耗尽型的MOS管,不建议刨根问底。 对于这两种增强型MOS管,比较常用的是NMOS。原因是导通电阻小,且容易制造。所以开关电源和马达驱动的应用中,一般都用NMOS。下面的介绍中,也多以NMOS为主。 MOS管的三个管脚之间有寄生电容存在,这不是我们需要的,而是由于制造工艺限制产生的。寄生电容的存在使得在设计或选择驱动电路的时候要麻烦一些,但没有办法避免,后边再详细介绍。 在MOS管原理图上可以看到,漏极和源极之间有一个寄生二极管。这个叫体二极管,在驱动感性负载(如马达),这个二极管很重要。顺便说一句,体二极管只在单个的MOS管中存在,在集成电路芯片内部通常是没有的。2、MOS管导通特性 导通的意思是作为开关,相当于开关闭合。 NMOS的特性,Vgs大于一定的值就会导通,适合用于源极接地时的情况(低端驱动),只要栅极电压达到4V或10V就可以了。 PMOS的特性,Vgs小于一定的值就会导通,适合用于源极接VCC时的情况(高端驱动)。但是,虽然PMOS可以很方便地用作高端驱动,但由于导通电阻大,价格贵,替换种类少等原因,在高端驱动中,通常还是使用NMOS。3、MOS开关管损失 不管是NMOS还是PMOS,导通后都有导通电阻存在,这样电流就会在这个电阻上消耗能量,这部分消耗的能量叫做导通损耗。选择导通电阻小的MOS管会减小导通损耗。现在的小功率MOS管导通电阻一般在几十毫欧左右,几毫欧的也有。 MOS在导通和截止的时候,一定不是在瞬间完成的。MOS两端的电压有一个下降的过程,流过的电流有一个上升的过程,在这段时间内,MOS管的损失是电压和电流的乘积,叫做开关损失。通常开关损失比导通损失大得多,而且开关频率越快,损失也越大。 导通瞬间电压和电流的乘积很大,造成的损失也就很大。缩短开关时间,可以减小每次导通时的损失;降低开关频率,可以减小单位时间内的开关次数。这两种办法都可以减小开关损失。4、MOS管驱动 跟双极性晶体管相比,一般认为使MOS管导通不需要电流,只要GS电压高于一定的值,就可以了。这个很容易做到,但是,我们还需要速度。 在MOS管的结构中可以看到,在GS,GD之间存在寄生电容,而MOS管的驱动,实际上就是对电容的充放电。对电容的充电需要一个电流,因为对电容充电瞬间可以把电容看成短路,所以瞬间电流会比较大。选择/设计MOS管驱动时第一要注意的是可提供瞬间短路电流的大小。 第二注意的是,普遍用于高端驱动的NMOS,导通时需要是栅极电压大于源极电压。而高端驱动的MOS管导通时源极电压与漏极电压(VCC)相同,所以这时栅极电压要比VCC大4V或10V。如果在同一个系统里,要得到比VCC大的电压,就要专门的升压电路了。很多马达驱动器都集成了电荷泵,要注意的是应该选择合适的外接电容,以得到足够的短路电流去驱动MOS管。 上边说的4V或10V是常用的MOS管的导通电压,设计时当然需要有一定的余量。而且电压越高,导通速度越快,导通电阻也越小。现在也有导通电压更小的MOS管用在不同的领域里,但在12V汽车电子系统里,一般4V导通就够用了。 MOS管的驱动电路及其损失,可以参考Microchip公司的AN799 Matching MOSFET Drivers to MOSFETs。讲述得很详细,所以不打算多写了。5、MOS管应用电路 MOS管最显著的特性是开关特性好,所以被广泛应用在需要电子开关的电路中,常见的如开关电源和马达驱动,也有照明调光。二、现在的MOS驱动,有几个特别的应用1、低压应用 当使用5V电源,这时候如果使用传统的图腾柱结构,由于三极管的be有0.7V左右的压降,导致实际最终加在gate上的电压只有4.3V。这时候,我们选用标称gate电压4.5V的MOS管就存在一定的风险。 同样的问题也发生在使用3V或者其他低压电源的场合。2、宽电压应用 输入电压并不是一个固定值,它会随着时间或者其他因素而变动。这个变动导致PWM电路提供给MOS管的驱动电压是不稳定的。 为了让MOS管在高gate电压下安全,很多MOS管内置了稳压管强行限制gate电压的幅值。在这种情况下,当提供的驱动电压超过稳压管的电压,就会引起较大的静态功耗。 同时,如果简单的用电阻分压的原理降低gate电压,就会出现输入电压比较高的时候,MOS管工作良好,而输入电压降低的时候gate电压不足,引起导通不够彻底,从而增加功耗。3、双电压应用 在一些控制电路中,逻辑部分使用典型的5V或者3.3V数字电压,而功率部分使用12V甚至更高的电压。两个电压采用共地方式连接。 这就提出一个要求,需要使用一个电路,让低压侧能够有效的控制高压侧的MOS管,同时高压侧的MOS管也同样会面对1和2中提到的问题。 在这三种情况下,图腾柱结构无法满足输出要求,而很多现成的MOS驱动IC,似乎也没有包含gate电压限制的结构。三、相对通用的电路 电路图如下:
当VIN变为低电平时,NMOS管N1截止,PMOS管P1导通,C点电位为高电平,约为VDD。同时N2、N3截止,P3导通。这使得P2的栅极电位升高,P2截止。此时A点电位等于C点电位加上电容Cboot两端电压,约为2VDD。而且P4导通,因此B点输出高电平,且高于VDD。这段时间称为自举升压周期。
驱动电路结构
电容Cboot的大小的确定 Cboot的最小值可以按照以下方法确定。在预充电周期内,电容Cboot 上的电荷为VDDCboot 。在A点的寄生电容(计为CA)上的电荷为VDDCA。因此在预充电周期内,A点的总电荷为 Q_{A1}=V_{DD}C_{boot}+V_{DD}C_{A} (1) B点电位为GND,因此在B点的寄生电容Cpar上的电荷为0。 在自举升压周期,为了使OUT端电压达到VDD,B点电位最低为VB=VDD+Vthn。因此在B点的寄生电容Cpar上的电荷为 Q_{B}=(V_{DD}+V_{thn})Cpar (2) 忽略MOS管P4源漏两端压降,此时Cboot上的电荷为VthnCboot ,A点寄生电容CA的电荷为(VDD+Vthn)CA。A点的总电荷为 QA2=V_{thn}C_{BOOT}+(V_{DD}+V_{thn})C_{A} (3) 同时根据电荷守恒又有 Q_{B}=Q_{A}-Q_{A2} (4) 综合式(1)~(4)可得 C_{boot}=frac{V_{DD}+V_{thn}}{v_{DD}-v_{thn}}Cpar+frac{v_{thn}}{v_{DD}-v_{thn}}C_{A}=frac{V_{B}}{v_{DD}-v_{thn}}Cpar+frac{V_{thn}}{v_{DD}-v_{thn}}C_{A} (5) 从式(5)中可以看出,Cboot随输入电压变小而变大,并且随B点电压VB变大而变大。而B点电压直接影响N4的导通电阻,也就影响驱动电路的上升时间。因此在实际设计时,Cboot的取值要大于式(5)的计算结果,这样可以提高B点电压,降低N4导通电阻,减小驱动电路的上升时间。 P2、P4的尺寸问题 将公式(5)重新整理后得: V_{B}=({V_{DD}-V_{thn})frac{C_{boot}}{Cpar}-V_{thn}frac{C_{A}}{Cpar} (6) 从式(6)中可以看出在自举升压周期内, A、B两点的寄生电容使得B点电位降低。在实际设计时为了得到合适的B点电位,除了增加Cboot大小外,要尽量减小A、B两点的寄生电容。 在设计时,预充电PMOS管P2的尺寸尽可能的取小,以减小寄生电容CA。而对于B点的寄生电容Cpar来说,主要是上拉驱动管N4的栅极寄生电容,MOS管P4、N3的源漏极寄生电容只占一小部分。我们在前面的分析中忽略了P4的源漏电压,因此设计时就要尽量的加大P4的宽长比,使其在自举升压周期内的源漏电压很小可以忽略。但是P4的尺寸以不能太大,要保证P4的源极寄生电容远远小于上拉驱动管N4的栅极寄生电容。阱电位问题 如图3所示,PMOS器件P2、P3、P4的N-well连接到了自举升压节点A上。这样做的目的是,在自举升压周期内,防止他们的源/漏--阱结导通。而且这还可以防止在源/漏--阱正偏时产生由寄生SRC引起的闩锁现象。 上拉驱动管N4的阱偏置电位要接到它的源极,最好不要直接接地。这样做的目的是消除衬底偏置效应对N4的影响。Hspice仿真验证结果 驱动电路基于Samsung AHP615 BiCMOS工艺设计并经过Hspice仿真验证。在表1中给出了电路在不同工作电压、不同负载条件下的上升时间tr和下降时间tf 的仿真结果。在图5中给了电路工作在输入电压1.5V、工作频率为5MHz、负载电容60pF条件下的输出波形。 结合表1和图5可以看出,此驱动电路能够在工作电压为1.5V,工作频率为5MHz,并且负载电容高达60pF的条件下正常工作。它可以应用于低电压、高工作频率的DC-DC转换器中作为开关管的驱动电路。 |
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