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在使用MOS管設(shè)計開關(guān)電源或者馬達(dá)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(qiáng)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(qiáng)型的N溝道MOS管和增強(qiáng)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(qiáng)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(dá)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(xì)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(fù)載(如馬達(dá))，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(dāng)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(dá)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。縮短開關(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(rèn)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(dá)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(dāng)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。現(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管的驅(qū)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(xì)，所以不打算多寫了。 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(dá)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(dāng)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(biāo)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。 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(qiáng)行限制gate電壓的幅值。在這種情況下，當(dāng)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。 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)。 |
