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  • MOSFET與MOSFET驅(qū)動電路詳解
    • 發(fā)布時間:2021-03-24 14:08:57
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    MOSFET與MOSFET驅(qū)動電路詳解
    在使用MOS管設(shè)計開關(guān)電源或者馬達驅(qū)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MOSFET及MOSFET驅(qū)動電路基礎(chǔ)的一點總結(jié),其中參考了一些資料,非全部原創(chuàng)。包括MOS管的介紹,特性,驅(qū)動以及應(yīng)用電路。
    MOS管種類和結(jié)構(gòu)
    MOSFET管是FET的一種(另一種是JFET),可以被制造成增強型或耗盡型,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。下圖是這兩種MOS管的符號。
    MOSFET驅(qū)動電路
    至于為什么不使用耗盡型的MOS管,不建議刨根問底。
    對于這兩種增強型MOS管,比較常用的是NMOS。原因是導通電阻小且容易制造。所以開關(guān)電源和馬達驅(qū)動的應(yīng)用中,一般都用NMOS。下面的介紹中,也多以NMOS為主。
    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)動感性負載(如馬達),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。下圖是MOS管的構(gòu)造圖,通常的原理圖中都畫成右圖所示的樣子。 (柵極保護用二極管有時不畫)
    MOSFET驅(qū)動電路
    MOS管的三個管腳之間有寄生電容存在,如下圖所示。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。
    MOSFET驅(qū)動電路
    MOS管導通特性
    導通的意思是作為開關(guān),相當于開關(guān)閉合。
    NMOS的特性,Vgs大于一定的值就會導通,適合用于源極接地時的情況(低端驅(qū)動),只要柵極電壓達到4V或10V就可以了。
    PMOS的特性,Vgs小于一定的值就會導通,使用與源極接VCC時的情況(高端驅(qū)動)。但是,雖然PMOS可以很方便地用作高端驅(qū)動,但由于導通電阻大,價格貴,替換種類少等原因,在高端驅(qū)動中,通常還是使用NMOS。
    下圖是瑞薩2SK3418的Vgs電壓和Vds電壓的關(guān)系圖。可以看出小電流時,Vgs達到4V,DS間壓降已經(jīng)很小,可以認為導通。
    MOSFET驅(qū)動電路
    MOS開關(guān)管損失
    不管是NMOS還是PMOS,導通后都有導通電阻存在,因而在DS間流過電流的同時,兩端還會有電壓(如2SK3418特性圖所示),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?,F(xiàn)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管的損失是電壓和電流的乘積,叫做開關(guān)損失。通常開關(guān)損失比導通損失大得多,而且開關(guān)頻率越快,損失也越大。
    下圖是MOS管導通時的波形??梢钥闯?,導通瞬間電壓和電流的乘積很大,造成的損失也就很大。降低開關(guān)時間,可以減小每次導通時的損失;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。
    MOSFET驅(qū)動電路
    MOS管驅(qū)動
    跟雙極性晶體管相比,一般認為使MOS管導通不需要電流,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(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管的導通電壓,設(shè)計時當然需要有一定的余量。而且電壓越高,導通速度越快,導通電阻也越小?,F(xiàn)在也有導通電壓更小的MOS管用在不同的領(lǐng)域里,但在12V汽車電子系統(tǒng)里,一般4V導通就夠用了。
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