模块电源中常用的MOSFET驱动电路-KIA MOS管

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管的导通电阻、最大电压、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。


下面是我对MOS及MOS驱动电路基础的一点总结，其中参考了一些资料，并非原创。包括MOS管的介绍、特性、驱动以及应用电路。


MOSFET管FET的一种(另一种是JEFT)，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，所以通常提到的NMOS，或PMOS就是指这两种。


至于为什么不适用号耗尽型的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管的三个管教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。

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，适用于源极接地的情况(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，适用于源极接Vcc的情况(高端驱动)。但是，虽然PMOS可以很方便的用作高端驱动，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，通常还是用NMOS。


MOS开关管损失
不管是NMOS还是PMOS，导通后都有导通电阻存在，这样点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伏左右，几豪欧的也有。
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管的损失时电压和电流的乘积，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。


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管导通时源极电压和漏极电压(Vcc)相同，所以这是栅极电压要比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，但在12V汽车电子系统里，一般4V导通就够用了。


MOS管应用电路
MOS管最显著的特性是开关特性好，所以被广泛应用于需要电子开关的电路中，常见的如开关电源和马达驱动电路，也有照明调光。


现在的MOS驱动，有几个特别的需求：
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只有0.7V左右的压降，导致实际最终加载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提到的问题。


在这三种情况下，图腾柱结构无法满足输出需求，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。

下面介绍几个模块电源中常用的MOSFET驱动电路。
一、电源IC直接驱动MOSFET

图1 IC直接驱动MOSFET

电源IC直接驱动是我们最常用的驱动方式，同时也是最简单的驱动方式，使用这种驱动方式，应该注意几个参数以及这些参数的影响。第一，查看一下电源IC手册，其最大驱动峰值电流，因为不同芯片，驱动能力很多时候是不一样的。第二，了解一下MOSFET的寄生电容，如图1中C1、C2的值。如果C1、C2的值比较大，MOS管导通的需要的能量就比较大，如果电源IC没有比较大的驱动峰值电流，那么管子导通的速度就比较慢。如果驱动能力不足，上升沿可能出现高频振荡，即使把图1中Rg减小，也不能解决问题！IC驱动能力、MOS寄生电容大小、MOS管开关速度等因素，都影响驱动电阻阻值的选择，所以Rg并不能无限减小。

二、电源IC驱动能力不足时

如果选择MOS管寄生电容比较大，电源IC内部的驱动能力又不足时，需要在驱动电路上增强驱动能力，常使用图腾柱电路增加电源IC驱动能力，其电路如图 2虚线框所示。

图2 图腾柱驱动MOS

这种驱动电路作用在于，提升电流提供能力，迅速完成对于栅极输入电容电荷的充电过程。这种拓扑增加了导通所需要的时间，但是减少了关断时间，开关管能快速开通且避免上升沿的高频振荡。

三、驱动电路加速MOS管关断时间

图3 加速MOS关断

关断瞬间驱动电路能提供一个尽可能低阻抗的通路供MOSFET栅源极间电容电压快速泄放，保证开关管能快速关断。为使栅源极间电容电压的快速泄放，常在驱动电阻上并联一个电阻和一个二极管，如图3所示，其中D1常用的是快恢复二极管。这使关断时间减小，同时减小关断时的损耗。Rg2是防止关断的时电流过大，把电源IC给烧掉。

图4 改进型加速MOS关断

在第二点介绍的图腾柱电路也有加快关断作用。当电源IC的驱动能力足够时，对图2中电路改进可以加速MOS管关断时间，得到如图4所示电路。用三极管来泄放栅源极间电容电压是比较常见的。如果Q1的发射极没有电阻，当PNP三极管导通时，栅源极间电容短接，达到最短时间内把电荷放完，最大限度减小关断时的交叉损耗。与图3拓扑相比较，还有一个好处，就是栅源极间电容上的电荷泄放时电流不经过电源IC，提高了可靠性。

四、驱动电路加速MOS管关断时间

图5 隔离驱动

为了满足如图5所示高端MOS管的驱动，经常会采用变压器驱动，有时为了满足安全隔离也使用变压器驱动。其中R1目的是抑制PCB板上寄生的电感与C1形成LC振荡，C1的目的是隔开直流，通过交流，同时也能防止磁芯饱和。

小结：
除了以上驱动电路之外，还有很多其它形式的驱动电路。对于各种各样的驱动电路并没有一种驱动电路是最好的，只有结合具体应用，选择最合适的驱动。在设计电源时，有上述几个角度出发考虑如何设计MOS管的驱动电路，如果选用成品电源，不管是模块电源、普通开关电源、电源适配器等，这部分的工作一般都由电源设计厂家完成。

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