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在使用MOS管設計開關電源或者電機驅動電路時,大多數人會考慮MOS的內阻、最大電流、最大電壓等,而很多人只考慮那些激勵因素。 這樣的電路實際上可以工作,但它并不優秀,并且作為即將推出的產品設計是不允許的。
1、MOS管類型及結構
該管是FET的一種(另一種是JFET),可以做成改進型或耗盡型,有P溝道或N溝道4種,但實際上只有改進型N溝道MOS管用過的。 以及改進的P溝道MOS晶體管,所以一般提到NMOS,或者PMOS就是指這兩者。
至于為何不使用耗盡的MOS管,不建議深究。
對于這兩種增強型MOS管來說,更常用的是NMOS。 原因是導通內阻小且易于制造。 因此,NMOS通常用于開關電源和電機驅動應用。 下面的介紹中,也是以NMOS為主。
MOS管的三個引腳之間存在寄生電容,這不是我們需要的,而是制造工藝的限制造成的。 寄生電容的存在使得設計或選擇驅動電路時變得比較麻煩,但沒有辦法防止,這將在上面詳細描述。
從MOS管原理圖上可以看出,漏極和源極之間有一個寄生晶閘管。 這稱為大容量晶閘管,這種三極管在驅動感性負載(例如電機)時非常重要。 順便說一句,體晶閘管只存在于單個MOS晶體管中,一般不存在于集成電路芯片中。
2、MOS管導通特性
導通就是起到開關的作用,相當于開關閉合。
NMOS的特性,Vgs小于一定值就會導通,適合源極接地的情況(高端驅動),只要載流子電流達到4V或10V。
PMOS的特性,Vgs大于一定值就會導通,適合源極接VCC的情況(高端驅動)。 而且,雖然PMOS可以很容易地用作高端驅動器,但NMOS由于內阻大、價格高、替代類型少,一般用于低端驅動器。
3、MOS開關管損耗
無論是NMOS還是PMOS,導通后都有一個導通內阻,所以電壓會在這個內阻上消耗能量,這部分消耗的能量稱為導通損耗。 選擇導通內阻小的MOS管,會減少導通損耗。 現在的小功率MOS晶體管,導通內阻通常在幾十毫歐左右,也有幾毫歐的。
MOS的導通和關斷時,一定不能立即完成。 MOS兩端的電流有一個增大的過程,流過的電壓有一個上升的過程。 在此期間,MOS管的損耗是電流和電壓的乘積,稱為開關損耗。 一般情況下,開關損耗遠大于導通損耗,但開關頻率越快,損耗也越大。
導通瞬間的電流和電壓的乘積很大,由此產生的損耗也很大。 縮短切換時間可以減少每次導通時的損耗; 提高開關頻率可以減少單位時間內的開關次數。 這兩種方法都可以減少開關損耗。
4.MOS管驅動
與雙極型晶體管相比,一般認為MOS管導通不需要電壓,只要GS電流低于一定值就可以了。 這很容易做到,而且我們還需要速度。
從MOS管的結構中可以看出,GS和GD之間存在寄生電容,MOS管的驅動實際上就是對電容進行充放電。 給電容充電需要電壓,因為給電容充電的時候可以認為電容漏電,所以電壓立刻就會比較大。 選擇/設計MOS管驅動器時首先要注意的是能夠提供的瞬時漏電壓的大小。
第二個需要注意的是,對于高端驅動器中常用的NMOS,其導通時的基頻電流必須小于源電流。 低端驅動MOS管導通時源極電流和漏極電流(VCC)相同,因此此時載流子電流比VCC大4V或10V。 如果在同一個系統中,要獲得大于VCC的電流,就需要專用的升壓電路。 許多電機驅動器集成了電荷泵。 需要注意的是,要選擇合適的外接電容,以獲得足夠的漏電壓來驅動MOS管。
上面提到的4V或10V是常用MOS管的導通電流,設計時實際需要留有一定的余量。 并且電流越大,導通速率越快,導通內阻越小。 現在也有導通電流更小的MOS用于不同領域,但在12V車載電子系統中,通常4V導通就足夠了。
MOS管的驅動電路及其損耗請參考該公司的。 描述的很詳細了,我就不多寫了。
5、MOS管應用電路
MOS管最明顯的特點是具有良好的開關特性,因此廣泛應用于需要電子開關的電路中,如開關電源和電機驅動,以及照明調光等。
五種常用開關電源驅動電路分析
在設計開關電源時,大多數人會考慮導通電阻、最大電流和最大電壓。 但很多時候只考慮這種激勵。 這樣的電路可能可以正常工作,但它不是一個好的設計方案。 更詳細地說,還應該考慮寄生參數本身。 對于某一器件來說,其驅動電路、驅動引腳輸出的峰值電壓、上升速度等也會影響開關性能。
當功率IC和MOS管選型時,選擇合適的驅動電路連接功率IC和MOS管就顯得尤為重要。
一個好的驅動電路有以下要求:
(1)當開關管導通時,驅動電路應能提供足夠大的充電電壓,使柵極和源極之間的電流迅速增大到所需值,以保證開關管能夠導通開啟速度快,上升沿無高頻振蕩。
(2)在開關導通期間,驅動電路能夠保證柵極和源極之間的電流保持穩定并可靠導通。
(3)驅動電路能夠為關斷時柵極與源極之間電容電流的快速泄放提供一條阻抗盡可能低的通路,保證開關管能夠快速關斷。
(4)驅動電路結構簡單、可靠、損耗小。
(五)視情況實行隔離。
下面介紹幾種模塊電源中常用的驅動電路。
1:電源IC直接驅動
圖1 IC直接驅動
電源IC直接驅動是最常用的驅動形式,也是最簡單的驅動形式。 在使用這些驅動形式時,需要注意幾個參數以及這些參數的影響。 首先查看電源IC指南,最大驅動峰值電壓,由于芯片不同,驅動能力往往不同。 其次,了解寄生電容電源電流過大有影響嗎,如圖1中的C1和C2的值。如果C1和C2的值比較大,那么MOS管導通所需的能量就會比較大。 如果電源IC沒有比較大的驅動峰值電壓,管子的導通速度就會比較慢。 如果驅動能力不足,上升沿可能會出現高頻振蕩。 雖然圖1中的Rg減小了,但是問題并不能解決! IC驅動能力、MOS寄生電容、MOS管開關速度等因素都會影響驅動內阻電阻的選擇,因此Rg不能無限增大。
2:電源IC驅動能力不足時
如果MOS管寄生電容較大,電源IC內部驅動能力不足,則需要提高驅動電路的驅動能力。 常采用圖騰柱電路來降低電源IC的驅動能力。 該電路如圖2中的實線框所示。
圖2 圖騰柱驅動MOS
這些驅動電路的作用是提高電壓供給能力,快速完成基頻輸入電容充電的充電過程。 這些拓撲減少了開啟和關閉所需的時間。 開關管可以快速導通,防止上升沿高頻振蕩。
3:驅動電路加速MOS管的關斷時間
圖3 加速MOS關斷
關斷后的驅動電路可以為柵源間電容電流的快速泄放提供一條阻抗盡可能低的通路,從而保證開關管能夠快速關斷。 為了快速泄放柵極和源極之間的電容電流,常在驅動內阻上并聯一個內阻和一個三極管,如圖3所示,其中D1常用作快恢復晶閘管。 這減少了關斷時間并減少了關斷期間的損耗。 Rg2是為了防止關斷時電壓過高,燒毀電源IC。
圖4 改進的加速MOS關斷
第二點介紹的圖騰柱電路也有提前關機的作用。 當電源IC的驅動能力足夠時電源電流過大有影響嗎,改進圖2電路,可以加快MOS管的關斷時間,得到圖4所示電路。 更常見的是使用二極管來釋放柵極和源極之間的電容電流。 如果Q1的發射極沒有內阻,當PNP二極管導通時,柵極和源極之間的電容被短路,以便在最短的時間內釋放電荷,并最大限度地減少關斷時的交越損耗。 與圖3的拓撲相比,另一個優點是當柵源極之間的電容上的電荷放電時,柵源極之間的電容上的電壓不會通過電源IC,從而提高了可靠性。
4:驅動電路加速MOS管的關斷時間
圖5 隔離驅動器
為了滿足如圖5所示的高檔MOS管的驅動,常采用變壓器驅動,有時也采用變壓器驅動來滿足安全隔離。 R1的作用是抑制PCB和C1上的寄生電感產生的LC振蕩。 C1的目的是分離直流并通過交流,同時避免磁芯飽和。
5:源極輸出高電流時驅動
當源輸出為大電流時,我們需要使用偏置電路來達到電路工作的目的。 也就是說,我們使用源作為參考點來構建偏置電路。 驅動電流在兩個電流之間波動,驅動電流誤差由低電流供電決定,如右圖6所示。
圖6 源極輸出大電流時的驅動電路
除了上述的驅動電路之外,還有很多其他的驅動電路。 對于各種驅動電路來說,沒有一種驅動電路是最好的,只能結合具體應用選擇最合適的驅動器。