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多种开关电源MOS管驱动电路详细解析

在使用MOS当管道设计开关电源或电机驱动电路时,大多数人会考虑MOS也有很多人只考虑这些因素,比如导通电阻、最大电压、最大电流等。这种电路可能可以工作,但不是很好,不允许作为正式的产品设计。

MOSFET管是FET一个(另一个)JFET),可制成增强型或耗尽型,P有四种类型的沟或N沟,但实际应用只有增强N沟MOS管道和增强型P沟MOS因此,通常提到管道NMOS,或者PMOS指的是这两种。

至于为什么不使用耗尽型,MOS管道,不建议刨根问底。

对于这两种增强型MOS管,比较常用的是NMOS。原因是导电阻小,制造方便。因此,一般用于开关电源和电机驱动的应用NMOS。下面的介绍大多是NMOS为主。

MOS寄生电容存在于管脚的三个管脚之间,这不是我们需要的,而是由于制造过程的限制。寄生电容的存在使得驱动电路的设计或选择更加麻烦,但没有办法避免,稍后会详细介绍。

在MOS从管道原理图可以看出,泄漏极和源极之间有一个寄生二极管。这被称为体二极管,它在驱动感性负载(如电机)时非常重要。顺便说一句,体二极管只是单个的MOS集成电路芯片通常不存在于管道中。

导通是指作为开关,相当于开关关闭。

NMOS的特性,Vgs如果大于一定值,则导通,适用于源极接地(低端驱动),只要栅极电压达到4V或10V就可以了。

PMOS的特性,Vgs如果小于一定值,就会导通,适合源极接VCC情况(高端驱动)。然而,尽管如此PMOS它可以很容易地用作高端驱动,但由于导通电阻大、价格昂贵、替代品种少,通常用于高端驱动NMOS。

不管是NMOS还是PMOS,导通后有导通电阻,这样电流就会在这个电阻上消耗能量,这部分消耗的能量称为导通损耗。选择导通电阻小的MOS管道会减少导通损耗。现在的小功率MOS管导通电阻一般在几十毫欧左右,也有几毫欧。

MOS导通和截止时间一定不能在瞬间完成。MOS两端电压下降,流过的电流上升,MOS管道损失是电压和电流的乘积,称为开关损失。通常,开关损失远大于导通损失,开关频率越快,损失越大。

瞬时电压和电流的乘积很大,造成了很大的损失。缩短开关时间可以减少每次导通时的损失;减少开关频率,减少单位时间内的开关次数。这两种方法都可以减少开关损失。

双极性晶体管相比,一般认为使用MOS只要管道不需要电流,只要GS当电压高于一定值时,就可以了。这样做很容易,但我们仍然需要速度。

在MOS在管的结构中可以看到,GS,GD寄生电容器之间存在,MOS管道的驱动实际上是对电容器的充放电。电容器的充电需要一个电流,因为电容器可以在瞬间被视为短路,因此瞬间电流将相对较大。选择/设计MOS管道驱动时首先要注意的是瞬时短路电流的大小。

第二注意的是,普遍用于高端驱动的NMOS,栅极电压大于源极电压。而高端驱动MOS管道导通时源极电压和漏极电压(VCC)因此,此时栅极电压相同VCC大4V或10V。如果在同一个系统中,要得到比较VCC大电压需要一个特殊的升压电路。许多电机驱动器集成了电荷泵,应注意选择合适的外部电容,以获得足够的短路电流驱动MOS管。

上边说的4V或10V是常用的MOS当然,设计管道的导电压需要一定的余量。而且电压越高,导电速度越快,导电阻越小。也有导电压较小的MOS在不同的领域工作,但在12V在汽车电子系统中,4V导通就够了。

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。讲得很详细,不打算多写。

MOS管道最显著的特点是开关特性好,因此广泛应用于需要电子开关的电路中,如开关电源和电机驱动,以及照明和调光。

五种常用开关电源MOSFET驱动电路分析

在使用MOSFET大多数人在设计开关电源时都会考虑MOSFET导电阻,最大电压,最大电流。但很多时候,这些因素可能只考虑在内,这样的电路可以正常工作,但不是一个好的设计方案。更细致的,MOSFET还应考虑寄生参数。确定一个MOSFET,其驱动电路、驱动脚输出的峰值电流、上升速率等都会影响MOSFET开关性能。

当电源IC与MOS管道选择后, 选择合适的驱动电路连接电源IC与MOS管道尤为重要。

一个好的MOSFET驱动电路有以下要求:

(1)开关管开启时,驱动电路应能提供足够大的充电电流MOSFET格栅源极间电压迅速上升到所需值,保证开关管快速开启,无上升沿高频振荡。

(2)开关导通期间的驱动电路MOSFET格栅源极间电压保持稳定可靠。

(3)关闭瞬时驱动电路可以提供尽可能低阻抗的通道MOSFET格栅源极间电容电压的快速泄漏,确保开关管能够快速关闭。

(4)驱动电路结构简单可靠,损耗小。

(5)根据情况施加隔离。

以下是几个模块电源中常用的介绍MOSFET驱动电路。

在这里插入图片描述 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。首先,检查电源IC手册,由于芯片不同,驱动能力往往不同,驱动峰值电流最大。第二,了解一下MOSFET寄生电容,如图所示 1中C1、C2的值。如果C1、C2.MOS管导通的需要的能量就比较大,如果电源IC如果没有较大的驱动峰值电流,则管道导通速度相对较慢。如果驱动能力不足,上升边缘可能会发生高频振荡,即使是图片 1中Rg减少,也解决不了问题! IC驱动能力、MOS寄生电容大小,MOS管道开关速度等因素影响驱动电阻值的选择,因此Rg不能无限减少。

如果选择MOS管寄生电容大,电源大IC当内部驱动能力不足时,需要提高驱动电路上的驱动能力,并经常使用图腾柱电路来增加电源IC驱动能力,其电路图 虚线框所示。 图 2 图腾柱驱动MOS

这种驱动电路的功能是提高电流提供能力,快速完成栅极输入电容电荷的充电过程。这种拓扑增加了导通所需的时间,但减少了关闭时间,开关管可以快速打开,避免上升边缘的高频振荡。

图 3 加速MOS关断

关闭瞬时驱动电路可以提供尽可能低阻抗的通道MOSFET格栅源极间电容电压快速泄漏,保证开关管快速关闭。为了快速释放栅极间电容电压,驱动电阻通常并联一个电阻和一个二极管,如图所示 3所示,其中D快恢复二极管是常用的。这减少了关闭时间和损失。Rg2.关闭时防止电流过大,并使用电源IC给烧掉。 图 4 改进型加速MOS关断

第二点介绍的图腾柱电路也能加速关闭。当电源IC当驱动能力足够时,对图 2中电路改进可以加速MOS管关闭时间如图所示 4所示电路。网源极间电容电压常用三极管排放。如果Q当1的发射极没有电阻时PNP三极管导通时,栅源极间电容短接,最短时间内完成电荷,最大限度地减少关闭时的交叉损耗。与图 与3拓扑相比,另一个优点是,当电流不通过电源时,电源极间电容上的电荷泄漏IC,可靠性提高。

图 5 隔离驱动

如图所示 5所示高端MOS变压器常用于管道驱动,有时用于安全隔离。R1目的是抑制PCB寄生在板上的电感和C1形成LC振荡,C1的目的是通过交流隔离直流,防止磁芯饱和。

当源极输出为高电压时,我们需要使用偏置电路来实现电路工作的目的。我们建立了以源极为参考点的偏置电路。驱动电压在两个电压之间波动,驱动电压偏差由低电压提供,如下图6所示。 图6 当高压时,源极输出是驱动电路

除上述驱动电路外,还有许多其他形式的驱动电路。各种驱动电路没有驱动电路是最好的,只有结合具体应用,选择最合适的驱动。

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