mos管驅動電路設計

在使用mos管驅動電路設計開關(guan) 電源或者馬達驅動電路的時候，大部分人都會(hui) 考慮mos的導通電阻，最大電壓等，最大電流等，也有很多人僅(jin) 僅(jin) 考慮這些因素。這樣的電路也許是可以工作的，但並不是優(you) 秀的，作為(wei) 正式的產(chan) 品設計也是不允許的。

1、mos管種類和結構

mos管是FET的一種(另一種是JFET)，可以被製造成增強型或耗盡型，P溝道或N溝道共4種類型，但實際應用的隻有增強型的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(liang) 種。右圖是這兩(liang) 種MOS管的符號。

至於(yu) 為(wei) 什麽(me) 不使用耗盡型的MOS管，不建議刨根問底。對於(yu) 這兩(liang) 種增強型MOS管，比較常用的是NMOS。原因是導通電阻小且容易製造。所以開關(guan) 電源和馬達驅動的應用中，一般都用NMOS。下麵的介紹中，也多以NMOS為(wei) 主。

在MOS管原理圖上可以看到，漏極和源極之間有一個(ge) 寄生二極管。這個(ge) 叫體(ti) 二極管，在驅動感性負載(如馬達)，這個(ge) 二極管很重要。在單個(ge) 的MOS管中存在，在集成電路芯片內(nei) 部通常是沒有的。下圖是MOS管的構造圖，通常的原理圖中都畫成右圖所示的樣子。

MOS管的三個(ge) 管腳之間有寄生電容存在，如右圖所示。這不是我們(men) 需要的，而是由於(yu) 製造工藝限製產(chan) 生的。寄生電容的存在使得在設計或選擇驅動電路的時候要麻煩一些，但沒有辦法避免，在MOS管的驅動電路設計時再詳細介紹。

2、MOS管導通特性

導通的意思是作為(wei) 開關(guan) ，相當於(yu) 開關(guan) 閉合。

NMOS的特性，Vgs大於(yu) 一定的值就會(hui) 導通，適合用於(yu) 源極接地時的情況(低端驅動)，隻要柵極電壓達到4V或10V就可以了。

PMOS的特性，Vgs小於(yu) 一定的值就會(hui) 導通，使用與(yu) 源極接VCC時的情況(高端驅動)。但是，雖然PMOS可以很方便地用作高端驅動，但由於(yu) 導通電阻大，價(jia) 格貴，替換種類少等原因，在高端驅動中，通常還是使用NMOS。

右圖是瑞薩2SK3418的Vgs電壓和Vds電壓的關(guan) 係圖。可以看出小電流時，Vgs達到4V，DS間壓降已經很小，可以認為(wei) 導通。 

3、MOS開關(guan) 管損失

不管是NMOS還是PMOS，導通後都有導通電阻存在，因而在DS間流過電流的同時，兩(liang) 端還會(hui) 有電壓(如2SK3418特性圖所示)，這樣電流就會(hui) 在這個(ge) 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(hui) 減小導通損耗。現在的小功率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(liang) 端的電壓有一個(ge) 下降的過程，流過的電流有一個(ge) 上升的過程，在這段時間內(nei) ，MOS管的損失是電壓和電流的乘積，叫做開關(guan) 損失。通常開關(guan) 損失比導通損失大得多，而且開關(guan) 頻率越快，損失也越大。

下圖是MOS管導通時的波形。可以看出，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(guan) 時間，可以減小每次導通時的損失;降低開關(guan) 頻率，可以減小單位時間內(nei) 的開關(guan) 次數。這兩(liang) 種辦法都可以減小開關(guan) 損失。 

4、MOS管驅動

跟雙極性晶體(ti) 管相比，一般認為(wei) 使MOS管導通不需要電流，隻要GS電壓高於(yu) 一定的值，就可以了。這個(ge) 很容易做到，但是，我們(men) 還需要速度。

在MOS管的結構中可以看到，在GS，GD之間存在寄生電容，而MOS管的驅動，實際上就是對電容的充放電。對電容的充電需要一個(ge) 電流，因為(wei) 對電容充電瞬間可以把電容看成短路，所以瞬間電流會(hui) 比較大。選擇/設計MOS管驅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，普遍用於(yu) 高端驅動的NMOS，導通時需要是柵極電壓大於(yu) 源極電壓。而高端驅動的MOS管導通時源極電壓與(yu) 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(ge) 係統裏，要得到比VCC大的電壓，就要專(zhuan) 門的升壓電路了。很多馬達驅動器都集成了電荷泵，要注意的是應該選擇合適的外接電容，以得到足夠的短路電流去驅動MOS管。

上邊說的4V或10V是常用的MOS管的導通電壓，設計時當然需要有一定的餘(yu) 量。而且電壓越高，導通速度越快，導通電阻也越小。現在也有導通電壓更小的MOS管用在不同的領域裏，但在12V汽車電子係統裏，一般4V導通就夠用了。MOS管的驅動電路及其損失，可以參考Microchip公司AN799 Matching MOSFET Drivers to MOSFETs。講述得很詳細，所以不打算多寫(xie) 了。

5、MOS管應用電路

MOS管最顯著的特性是開關(guan) 特性好，所以被廣泛應用在需要電子開關(guan) 的電路中，常見的如開關(guan) 電源和馬達驅動，也有照明調光。這三種應用在各個(ge) 領域都有詳細的介紹，這裏就不多寫(xie) 了。

5種常用開關電源mos管驅動電路設計解析

在使用MOSFET設計開關(guan) 電源時，大部分人都會(hui) 考慮MOSFET的導通電阻、最大電壓、最大電流。但很多時候也僅(jin) 僅(jin) 考慮了這些因素，這樣的電路也許可以正常工作，但並不是一個(ge) 好的設計方案。更細致的，MOSFET還應考慮本身寄生的參數。對一個(ge) 確定的MOSFET，其驅動電路，驅動腳輸出的峰值電流，上升速率等，都會(hui) 影響MOSFET的開關(guan) 性能。當電源IC與(yu) MOS管選定之後， 選擇合適的驅動電路來連接電源IC與(yu) MOS管就顯得尤其重要了。一個(ge) 好的mos管驅動電路有以下幾點要求：

(1)開關(guan) 管開通瞬時，驅動電路應能提供足夠大的充電電流使MOSFET柵源極間電壓迅速上升到所需值，保證開關(guan) 管能快速開通且不存在上升沿的高頻振蕩。

(2)開關(guan) 導通期間驅動電路能保證MOSFET柵源極間電壓保持穩定且可靠導通。

(3)關(guan) 斷瞬間驅動電路能提供一個(ge) 盡可能低阻抗的通路供MOSFET柵源極間電容電壓的快速泄放，保證開關(guan) 管能快速關(guan) 斷。

(4)驅動電路結構簡單可靠、損耗小。

(5)根據情況施加隔離。

下麵介紹幾個(ge) 模塊電源中常用的mos管驅動電路。

1：當源極輸出為(wei) 高電壓時的驅動

當源極輸出為(wei) 高電壓的情況時，我們(men) 需要采用偏置電路達到電路工作的目的，既我們(men) 以源極為(wei) 參考點，搭建偏置電路，驅動電壓在兩(liang) 個(ge) 電壓之間波動，驅動電壓偏差由低電壓提供。

圖1 源極輸出為(wei) 高電壓時的驅動電路

2：電源IC直接驅動mos

圖2 IC直接驅動MOSFET

電源IC直接驅動是我們(men) 最常用的驅動方式，同時也是最簡單的驅動方式，使用這種驅動方式，應該注意幾個(ge) 參數以及這些參數的影響。第一，查看一下電源IC手冊(ce) ，其最大驅動峰值電流，因為(wei) 不同芯片，驅動能力很多時候是不一樣的。第二，了解一下MOSFET的寄生電容，如圖2中C1、C2的值。如果C1、C2的值比較大，MOS管導通的需要的能量就比較大，如果電源IC沒有比較大的驅動峰值電流，那麽(me) 管子導通的速度就比較慢。如果驅動能力不足，上升沿可能出現高頻振蕩，即使把圖2中Rg減小，也不能解決(jue) 問題! IC驅動能力、MOS寄生電容大小、MOS管開關(guan) 速度等因素，都影響驅動電阻阻值的選擇，所以Rg並不能無限減小。

3：電源IC驅動能力不足時

如果選擇MOS管寄生電容比較大，電源IC內(nei) 部的驅動能力又不足時，需要在驅動電路上增強驅動能力，常使用圖騰柱電路增加電源IC驅動能力，

圖3 騰柱驅動MOS

這種驅動電路作用在於(yu) ，提升電流提供能力，迅速完成對於(yu) 柵極輸入電容電荷的充電過程。這種拓撲增加了導通所需要的時間，但是減少了關(guan) 斷時間，開關(guan) 管能快速開通且避免上升沿的高頻振蕩。

4：驅動電路加速MOS管關(guan) 斷時間

圖4 加速MOS關(guan) 斷

關(guan) 斷瞬間驅動電路能提供一個(ge) 盡可能低阻抗的通路供MOSFET柵源極間電容電壓快速泄放，保證開關(guan) 管能快速關(guan) 斷。為(wei) 使柵源極間電容電壓的快速泄放，常在驅動電阻上並聯一個(ge) 電阻和一個(ge) 二極管，如圖4所示，其中D1常用的是快恢複二極管。這使關(guan) 斷時間減小，同時減小關(guan) 斷時的損耗。Rg2是防止關(guan) 斷的時電流過大，把電源IC給燒掉。

 圖4-1 改進型加速MOS關(guan) 斷

在第二點介紹的圖騰柱電路也有加快關(guan) 斷作用。當電源IC的驅動能力足夠時，對圖 2中電路改進可以加速MOS管關(guan) 斷時間，得到如圖 4所示電路。用三極管來泄放柵源極間電容電壓是比較常見的。如果Q1的發射極沒有電阻，當PNP三極管導通時，柵源極間電容短接，達到最短時間內(nei) 把電荷放完，最大限度減小關(guan) 斷時的交叉損耗。與(yu) 圖 3拓撲相比較，還有一個(ge) 好處，就是柵源極間電容上的電荷泄放時電流不經過電源IC，提高了可靠性。

5：驅動電路加速MOS管關(guan) 斷時間

圖5 隔離驅動

為(wei) 了滿足如圖5所示高端MOS管的驅動，經常會(hui) 采用變壓器驅動，有時為(wei) 了滿足安全隔離也使用變壓器驅動。其中R1目的是抑製PCB板上寄生的電感與(yu) C1形成LC振蕩，C1的目的是隔開直流，通過交流，同時也能防止磁芯飽和。

除了以上驅動電路之外，還有很多其它形式的驅動電路。對於(yu) 各種各樣的驅動電路並沒有一種驅動電路是最好的，隻有結合具體(ti) 應用，選擇最合適的驅動。