mos驅(qū)動匯總情況情況

1、實用標準文案大功率開關(guān)電源中功率 MOSFET 的驅(qū)動技術(shù)功率 MOSFET 具有導(dǎo)通電阻低、負載電流大的優(yōu)點，因而非常適合用作開關(guān)電源（ switch-mode power supplies， SMPS ）的整流組件，不過，在選用 MOSFET 時有一些注意事項。功率 MOSFET 和雙極型晶體管不同， 它的柵極電容比較大， 在導(dǎo)通之前要先對該電容充電， 當(dāng)電容電壓超過閾值電壓（ VGS-TH ）時 MOSFET 才開始導(dǎo)通。因此，柵極驅(qū)動器的負載 能力必須足夠大，以保證在系統(tǒng)要求的時間內(nèi)完成對等效柵極電容（CEI）的充電。在計算柵極驅(qū)動電流時，最常犯的一個錯誤就是將 MOSFET 的輸入電

2、容（ CISS）和 CEI 混 為一談，于是會使用下面這個公式去計算峰值柵極電流。I = C（dv/dt）實際上， CEI 的值比 CISS 高很多，必須要根據(jù) MOSFET 生產(chǎn)商提供的柵極電荷（ QG ）指 標計算。QG 是 MOSFET 柵極電容的一部分，計算公式如下：QG = QGS + QGD + QOD其中：QG- 總的柵極電荷QGS- 柵極 - 源極電荷QGD- 柵極 - 漏極電荷（ Miller ）QOD-Miller 電容充滿后的過充電荷典型的 MOSFET 曲線如圖 1 所示，很多 MOSFET 廠商都提供這種曲線?？梢钥吹?，為了 保證 MOSFET 導(dǎo)通，用來對 CGS

3、充電的 VGS 要比額定值高一些，而且 CGS 也要比 VTH 高。柵極電荷除以 VGS 等于 CEI，柵極電荷除以導(dǎo)通時間等于所需的驅(qū)動電流（在規(guī)定的精彩文檔實用標準文案時間內(nèi)導(dǎo)通） 。用公式表示如下：QG = （CEI）（VGS）IG = QG/t 導(dǎo)通其中： QG 總柵極電荷，定義同上。 CEI 等效柵極電容 VGS 刪 - 源極間電壓 IG 使 MOSFET 在規(guī)定時間內(nèi)導(dǎo)通所需柵極驅(qū)動電流MOSFET 驅(qū)動器的功耗對 MOSFET 的柵極進行充電和放電需要同樣的能量，無論充放電過程快或慢 （柵極電壓 的上升和下降） 。因此， MOSFET 驅(qū)動器的電流驅(qū)動能力并不影響由 MOSFET

4、 柵極的容 性負載產(chǎn)生的驅(qū)動器功耗。MOSFET 驅(qū)動器的功耗包含三部分：1. 由于 MOSFET 柵極電容充電和放電產(chǎn)生的功耗。公式 1 ：PC = CG VDD2 F其中：CG = MOSFET 柵極電容VDD = MOSFET 驅(qū)動器電源電壓 （ V ）F = 開關(guān)頻率2. 由于 MOSFET 驅(qū)動器吸收靜態(tài)電流而產(chǎn)生的功耗。公式 2 ：精彩文檔實用標準文案PQ = （IQH D+ IQL （1 -D ） ） VDD其中：IQH = 驅(qū)動器輸入為高電平狀態(tài)的靜態(tài)電流D = 開關(guān)波形的占空比去IQL = 驅(qū)動器輸入為低電平狀態(tài)的靜態(tài)電流3. MOSFET 驅(qū)動器交越導(dǎo)通（穿通）電流產(chǎn)生的功

5、耗。公式 3 ：PS = CC F V DD其中：CC = 交越常數(shù) （ A*sec ）從 上 述 公 式 推 導(dǎo) 得 出，三 部 分 功 耗 中 只 有 一 個 與MOSFET 柵極電容充 電和放電有關(guān)。 這部分功耗通常是最高的， 特別在很低的開關(guān)頻率時。 為了計算公式 1 的 值，需要知道 MOSFET 柵極電容。 MOSFET 柵極電容包含兩個電容：柵源電容和柵漏電 容（密勒電容） 。通常容易犯的錯誤是將 MOSFET 的輸入電容 （ CISS）當(dāng)作 MOSFET 總柵極電容。確定柵極電容的正確方法是看 MOSFET 數(shù)據(jù)手冊中的總柵極電容（ QG ）。 這個信息通常顯示在任何 MOSF

6、ET 的電氣特性表和典型特性曲線中。表 1 顯示了 500V 、 14A 、 N 溝道 MOSFET 的柵極電容在數(shù)據(jù)手冊中的典型示例。 要留意數(shù)據(jù)手冊表中給出的數(shù)值與它們的測試條件有關(guān)： 柵極電壓和漏極電壓。 這些測試條 件影響著柵極電荷的值。圖 1 顯示同一個 MOSFET 在不同柵極電壓和漏極電壓下柵極電 荷的典型特性曲線。應(yīng)確保用來計算功耗的柵極電荷值也滿足應(yīng)用條件。精彩文檔實用標準文案400V ）。利用 Q = C * V關(guān)系式，我們得到柵極電容為9.8 nF ，這大大高于表 1 中列出的 2.6 nF 的輸入電容。這表明當(dāng)計算柵極電容值時，總柵極電容值應(yīng)從總柵極電荷值推導(dǎo)從圖 1

7、的曲線中選取 VGS = 10V 的典型值， 我們得到總柵極電荷為 98 nC ( VDS =而來。當(dāng)使用電氣特性表中柵極電荷的最大值來進行最壞情況設(shè)計時， 這個值應(yīng)根據(jù)設(shè)計中的漏 源電壓和柵源電壓進行調(diào)整。 利用表 1 給出的 MOSFET 信息并以圖 1 為例， 在 VGS 為 12V ， 開關(guān)頻率 F = 250 kHz 和漏源電壓為 400V 時，由 MOSFET 柵極電容的充放電 而產(chǎn)生的 MOSFET 驅(qū)動器的功耗為：精彩文檔實用標準文案通過使用圖 1 的曲線并找到 12V 時對應(yīng)的 QG 值可以得到 CG 的值。用 QG 除以 12V 就得到 CG 的值。已知 QG 等于 CG

8、* VG ， PC 公式可重寫為：需要特別留意的是， 公式中的電壓被取了平方。 因此， 減小柵極驅(qū)動電壓可以顯著減小驅(qū) 動器的功耗。對于一些 MOSFET ， 柵極驅(qū)動電壓超過 8V 至 10V 并不會進一步減小 MOSFET 電阻（ RDS-ON ） 。以上述 MOSFET 為例， 10V 柵極驅(qū)動電壓時功耗為：柵極電壓減小了 16% （從 12V 減小至 10V ） ，而得到的由柵極驅(qū)動的功耗減小了 28% 。進一步可以看到由于柵極電壓減小，也降低了交越傳導(dǎo)損耗。公式 3 顯示由于 MOSFET 驅(qū)動器交越導(dǎo)通而產(chǎn)生的功耗，通常這也被稱為穿通。這是由于輸出驅(qū)動級的 P 溝道和 N 溝道場效

9、應(yīng)管（ FET）在其導(dǎo)通和截止狀態(tài)之間切換時同時導(dǎo)通而引起的。交越導(dǎo)通特性在 MOSFET 驅(qū)動器數(shù)據(jù)手冊中顯示為“交越能量電源電壓”典型特性曲 線。精彩文檔實用標準文案圖 2 給出了這個曲線示例。交越常數(shù)的單位通常為安培 - 秒（ A*sec ） 。這個數(shù)值與 工作頻率相乘得到平均電流值。圖 2 證明了先前討論的這一點。也就是，當(dāng)偏置電壓增加 時，交越常數(shù)也增加，因此驅(qū)動器的功率消耗 （由于交越導(dǎo)通）也增加。反之，減小驅(qū)動 器電壓導(dǎo)致驅(qū)動器功耗減小。 需要留意的一點是當(dāng)使用雙路驅(qū)動器時， 交越常數(shù)通常表示驅(qū) 動器兩部分的工作。 如果只使用了驅(qū)動器的一部分， 或者驅(qū)動器的兩部分工作在不同的頻率

10、， 對于驅(qū)動器每部分的計算，只需要采用這個值的一半。以圖 2 所示的信息為例，我們假設(shè) 這是單輸出驅(qū)動器，工作 VDD 為 12V ， 工作頻率為 250 kHz 。 基于上述曲線，交越常 數(shù)定為 5.2*10-9 。對于這個驅(qū)動器，在這個電壓和頻率下工作， 其功率消耗相對微不足道。通常，當(dāng)驅(qū)動器的電流驅(qū)動能力增加時，由于穿通電流導(dǎo)致的損耗也相應(yīng)增加。這些損耗可能很大，必須在選擇 MOSFET 驅(qū)動器封裝時加以考慮。 Microchip 提供表貼和引腳穿孔精彩文檔實用標準文案的封裝，有 8 引腳 MSOP ， 8 引腳 DFN 和 5 引腳 TO-220 封裝， 便于工程師選擇 最適合應(yīng)用的封

11、裝。管芯對柵極電容的影響可以想見， MOSFET 管芯的尺寸越大，柵極電荷的影響就越大。 只要翻翻任何生產(chǎn)廠家的數(shù)據(jù)手冊就可以證明這一點。 在管芯尺寸與柵極電荷關(guān)系上， 您會 發(fā)現(xiàn)：管芯尺寸增加，總柵極電荷也增加。 隨著硅片技術(shù)的進步，新 MOSFET 可能與老器件具有相同的管芯尺寸，卻具有較少的總柵極電荷。 然而，采用相同硅片技術(shù)的 MOSFET 仍然使用于這個基本準則，即管芯尺寸增加， 柵極充電所需的能量也增加。 管芯尺寸經(jīng)常表示為 Hex 尺寸。下列表2 給出了不同 MOSFET Hex 尺寸下典型管芯尺寸和總柵極電容值?，F(xiàn) 在 許 多 供 應(yīng) 商 也 提 供 “低 柵 極 電 荷”版

12、本 的 MOSFET ，可以提供更快的開關(guān)時間和更低的柵極充電損耗。這些器件可以使應(yīng)用工作在更高的速度，而的功率MOSFET 的開關(guān)損耗更低，并且 MOSFET 驅(qū)動器的柵極電荷損耗也更低。峰值電流驅(qū)動的需求針對MOSFET 驅(qū)動器的討論主要是考慮內(nèi)部和外部因素而導(dǎo)致MOSFET 驅(qū)動器產(chǎn)生功耗。所以必須計算出 MOSFET 驅(qū)動器的功率損耗， 進而利用計算值精彩文檔實用標準文案為驅(qū)動器選擇正確的封裝和計算結(jié)溫。 在應(yīng)用中使 MOSFET 驅(qū)動器與 MOSFET 匹配主要 是根據(jù)功率 MOSFET 導(dǎo)通和截止的速度快慢 （柵極電壓的上升和下降時間） 。任何應(yīng)用 中優(yōu)化的上升 / 下降時間取決于

13、很多因素， 例如 EMI （傳導(dǎo)和輻射） ，開關(guān)損耗， 引腳 / 電路的感抗，以及開關(guān)頻率等。 MOSFET 導(dǎo)通和截止的速度與 MOSFET 柵極電容的充 電和放電速度有關(guān)。 MOSFET 柵極電容、導(dǎo)通和截止時間 與 MOSFET 驅(qū)動 器的 驅(qū)動 電流的 關(guān)系 可以表示為：前面已知柵極電荷的關(guān)系為：面的公式可重寫為：上述公式假設(shè)電流 （ I）使用的是恒流源。如果使用 MOSFET 驅(qū)動器的峰值驅(qū)動電流來 計算，將會產(chǎn)生一些誤差。MOSFET 驅(qū)動器以驅(qū)動器的輸出峰值電流驅(qū)動能力來表示。這個峰值電流驅(qū)動能力通常精彩文檔實用標準文案在兩個條件之一下給出。這兩個條件為 MOSFET 驅(qū)動器輸出

14、短路到地或 MOSFET 驅(qū)動器 輸出處于某一特定電壓值 （通常為 4V ，因為這是 MOSFET 開始導(dǎo)通并且密勒效應(yīng)開始起 作用時的柵極門限電壓） 。通常，峰值電流也表示在器件最大偏置電壓下的電流。這意味著 如果 MOSFET 驅(qū)動器工作在較低的偏置電壓， MOSFET 驅(qū)動器的峰值電流驅(qū)動能力會降 低。設(shè)計示例：利用下列設(shè)計參數(shù)，可以計算出 MOSFET 驅(qū)動器的峰值驅(qū)動電流：使用前面推導(dǎo)的公式：這個公式得出的峰值驅(qū)動電流為 0.5A 。然而，設(shè)計參數(shù)中柵極驅(qū)動電壓為 12V 。在選擇 合適的驅(qū)動器時，這個參數(shù)也應(yīng)在考慮之中。例如，您選擇的驅(qū)動器在 18V 時標稱電流為 0.5A ，則在

15、 12V 時，其峰值輸出電流將小于 0.5A ?；谶@個原因， 對于這個特殊的應(yīng)用， 應(yīng)選擇在峰值輸出電流為 1.0A 的驅(qū)動器。同時還需要考慮在 MOSFET 驅(qū)動器和功率 MOSFET 柵極之間使用外部電阻，因為這會減小驅(qū)動?xùn)艠O電容的峰值充電電流。這種驅(qū)動 的配置如圖 4 所示。使用 MOSFET 驅(qū)動器時可以采用許多不同的電路配置。很多時候，由于高的峰值電流、 驅(qū)動電壓快的上升 / 下降時間以及電路板上長走線引起的電感， 需要考慮額外的鉗位電路。 圖 3 至圖 6 顯示了經(jīng)常使用的柵極驅(qū)動電路典型配置。最理想的 MOSFET 驅(qū)動器電路精彩文檔實用標準文案如圖 3 所示。這種配置常用于升

16、壓（ boost ）、反激式和單開關(guān)的正激開關(guān)電源拓撲結(jié)構(gòu) 中。采用正確的布板技巧和選擇合適的偏置電壓旁路電容， 可以使 MOSFET 柵極電壓得到 很好的上升和下降時間。除了在偏置電壓增加本地旁路電容外， MOSFET 驅(qū)動器的良好鋪 地也很重要。 使用電阻限制峰值電流在許多柵極驅(qū)動應(yīng)用中， 也可能需要限制柵極驅(qū)動的峰 值，以降低柵極電壓的上升。通常這可以降低由于 MOSFET 漏極電壓的快速上升斜率導(dǎo)致 的 EMI 噪聲。通過改換具有更低峰值電流的 MOSFET 驅(qū)動器或增加一個串聯(lián)柵極驅(qū)動電 阻，如圖 4 所示，就可以減緩 MOSFET 柵極電壓的上升和下降時間 . 圖 5： 當(dāng)電路板走

17、 線長時使用齊納二極管來鉗位電壓在 MOSFET 驅(qū)動器并沒有放置在它所驅(qū)動的 MOSFET 附近的應(yīng)用中，驅(qū)動器的輸出與 MOSFET 的柵極之間存在電感，這會導(dǎo)致 MOSFET 柵極 電壓振蕩而超過 VDD 和低于地 （ GND ）。如果峰值電壓超過 MOSFET 標稱的最大柵極電 壓， MOSFET 會損壞， 進而導(dǎo)致失效。 可以在 MOSFET 柵極和源極間增加一個齊納二極 管對電壓進行鉗位，如圖 5 所示?？赡艿脑?，應(yīng)使 MOSFET 驅(qū)動器和 MOSFET 的走線 長度盡可能短， 以此限制電感引起的振蕩效應(yīng)。 驅(qū)動器輸出和 MOSFET 柵極間的電感也會 影響 MOSFET 驅(qū)動器在瞬態(tài)條件下將圖 6 顯示了使用柵極驅(qū)動變壓器的兩種不同柵極 驅(qū)動配 置。柵極驅(qū)動變壓器可以用在高壓或低壓的應(yīng)用中， 從而在控制電路和功率 MOSFET 之間 提供隔離，而這種隔離是為了滿足安全要求，或者是提供高端浮空柵極驅(qū)動。圖 6 中的電 路 A 和電路 B 顯示了單開關(guān)正激應(yīng)用中使用的柵極驅(qū)動變壓