采用图腾柱方式驱动MOSFET电路设计Word下载.docx
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R3100R
0V
R4
4k7
E
Q2
Cgs
上图为典型的图腾柱输出方式驱动MOSFET的电路。
由于前端I/O口的对外驱动能力(一般为十几或者二十几mA)有限,为了提高对MOSFET的驱动能力,因此采用图腾柱电路。
由于MOSFET是压控型器件,则GS两端电压只要大于4.5V(导通时的阈值电压)时即可导通,为了使MOSFET可靠导通,则一般要求GS两端的电压要大于12V(不同型号的管子该电压不同),因此要求MOSFET的驱动电压幅值至少要大于12V。
此外,由于MOSFET的GS两端存在寄生电容,驱动MOSFET的过程就是对该电容充放电的过程,充电的快慢反应MOSFET导通或关断的速度,而开关的速度又影响了MOSFET的开关损耗及EMI等内容,同时,充电的快慢又由充电电流的大小决定。
综上所述,要想驱动MOSFET正常导通和关断,则要考虑驱动幅值电压及对GS两端电容充电电流的大小。
因此,下面分别从驱动MOSFET的幅值电压及充电电流(驱动能力)的大小两个方面来分析该电路。
而幅值电压及充电电流与图中的驱动方波的幅值、电源电压Vcc、电阻R2及电阻R3等有关。
因此,以下主要通过改变这些参数来验证电路设计的合理性。
流过R3的驱动电流波形
充电波形
放电波形
E点驱动电压波形
Q1饱和导通时,
其E极电压为10V
Q1的ce两端的电压波形
最低0V:
完全饱和导通
R1两端有5V压降
R1两端的电压波形
2、电路分析
(1)驱动方波幅值为15V、电源电压为10V、电阻R2=0R。
电路如下图所示:
R1
10k
10V
下图为仿真测试波形:
从以上波形可知,在驱动波形为高电平(15V)时,Q1完全饱和导通,其
ce间的压降为0V,此时电源电压直接加在点E处,即MOSFET的驱动电压幅值为10V,而不是驱动波形的射极跟随电压14.3V,这样存在的问题是,如果电源电压再小的话,则MOSFET的驱动电压幅值会更低。
同时,在驱动波形刚变为高电平时,流过电阻R3有一个尖峰电流,该电流就是对MOSFET的GS端电容充电的电流波形,由于Cgs电容很小,因此充电时间很短,充满后就不存在充电电流,因此该电流波形在很短的时间内为尖峰。
其E极电压为15V
Q1的ce两端的电压波形
最低接近0V:
饱和
(2)驱动方波幅值为15V、电源电压为15V、电阻R2=0R。
ce间的压降为0V,此时电源电压直接加在点E处,即MOSFET的驱动电压幅值为15V,能满足MOSFET的驱动要求。
Q1放大区时,
最低接近3V:
工作于放大区
(3)驱动方波幅值为15V、电源电压为18V、电阻R2=0R。
R110k
18V
从以上波形可知,在驱动波形为高电平(15V)时,Q1处于放大区,其ce间的压降约为3V,而观察E点波形发现,其幅值为14.3V,跟随Q1的b极驱动波形的幅值。
而ce间的压降即为电源电压与E点之间的压差,该压差加在Q1的ce两端会增加Q1的损耗。
流过R2的电流波形
充电时间慢,限制了
电压跟随,仅为10V
最低0V:
Q1饱和
R2两端的电压波形
最低8VZ左右
(4)驱动方波幅值为15V、电源电压为18V、电阻R2=10K。
R210K
从以上波形可知,在驱动波形为高电平(15V)时,Q1处于饱和状态,其
ce间的压降约为0V,而点E的波形为慢速上升的过程,最终充电电压为12V,在电压达到射极跟随电压15V之前驱动波形已经由高变为低,说明充电电流太小,限制了驱动电压快速的上升;
再看电阻R2两端的波形,随着对电容的充电,
R2两端的电压波形逐渐减小(实际可理解为电阻R2与Cgs分压,随着电容两端电压上升,而电阻R2两端的电压不断下降),但是电阻两端的电压会增加电阻本身的损耗。
另外,从流过电阻R3的电流波形发现,充电电流很小,而放电电
流仍存在尖峰,主要原因为:
在充电过程中,根据源、回路、阻抗分析,电源电压Vcc通过电阻R2、Q1、电阻R3对Cgs充电,由于电阻R2的阻值较大,因此充电电流很小;
而在放电过程中,Cgs只通过电阻R3对外放电,且R3的阻值很小,放电很快,因此出现电流尖峰。
综上所述:
为了可靠的驱动MOSFET,同时考虑图腾柱电路的损耗及
MOSFET的开关速度等因素,建议电源电压Vcc取值尽量与驱动方波的幅值一样。
电源电压取的过小,图腾柱上管很容易饱和,导致输出到MOSFET的驱动电压幅值过小(此时跟随电源电压);
电源电压取的过大,输出到MOSFET的驱动电压幅值跟随驱动方波的幅值,此时上管工作在放大区,损耗变大;
上管c极电阻取的要小,可以直接去掉,否则影响充电速度,进而影响MOSFET的驱动电压幅值,同时也会增加该电阻的损耗。
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- 采用 图腾 方式 驱动 MOSFET 电路设计