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MOS在导通和截止的时候,一定不是在瞬间完成的。
MOS两端的电压有一个下降的过程,流过的电流有一个上升的过程,在这段时间内,MOS管的损失是电压和电流的乘积,叫做开关损失。
通常开关损失比导通损失大得多,而且开关频率越快,损失也越大。
导通瞬间电压和电流的乘积很大,造成的损失也就很大。
缩短开关时间,可以减小每次导通时的损失;
降低开关频率,可以减小单位时间内的开关次数。
这两种办法都可以减小开关损失。
4,MOS管驱动
跟双极性晶体管相比,一般认为使MOS管导通不需要电流,只要GS电压高于一定的值,就可以了。
这个很容易做到,但是,我们还需要速度。
在MOS管的结构中可以看到,在GS,GD之间存在寄生电容,而MOS管的驱动,实际上就是对电容的充放电。
对电容的充电需要一个电流,因为对电容充电瞬间可以把电容看成短路,所以瞬间电流会比较大。
选择/设计MOS管驱动时第一要注意的是可提供瞬间短路电流的大小。
第二注意的是,普遍用于高端驱动的NMOS,导通时需要是栅极电压大于源极电压。
而高端驱动的M
OS管导通时源极电压与漏极电压(VCC)相同,所以这时栅极电压要比VCC大4V或10V。
如果在同一个系统里,要得到比VCC大的电压,就要专门的升压电路了。
很多马达驱动器都集成了电荷泵,要注意的
是应该选择合适的外接电容,以得到足够的短路电流去驱动MOS管。
上边说的4V或10V是常用的MOS管的导通电压,设计时当然需要有一定的余量。
而且电压越高,导通速度越快,导通电阻也越小。
现在也有导通电压更小的MOS管用在不同的领域里,但在12V汽车电子系统里,一般4V导通就够用了。
MOS管的驱动电路及其损失,可以参考Microchip公司的AN799MatchingMOSFETDriverstoMOSFETs。
讲述得很详细,所以不打算多写了。
5,MOS管应用电路
MOS管最显著的特性是开关特性好,所以被广泛应用在需要电子开关的电路中,常见的如开关电源和马达驱动,也有照明调光。
现在的MOS驱动,有几个特别的需求,
1,低压应用
当使用5V电源,这时候如果使用传统的图腾柱结构,由于三极管的be有0.7V左右的压降,导致实际最终加在gate上的电压只有4.3V。
这时候,我们选用标称gate电压4.5V的MOS管就存在一定的风险。
同样的问题也发生在使用3V或者其他低压电源的场合。
2,宽电压应用
输入电压并不是一个固定值,它会随着时间或者其他因素而变动。
这个变动导致PWM电路提供给MOS管的驱动电压是不稳定的。
为了让MOS管在高gate电压下安全,很多MOS管内置了稳压管强行限制gate电压的幅值。
在这种情况下,当提供的驱动电压超过稳压管的电压,就会引起较大的静态功耗。
同时,如果简单的用电阻分压的原理降低gate电压,就会出现输入电压比较高的时候,MOS管工作良好,而输入电压降低的时候gate电压不足,引起导通不够彻底,从而增加功耗。
3,双电压应用
在一些控制电路中,逻辑部分使用典型的5V或者3.3V数字电压,而功率部分使用12V甚至更高的电
压。
两个电压采用共地方式连接。
这就提出一个要求,需要使用一个电路,让低压侧能够有效的控制高压侧的MOS管,同时高压侧的M
OS管也同样会面对1和2中提到的问题。
在这三种情况下,图腾柱结构无法满足输出要求,而很多现成的MOS驱动IC,似乎也没有包含gate
电压限制的结构。
于是我设计了一个相对通用的电路来满足这三种需求。
电路图如下:
图1用于NMOS的驱动电路
图2用于PMOS的驱动电路
这里我只针对NMOS驱动电路做一个简单分析:
VI和Vh分别是低端和高端的电源,两个电压可以是相同的,但是VI不应该超过Vh。
Q1和Q2组成了一个反置的图腾柱,用来实现隔离,同时确保两只驱动管Q3和Q4不会同时导通。
R2和R3提供了PWM电压基准,通过改变这个基准,可以让电路工作在PWM信号波形比较陡直的
位置。
Q3和Q4用来提供驱动电流,由于导通的时候,Q3和Q4相对Vh和GND最低都只有一个Vce的压
降,这个压降通常只有0.3V左右,大大低于0.7V的Vce。
R5和R6是反馈电阻,用于对gate电压进行采样,采样后的电压通过Q5对Q1和Q2的基极产生一
个强烈的负反馈,从而把gate电压限制在一个有限的数值。
这个数值可以通过R5和R6来调节。
最后,R1提供了对Q3和Q4的基极电流限制,R4提供了对MOS管的gate电流限制,也就是Q3和Q4的Ice的限制。
必要的时候可以在R4上面并联加速电容。
这个电路提供了如下的特性:
1,用低端电压和PWM驱动高端MOS管。
2,用小幅度的PWM信号驱动高gate电压需求的MOS管。
3,gate电压的峰值限制
4,输入和输出的电流限制
5,通过使用合适的电阻,可以达到很低的功耗。
6,PWM信号反相。
NMOS并不需要这个特性,可以通过前置一个反相器来解决。
在设计便携式设备和无线产品时,提高产品性能、延长电池工作时间是设计人员需要面对的两个问题。
DC-DC转换器具有效率高、输出电流大、静态电流小等优点,非常适用于为便携式设备供电。
目前DC-DC转换器设计技术发展主要趋势有:
(1)高频化技术:
随着开关频率的提高,开关变换器的体积也随之减小,功率密度也得到大幅提升,动态响应得到改善。
小功率DC-DC转换器的开关频率将上升到兆赫级。
(2)低输出电压技术:
随着半导体制造技术的不断发展,微处理器和便携式电子设备的工作电压越来越低,这就要求未来的DC-DC变换器能够提供低输出电压以适应微处理器和便携式电子设备的要求。
这些技术的发展对电源芯片电路的设计提出了更高的要求。
首先,随着开关频率的不断提高,对于开关元件的性能提出了很高的要求,同时必须具有相应的开关元件驱动电路以保证开关元件在高达兆赫级的开关频率下正常工作。
其次,对于电池供电的便携式电子设备来说,电路的工作电压低(以锂电池为例,工作电压2.5〜3.6V),因此,电源芯片的工作电压较低。
MOS管具有很低的导通电阻,消耗能量较低,在目前流行的高效DC-DC芯片中多采用MOS管作为
功率开关。
但是由于MOS管的寄生电容大,一般情况下NMOS开关管的栅极电容高达几十皮法。
这对于设计高工作频率DC-DC转换器开关管驱动电路的设计提出了更高的要求。
在低电压ULSI设计中有多种CMOS、BiCMOS采用自举升压结构的逻辑电路和作为大容性负载的驱
动电路。
这些电路能够在低于1V电压供电条件下正常工作,并且能够在负载电容1〜2pF的条件下工作频率能够达到几十兆甚至上百兆赫兹。
本文正是采用了自举升压电路,设计了一种具有大负载电容驱动能力的,适合于低电压、高开关频率升压型DC-DC转换器的驱动电路。
电路基于SamsungAHP615BiCMOS工艺设计并经过Hspice仿真验证,在供电电压1.5V,负载电容为60pF时,工作频率能够达到5MHz以上。
MOSFET及MOSFET驱动电路知识小结
包括MOS管的介绍,特性,驱动以及应用电路。
在使用MOS管设计开关电源或者马达驱动电路的时候,大部分人都会考虑MOS的导通电阻,最大电压等,最大电流等,也有很多人仅仅考虑这些因素。
这样的电路也许是可以工作的,但并不是优秀的,作为正式的产品设计也是不允许的。
1、MOS管种类和结构
MOSFET管是FET的一种(另一种是JFET),可以被制造成增强型或耗尽型,P沟道或N沟道共4种类型,但实际应用的只有增强型的N沟道MOS管和增强型的P沟道MOS管,所以通常提到NMOS,或者PMOS指的就是这两种。
右图是这两种MOS管的符号。
h沟道MOSP沟道衲OS
至于为什么不使用耗尽型的mos管,不建议刨根问底。
对于这两种增强型MOS管,比较常用的是NMOS。
原因是导通电阻小且容易制造。
所以开关电源和马
达驱动的应用中,一般都用NMOS。
下面的介绍中,也多以NMOS为主。
在MOS管原理图上可以看到,漏极和源极之间有一个寄生二极管。
这个叫体二极管,在驱动感性负载
(如马达),这个二极管很重要。
顺便说一句,二极管只在单个的MOS管中存在,在集成电路芯片内部通常
MOS管的三个管脚之间有寄生电容存在,如右图所示。
这不是我们需要的,而是由于制造工艺限制产
生的。
寄生电容的存在使得在设计或选择驱动电路的时候要麻烦一些,但没有办法避免,在MOS管的驱
动电路设计时再详细介绍。
EquivalentCrcjd
2、MOS管导通特性
NMOS的特性,Vgs大于一定的值就会导通,适合用于源极接地时的情况(低端驱动),只要栅极电压达
到4V或10V就可以了。
PMOS的特性,Vgs小于一定的值就会导通,使用与源极接VCC时的情况(高端驱动)。
但是,虽然P
MOS可以很方便地用作高端驱动,但由于导通电阻大,价格贵,替换种类少等原因,在高端驱动中,通常还是使用NMOS。
右图是瑞萨2SK3418的Vgs电压和Vds电压的关系图。
可以看出小电流时,Vgs达到4V,DS间压
降已经很小,可以认为导通。
DraintoScarceSaturationVoltagevs.GatetoSoura?
Voltacjc
A©
E3OWsuffl占
3、MOS开关管损失
不管是NMOS还是PMOS,导通后都有导通电阻存在,因而在DS间流过电流的同时,两端还会有电
压(如2SK3418特性图所示),这样电流就会在这个电阻上消耗能量,这部分消耗的能量叫做导通损耗。
选择导通电阻小的MOS管会减小导通损耗。
现在的小功率MOS管导通电阻一般在几十毫欧左右,几毫欧的
也有。
MOS在导通和截止的时候,一定不是在瞬间完成的。
MOS两端的电压有一个下降的过程,流过的电流有一个上升的过程,在这段时间内,MOS管的损失是电压和电流的乘积,叫做开关损失。
通常开关损失比
导通损失大得多,而且开关频率越快,损失也越大。
下图是MOS管导通时的波形。
可以看出,导通瞬间电压和电流的乘积很大,造成的损失也就很大。
降低开关时间,可以减小每次导通时的损失;
降低开关频率,可以减小单位时间内的开关次数。
这两种办法都可以减小开关损失。
4、MOS管驱动
在MOS管的结构中可以看到,在GS,GD之间存在寄生电容,而MOS管的驱动,实际上就是对电容的充放电。
对电容的充电需要一个电流,因为对电容充电瞬间可以把电容看成短路,所以瞬间电流会比较大。
OS管导通时源极电压与漏极电压(VCC)相同,所以这时栅极电压要比VCC大4V或10V。
如果在同一个系统里,要得到比VCC大的电压,就要专门的升压电路了。
很多马达驱动器都集成了电荷泵,要注意的是
应该选择合适的外接电容,以得到足够的短路电流去驱动MOS管。
现在也有导通电压更小的MOS管用在不同的领域里,但在12V汽车电子
系统里,一般4V导通就够用了。
MOS管的驱动电路及其损失,可以参考Microchip公司的AN799MatchingMOSFETDriverstoMOSFETs。
5、MOS管应用电路
这三种应用在各个领域都有详细的介绍,这里暂时不多写了。
以后有时间再总结。
功率场效应管(MOSFET)的结构,工作原理及应用
本文将介绍功率场效应管(MOSFET)的结构、工作原理及基本工作电路。
什么是场效应管(MOSFET)
“场效应管(MOSFET”)是英文MetalOxideSemicoductorFieldEffectTransistor的缩写,译成中文是
金属氧化物半导体场效应管”。
它是由金属、氧化物(Si02或SiN)及半导体三种材料制成的器件。
所谓功率场效应管(MOSFET)(Power场效应管(MOSFET))是指它能输出较大的工作电流(几安到几十安),用于功率输出级的器件。
场效应管(MOSFET)的结构
图1是典型平面N沟道增强型场效应管(MOSFET)的剖面图。
它用一块P型硅半导体材料作衬底(图l
a),在其面上扩散了两个N型区(图lb),再在上面覆盖一层二氧化硅(SiQ2)绝缘层(图lc),最后在N区上方用腐蚀的方法做成两个孔,用金属化的方法分别在绝缘层上及两个孔内做成三个电极:
G(栅极)、S(源极)
及D(漏极),如图1d所示。
从图1中可以看出栅极G与漏极D及源极S是绝缘的,D与S之间有两个PN结。
一般情况下,衬底与源极在内部连接在一起。
图1是N沟道增强型场效应管(MOSFET)的基本结构图。
为了改善某些参数的特性,如提高工作电流、提高工作电压、降低导通电阻、提高开关特性等有不同的结构及工艺,构成所谓VMOS、DMOS、TMOS
等结构。
图2是一种N沟道增强型功率场效应管(MOSFET)的结构图。
虽然有不同的结构,但其工作原理是相同的,这里就不一一介绍了。
场效应管(MOSFET)的工作原理
要使增强型N沟道场效应管(MOSFET)工作,要在G、S之间加正电压VGS及在D、S之间加正电压VDS,则产生正向工作电流ID。
改变VGS的电压可控制工作电流ID。
如图3所示(上面0。
若先不接VGS(即VGS=0),在D与S极之间加一正电压VDS,漏极D与衬底之间的PN结处于反向,因此漏源之间不能导电。
如果在栅极G与源极S之间加一电压VGS。
此时可以将栅极与衬底看作电
容器的两个极板,而氧化物绝缘层作为电容器的介质。
当加上VGS时,在绝缘层和栅极界面上感应出正电
荷,而在绝缘层和P型衬底界面上感应出负电荷(如图3)。
这层感应的负电荷和P型衬底中的多数载流子(空穴)的极性相反,所以称为反型层”这反型层有可能将漏与源的两N型区连接起来形成导电沟道。
当VG
S电压太低时,感应出来的负电荷较少,它将被P型衬底中的空穴中和,因此在这种情况时,漏源之间仍
然无电流ID。
当VGS增加到一定值时,其感应的负电荷把两个分离的N区沟通形成N沟道,这个临界电
压称为开启电压(或称阈值电压、门限电压),用符号VT表示(一般规定在ID=10uA时的VGS作为VT)。
当VGS继续增大,负电荷增加,导电沟道扩大,电阻降低,ID也随之增加,并且呈较好线性关系,如图4
所示。
此曲线称为转换特性。
因此在一定范围内可以认为,改变VGS来控制漏源之间的电阻,达到控制I
D的作用
由于这种结构在VGS=0时,ID=0,称这种场效应管(MOSFET)为增强型。
另一类场效应管(MOSFET),在VGS=0时也有一定的ID(称为IDSS),这种场效应管(MOSFET)称为耗尽型。
它的结构如图5所示,它的转移特性如图6所示。
VP为夹断电压(ID=0)。
耗尽型与增强型主要区别是在制造Si02绝缘层中有大量的正离子,使在P型衬底的界面上感应岀较
多的负电荷,即在两个N型区中间的P型硅内形成一N型硅薄层而形成一导电沟道,所以在VGS=0时,
有VDS作用时也有一定的ID(IDSS);
当VGS有电压时(可以是正电压或负电压),改变感应的负电荷数量,从而改变ID的大小。
VP为ID=0时的-VGS,称为夹断电压。
除了上述采用P型硅作衬底形成N型导电沟道的N沟道场效应管(MOSFET)夕卜,也可用N型硅作衬底形成P型导电沟道的P沟道场效应管(MOSFET)。
这样,场效应管(MOSFET)的分类如图7所示。
耗尽型:
N沟道(图7a);
P沟道(图c);
增强型:
N沟道(图b);
P沟道(图d)o
为防止场效应管(MOSFET)接电感负载时,在截止瞬间产生感应电压与电源电压之和击穿场效应管(M
OSFET),—般功率场效应管(MOSFET)在漏极与源极之间内接一个快速恢复二极管,如图8所示。
功率场效应管(MOSFET)的特点
功率场效应管(MOSFET)与双极型功率相比具有如下特点:
1•场效应管(MOSFET)是电压控制型器件(双极型是电流控制型器件),因此在驱动大电流时无需推动级,电路较简单;
2.输入阻抗高,可达108Q以上;
3•工作频率范围宽,开关速度高(开关时间为几十纳秒到几百纳秒),开关损耗小;
4.有较优良的线性区,并且场效应管(MOSFET)的输入电容比双极型的输入电容小得多,所以它的交
流输入阻抗极高;
噪声也小,最合适制作Hi-Fi音响;
5.功率场效应管(MOSFET)可以多个并联使用,增加输出电流而无需均流电阻。
功率场效应管(MOSFET)典型应用电路
1.电池反接保护电路
电池反接保护电路如图9所示。
一般防止电池接反损坏电路采用串接二极管的方法,在电池接反时,
PN结反接无电压降,但在正常工作时有0.6〜0.7V的管压降。
采用导通电阻低的增强型N沟道场效应管
(MOSFET)具有极小的管压降(RDS(ON)XID),女口Si9410DY的RDS(ON)约为0.04Q,则在IA时约为0.
04V。
这时要注意在电池正确安装时,ID并非完全通过管内的二极管,而是在VGS>
5V时,N导电沟道畅通(它相当于一个极小的电阻)而大部分电流是从S流向D的(ID为负)。
而当电池装反时,场效应管(MOSFET)不通,电路得以保护。
2.触摸调光电路
一种简单的触摸调光电路如图10。
当手指触摸上触头时,电容经手指电阻及100k充电,VGS渐增大,灯渐亮;
当触摸下触头时,电容经
100k及手指电阻放电,灯渐暗到灭。
3.甲类功率放大电路
由R1、R2建立VGS静态工作点(此时有一定的ID流过)。
当音频信号经过C1耦合到栅极,使产生-△VGS,则产生较大的厶ID,经输出变压器阻抗匹配,使4〜8Q喇叭输出较大的声功率。
图II中Dw为9V稳压二极管,是保护G、S极以免输入过高电压而击穿。
从图中也可以看出,偏置电阻的数值较大,因为栅极输入阻抗极高,并且无栅流。
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