mosfet驱动电路布局及自举升压布局双电压mosfet驱动电路剖析-KIA MOS管
信息来历：本站 日期：2018-12-20
mosfet驱动,跟双极性晶体管比拟，普通以为使MOS管导通不须要电流，只要GS电压高于必然的值，便能够或许或许了。这个很轻易做到，可是，咱们还须要速率。
在MOS管的布局中能够或许或许看到，在GS，GD之间存在寄生电容，而MOS管的驱动，现实上便是对电容的充放电。对电容的充电须要一个电流，因为对电容充电刹时能够或许或许把电容当作短路，以是刹时电流会比拟大。挑选/设想MOS管驱动时第一要注重的是可供给刹时短路电流的巨细。
第二注重的是，遍及用于高端驱动的NMOS，导通时须若是栅极电压大于源极电压。而高端驱动的MOS管导通时源极电压与漏极电压（VCC）不异，以是这时辰辰候 栅极电压要比VCC大4V或10V。若是在统一个体系里，要获得比VCC大的电压，就要特地的升压电路了。良多马达驱动器都集成了电荷泵，要注重的是应当 挑选合适的外接电容，以获得充足的短路电流去驱动MOS管。
4V或10V是经常操纵的MOS管的导通电压，设想时固然须要有必然的余量。并且电压越高，导通速率越快，导通电阻也越小。此刻也有导通电压更小的MOS管用在差别的范畴里，但在12V汽车电子体系里，普通4V导通就够用了。
MOS管的驱动电路及其丧失，能够或许或许参考Microchip公司的AN799 Matching MOSFET Drivers to MOSFETs。
1.高压操纵：当操纵5V电源，这时辰辰候候若是操纵传统的图腾柱布局，因为三极管的be有0.7V摆布的压降，致使现实终究加在gate上的电压只要4.3V。这时辰辰候候，咱们选用标称gate电压4.5V的MOS管就存在必然的危险。 一样的题目也发生在操纵3V或其余高压电源的场所。
2.宽电压操纵：输入电压并不是一个牢固值，它会跟着时辰或其余身分而变更。这个变更致使PWM电路供给给MOS管的驱动电压是不不变的。为了让MOS管在高gate电压下宁静，良多MOS管内置了稳压管强行限定gate电压的幅值。在这类环境下，当供给的驱动电压跨越稳压管的电压，就会引发较大的静态功耗。
同时，若是简略的用电阻分压的道理降落gate电压，就会呈现输入电压比拟高的时辰，MOS督任务杰出，而输入电压降落的时辰gate电压缺乏，引发导通不够完整，从而增添功耗。
3.双电压操纵：在一些节制电路中，逻辑局部操纵典范的5V或3.3V数字电压，而功率局部操纵12V乃至更高的电压。两个电压接纳共地体例毗连。这就提出一个请求，须要操纵一个电路，让高压侧能够或许或许有用的节制高压侧的MOS管，同时高压侧的MOS管也一样会晤对1和2中提到的题目。
在这三种环境下，图腾柱布局没法知足输入请求，而良多现成的MOS驱动IC，仿佛也不包罗gate电压限定的布局。
一个绝对通用的电路来知足这三种须要。
电路图以下：
用于NMOS的驱动电路
用于POMS的驱动电路
这里我只针对NMOS驱动电路做一个简略阐发：Vl和Vh别离是低端和高真个电源，两个电压能够或许或许是不异的，可是Vl不应当跨越Vh。Q1和Q2组成了一个反置的图腾柱，用来完成断绝，同时确保两只驱动管Q3和Q4不会同时导通。 R2和R3供给了PWM电压基准，经由过程转变这个基准，能够或许或许让电路任务在PWM旌旗灯号波形比拟陡直的地位。
Q3和Q4用来供给驱动电流，因为导通的时辰，Q3和Q4绝对Vh和GND最低都只要一个Vce的压降，这个压降通 常只要0.3V摆布，大大低于0.7V的Vce。 R5和R6是反应电阻，用于对gate电压停止采样，采样后的电压经由过程Q5对Q1和Q2的基极发生一个激烈的负反应， 从而把gate电压限定在一个无限的数值。这个数值能够或许或许经由过程R5和R6来调理。
最初，R1供给了对Q3和Q4的基极电流限定，R4供给了对MOS管的gate电流限定，也便是Q3和Q4的Ice的限 制。须要的时辰能够或许或许在R4下面并联加快电容。
这个电路供给了以下的特征：
1，用低端电压和PWM驱动高端MOS管。
2，用小幅度的PWM旌旗灯号驱动高gate电压须要的MOS管。
3，gate电压的峰值限定
4，输入和输入的电流限定
5，经由过程操纵合适的电阻，能够或许或许到达很低的功耗。
6，PWM旌旗灯号反相。NMOS并不须要这个特征，能够或许或许经由过程前置一个反相器来处置。
在设想便携式装备和无线产物时，进步产物机能、耽误电池任务时辰是设想职员须要面临的两个题目。DC-DC转换器具备用率高、输入电流大、静态电流小等长处，很是合用于为便携式装备供电。今朝DC-DC转换器设想手艺成长首要趋向有：
(1)高频化手艺：跟着开关频次的进步，开关变更器的体积也随之减小，功率密度也获得大幅晋升，静态呼应获得改良。小功率DC-DC转换器的开关频次将回升到兆赫级。
(2)低输入电压手艺：跟着半导体制作手艺的不时成长，微处置器和便携式电子装备的任务电压愈来愈低，这就请求将来的DC-DC变更器能够或许或许供给低输入电压以顺应微处置器和便携式电子装备的请求，这些手艺的成长对电源芯片电路的设想提出了更高的请求。
起首，跟着开关频次的不时进步，对开关元件的机能提出了很高的请求，同时必须具备呼应的开关元件驱动电路以保障开关元件在高达兆赫级的开关频次下普通任务。其次，对电池供电的便携式电子装备来讲，电路的任务电压低(以锂电池为例，任务电压2.5～3.6V)，是以，电源芯片的任务电压较低。
MOS管具备很低的导通电阻，耗损能量较低，在今朝风行的高效DC-DC芯片中多接纳MOS管作为功率开关。可是因为MOS管的寄生电容大，普通环境下NMOS开关管的栅极电容高达几十皮法。这对设想高任务频次DC-DC转 换器开关管驱动电路的设想提出了更高的请求。
在低电压ULSI设想中有多种CMOS、BiCMOS接纳自举升压布局的逻辑电路和作为大容性负载的驱动电路。这些电路能够或许或许在低于1V电压供电前提下普通任务，并且能够或许或许在负载电容1～2pF的前提下任务频次能够或许或许到达几十兆乃至上百兆赫兹。本文恰是接纳了自举升压电路，设想了一种具备大负载电容驱动才能的，合适于低电压、高开关频次升压型DC-DC转换器的驱动电路。电路基于Samsung AHP615 BiCMOS工艺设想并颠末Hspice仿真考证，在供电电压1.5V ，负载 电容为60pF时，任务频次能够或许或许到达5MHz以上。
自举升压电路的道理图如图1所示。所谓的自举升压道理便是，在输入端IN输入一个方波旌旗灯号，操纵电容Cboot将A点电压抬升至高于VDD的电平，如许便能够或许或许在B端输入一个与输入旌旗灯号反相，且高电平高于VDD的方波旌旗灯号。具体任务道理以下：
自举升压电路道理图
当VIN为高电日常平凡，NMOS管N1导通，PMOS管P1停止，C点电位为低电平。同时N2导通，P2的栅极电位 为低电平，则P2导通。这就使得此时A点电位约为VDD，电容Cboot两头电压UC≈VDD。因为N3导通，P4停止，以是B点的电位为低电平。这段时辰称为预充电周期。
当VIN变为低电日常平凡，NMOS管N1停止，PMOS管P1导通，C点电位为高电平，约为VDD。同时N2、N3停止，P3导通。这使得P2的栅极电位下降，P2停止。此时A点电位即是C点电位加上电容Cboot 两头电压，约为2VDD。并且P4导通，是以B点输入高电平，且高于VDD。这段时辰称为自举升压周期。
输入端IN电路与A、B两点电位关
现实上，B点电位与负载电容和电容Cboot的巨细有关，能够或许或许按照设想须要调剂。具体干系将在先容电路具体设想时具体会商。在图2中给出了输入端IN电位与A、B两点电位干系的表示图。
图中给出了驱动电路的电路图。驱动电路接纳Totem输入布局设想，上拉驱动管为NMOS管N4、晶体管Q1和PMOS管P5。下拉驱动管为NMOS管N5。图中CL为负载电容，Cpar为B点的寄生电容。虚线框内的电路为自举升压电路。
驱动电路道理图
本驱动电路的设想思惟是，操纵自举升压布局将上拉驱动管N4的栅极(B点)电位抬升，使得UB>VDD+VTH ，则NMOS管N4任务在线性区，使得VDSN4 大大减小，终究能够或许或许完成驱动输入高电平到达VDD。而在输入低电日常平凡，下拉驱动管自身就任务在线性区，能够或许或许保障输入低电平位GND。是以无需增添自举电路也能到达设想请求。
斟酌到此驱动电路操纵于升压型DC-DC转换器的开关管驱动，负载电容CL很大，普通能到达几十皮法，还须要进一步增添输入电流才能，是以增添了晶体管Q1作为上拉驱动管。如许在输入端由高电平变为低电日常平凡，Q1导通，由N4、Q1同时供给电流，OUT端电位敏捷回升，当OUT端电位回升到VDD-VBE时，Q1停止，N4持续供给电流对负载电容充电，直到OUT端电压到达VDD。
驱动电路传输特征瞬态呼应
在OUT端为高电平时代，A点电位会因为电容Cboot 上的电荷泄露等缘由此降落。这会使得B点电位降落，N4 的导通性降落。同时因为一样的缘由，OUT端电位也会有所降落，使输入高电平不能坚持在VDD。为了避免这类景象的呈现，又增添了PMOS管P5作为上拉驱动管，用来补充OUT端CL的泄露电荷，保持OUT端在全部导通周期内为高电平。
驱动电路的传输特征瞬态呼应在图4中给出。此中(a)为回升沿瞬态呼应，(b)为降落沿瞬态呼应。从图4中能够或许或许看出，驱动电路回升沿较着分为了三个局部，别离对应三个上拉驱动管起主导感化的时代。1阶段为Q1、N4配合感化，输入电压敏捷抬升，2阶段为N4起主导作，使输入电平到达VDD，3阶段为P5起主导感化，保持输入高电平为VDD。并且还能够或许或许延长回升时辰，降落时辰知足任务频次在兆赫兹级以上的请求。
功率MOSFET属于电压型节制器件，只要栅极和源极之间施加的电压跨越其阀值电压就会导通。因为MOSFET存在结电容，关断时其漏源两头电压的俄然 回升将会经由过程结电容在栅源两头发生搅扰电压。经常操纵的互补驱动电路的关断回路阻抗小，关断速率较快，但它不能供给负压，故抗搅扰性较差。为了进步电路的抗干 扰性，可在此种驱动电路的根本上增添一级有V1、V2、R组成的电路，发生一个负压，电路道理图以下图所示。
供给负压的互补电路
当V1导通时，V2关断，两个MOSFET中的上管的栅、源极放电，下管的栅、源极充电，即上管关断，下管导通，则被驱动的功率管关断；反之V1关断 时，V2导通，上管导通，下管关断，使驱动的管子导通。因为高低两个管子的栅、源极经由过程差别的回路充放电，包罗有V2的回路，因为V2会不时加入饱和直至 关断，以是对S1而言导通比关断要慢，对S2而言导通比关断要快，以是两管发烧水平也不完整一样，S1比S2发烧严峻。
该驱动电路的错误谬误是须要双电源，且因为R的取值不能过大，不然会使V1深度饱和，影响关断速率，以是R上会有必然的消耗。
（1）正激式驱动电路。电路道理以下图（a）所示，N3为去磁绕组，S2为所驱动的功率管。R2为避免功率管栅极、源极度电压振荡的一个阻尼电阻。因不请求漏感较小，且赶快率方面斟酌，普通R2较小，故在阐发中疏忽不计。
正激驱动电路
其等效电路图以下图（b）所示脉冲不请求的副边并联一电阻R1，它做为正激变更器的假负载，用于消弭关断时代输入电压发生振荡而误导通。同时它还可 以作为功率MOSFET关断时的能量泄放回路。该驱动电路的导通速率首要与被驱动的S2栅极、源极等效输入电容的巨细、S1的驱动旌旗灯号的速率和S1所能 供给的电流巨细有关。由仿真及阐发可知，占空比D越小、R1越大、L越大，磁化电流越小，U1值越小，关断速率越慢。该电路具备以下长处：
①电路布局简略靠得住，完成了断绝驱动。
②只要单电源便可供给导通时的正、关断时负压。
③占空比牢固时，经由过程公道的参数设想，此驱动电路也具备较快的开关速率。
该电路存在的错误谬误：一是因为断绝变压器副边须要噎嗝假负载防振荡，故电路消耗较大；二是当占空比变更时关断速率变更较大。脉宽较窄时，因为是贮存的能量削减致使MOSFET栅极的关断速率变慢。
（2）有断绝变压器的互补驱动电路。以下图所示，V1、V2为互补任务，电容C起断绝直流的感化，T1为高频、高磁率的磁环或磁罐。
断绝变压器的互补驱动电路
导通时断绝变压器上的电压为（1-D）Ui、关断时为D Ui，若主功率管S靠得住导通电压为12V，而断绝变压器原副边匝比N1/N2为12/[（1-D）Ui]。为保障导通时代GS电压不变C值可稍取大些。该电路具备以下长处：
①电路布局简略靠得住，具备电气断绝感化。当脉宽变更时，驱动的关断才能不会跟着变更。
②该电路只要一个电源，即为单电源任务。隔直电容C的感化能够或许或许在关断所驱动的管子时供给一个负压，从而加快了功率管的关断，且有较高的抗搅扰才能。
但该电路存在的一个较大错误谬误是输入电压的幅值会跟着占空比的变更而变更。当D较小时，负向电压小，该电路的抗搅扰性变差，且正向电压较高，应当注重使其 幅值不跨越MOSFET栅极的许可电压。当D大于0.5时驱动电压正向电压小于其负向电压，此时应当注重使其负电压值不跨越MOAFET栅极许可电压。所 以该电路比拟合用于占空比牢固或占空比变更规模不大和占空比小于0.5的场所。
（3）集成芯片UC3724/3725组成的驱动电路
电路组成以下图所示。此中UC3724用来发生高频载波旌旗灯号，载波频次由电容CT和电阻RT决议。普通载波频次小于600kHz，4脚和6脚两头发生 高频调制波，经高频小磁环变压器断绝后送到UC3725芯片7、8两脚经UC3725停止调制后获得驱动旌旗灯号，UC3725外部有一肖特基整流桥同时将 7、8脚的高频调制波整流成一直流电压供驱动所需功率。普通来讲载波频次越高驱动延时越小，但太高抗搅扰变差；
断绝变压器磁化电感越大磁化电流越 小，UC3724发烧越少，但太大使匝数增加致使寄生参数影响变大，一样会使抗搅扰才能降落。按照尝试数据得出：对开关频次小于100kHz的旌旗灯号普通 取（400～500）kHz载波频次较好，变压器选用较高磁导如5K、7K等高频环形磁芯，其原边磁化电感小于约1毫亨摆布为好。
这类驱动电路仅合适于信 号频次小于100kHz的场所，因旌旗灯号频次绝对载波频次太高的话，绝对延时太多，且所需驱动功率增大，UC3724和UC3725芯片发烧温升较高，故 100kHz以上开关频次仅对较小极电容的MOSFET才能够或许或许。对1kVA摆布开关频次小于100kHz的场所，它是一种杰出的驱动电路。该电路具备以 下特色：单电源任务，节制旌旗灯号与驱动完成断绝，布局简略尺寸较小，特别合用于占空比变更不肯定或旌旗灯号频次也变更的场所。
集成芯片UC3724/UC3725组成的驱动电路
接洽体例：邹师长教师
接洽德律风：0755-83888366-8022
手机：18123972950
QQ：2880195519
接洽地点：深圳市福田区车公庙天安数码城天吉大厦CD座5C1
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