详解MOSFET驱动电路的设计.docx

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1、详解MOSFET驱动电路的设计具体讲解MOSFET管驱动电路来源：电源网关键字：MOSFET构造开关驱动电路在使用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。这样的电路也许是能够工作的，但并不是优秀的，作为正式的产品设计也是不允许的。下面是我对MOSFET及MOSFET驱动电路基础的一点总结，其中参考了一些资料，非全部原创。包括MOS管的介绍，特性，驱动以及应用电路。1，MOS管种类和构造MOSFET管是FET的一种另一种是JFET，能够被制造成加强型或耗尽型，P沟道或N沟道共4种类型，但实际应用的只要加强型

2、的N沟道MOS管和加强型的P沟道MOS管，所以通常提到NMOS，或者PMOS指的就是这两种。至于为什么不使用耗尽型的MOS管，不建议刨根问底。对于这两种加强型MOS管，比拟常用的是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。MOS管的三个管脚之间有寄生电容存在，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费事一些，但没有办法避免，后边再具体介绍。在MOS管原理图上能够看到，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。顺便讲一

3、句，体二极管只在单个的MOS管中存在，在集成电路芯片内部通常是没有的。2，MOS管导通特性导通的意思是作为开关，相当于开关闭合。NMOS的特性，Vgs大于一定的值就会导通，合适用于源极接地时的情况低端驱动，只要栅极电压到达4V或10V就能够了。PMOS的特性，Vgs小于一定的值就会导通，合适用于源极接VCC时的情况高端驱动。但是，固然PMOS能够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。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，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

4、的MOS管会减小导通损耗。如今的小功率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，一定不是在霎时完成的。MOS两端的电压有一个下降的经过，流过的电流有一个上升的经过，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。导通霎时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，能够减小每次导通时的损失；降低开关频率，能够减小单位时间内的开关次数。这两种办法都能够减小开关损失。4，MOS管驱动跟双极性晶体管相比，一般以为使MOS管导通不需要电流，只要GS电压高于一定的值，就能够了。这个很容易

5、做到，但是，我们还需要速度。在MOS管的构造中能够看到，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，由于对电容充电霎时能够把电容看成短路，所以霎时电流会比拟大。选择/设计MOS管驱动时第一要注意的是可提供霎时短路电流的大小。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MOS管导通时源极电压与漏极电压VCC一样，所以这时栅极电压要比VCC大4V或10V。假如在同一个系统里，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适宜的外接电容，以得到足够的短路

6、电流去驱动MOS管。上边讲的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。如今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，能够参考Microchip公司的AN799MatchingMOSFETDriverstoMOSFETs。讲述得很具体，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。如今的MOS驱动，有几个十分的需求，1，低压应用当使用5V电源，这

7、时候假如使用传统的图腾柱构造，由于三极管的be有0.7V左右的压降，导致实际最终加在gate上的电压只要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电路提供应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，假如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拟高的时

8、候，MOS管工作良好，而输入电压降低的时候gate电压缺乏，引起导通不够彻底，进而增加功耗。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MOS管也同样会面对1和2中提到的问题。在这三种情况下，图腾柱构造无法知足输出要求，而很多现成的MOS驱动IC，似乎也没有包含gate电压限制的构造。于是我设计了一个相对通用的电路来知足这三种需求。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

9、驱动电路做一个简单分析：Vl和Vh分别是低端和高端的电源，两个电压能够是一样的，但是Vl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，能够让电路工作在PWM信号波形比拟陡直的位置。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最低都只要一个Vce的压降，这个压降通常只要0.3V左右，大大低于0.7V的Vce。R5和R6是反应电阻，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应，进而把gate电压限制在一个有限的数值。这个数

10、值能够通过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。必要的时候能够在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，通过使用适宜的电阻，能够到达很低的功耗。6，PWM信号反相。NMOS并不需要这个特性，能够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

11、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，这就要求将来的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

12、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讲，电路的工作电压低以锂电池为例，工作电压2.53.6V，因而，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DCDC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DCDC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采用自举升压构造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12pF的条件下工作频率能够到达

13、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，合适于低电压、高开关频率升压型DCDC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，工作频率能够到达5MHz以上。自举升压电路自举升压电路的原理图如图1所示。所谓的自举升压原理就是，在输入端IN输入一个方波信号，利用电容Cboot将A点电压抬升至高于VDD的电平，这样就能够在B端输出一个与输入信号反相，且高电平高于VDD的方波信号。详细工作原理如下。当VIN为高电平常，NMOS管N1导通，PMOS管P1截止，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两端电压UCVDD。由于N3导通，P4截止，所以B点的电位为低电平。这段时间称为预充电周期。当VIN变为低电平常，NMOS管N1截止，PMOS管P1导通，C点电位为高电平，约为VDD。同时N2、N3截止，P3导通。这使得P2的栅极电位升高，P2截止。此时A点电位等于C点电位加上电容Cboot两端电压，约为2VDD。而且P4导通，因而B点输出高电平，且高于VDD。这段时间称为自举升压周期。