mos驅(qū)動匯總情況情況

1、word 1 / 9 大功率開關電源中功率mosfet 的驅(qū)動技術功率mosfet 具有導通電阻低、 負載電流大的優(yōu)點，因而非常適合用作開關電源switch-mode power supplies，smps 的整流組件，不過，在選用 mosfet 時有一些須知事項。功率mosfet 和雙極型晶體管不同，它的柵極電容比擬大，在導通之前要先對該電容充電，當電容電壓超過閾值電壓vgs-th 時 mosfet 才開始導通。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 的輸入電容 ciss和 ce

2、i 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柵極電容的一局部，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 millerqod-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?？梢钥吹剑瑸榱吮ＷCmosfet導通，用來對cgs充電的 vgs要比額定值高一些，而且cgs也要比 vth高。柵極電

3、荷除以vgs等于 cei，柵極電荷除以導通時間等于所需的驅(qū)動電流在規(guī)定的時間內(nèi)導通。用公式表示如下： qg = (cei)(vgs)ig = qg/t導通其中： 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)導通所需柵極驅(qū)動電流mosfet 驅(qū)動器的功耗對 mosfet 的柵極進展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 柵極的容性負載產(chǎn)生的驅(qū)動器功耗。mosfet 驅(qū)動器的功耗包含三局部：1. 由于 mosfet 柵極電容充電和放電產(chǎn)生

4、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 vf = 開關頻率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 ：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)動器交越導通穿通電流產(chǎn)生的功耗。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 得 出，三部 分 功 耗 中

5、只 有 一 個 與 mosfet 柵極電容充電和放電有關。這局部功耗通常是最高的，特別在很低的開關頻率時。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 mosfet 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

6、件有關：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。應確保用來計算功耗的柵極電荷值也滿足應用條件。word 2 / 9 從圖 1 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 = 400v 。利用 q = c * v 關系式，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。這明確當計算柵極電容值時，總柵極電容值應從總柵極電荷值推導而來。當使用電氣特性表中柵極電荷的最大值來進展最壞情況設計時，這個值應根據(jù)設計中的漏源電壓和柵源電

7、壓進展調(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：通過使用圖 1 的曲線并找到 12v 時對應的 qg 值可以得到 cg 的值。用 qg 除以 12v 就得到 cg 的值。 qg等于 cg * vg ， pc 公式可重寫為：word 3 / 9 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

8、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，也降低了交越傳導損耗。公式 3 顯示由于 mosfet 驅(qū)動器交越導通而產(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 溝道場效應管 fet在其導通和截止狀態(tài)之間切換時同時導通而引起的。交越導通特性在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。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

9、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通也增加。反之，減小驅(qū)動器電壓導致驅(qū)動器功耗減小。需要留意的一點是當使用雙路驅(qū)動器時，交越常數(shù)通常表示驅(qū)動器兩局部的工作。 如果只使用了驅(qū)動器的一局部，或者驅(qū)動器的兩局部工作在不同的頻率，對于驅(qū)動器每局部的計算，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，當驅(qū)動

10、器word 4 / 9 的電流驅(qū)動能力增加時，由于穿通電流導致的損耗也相應增加。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用的封裝。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。隨著硅片技術的進步，新 mosfet 可能與老器件具有一樣的管芯尺寸，卻具有較少的總柵極電荷。然

11、而，采用一樣硅片技術的mosfet 仍然使用于這個根本準如此，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。如下表 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 商 也 提 供 “低柵 極 電 荷版本 的 mosfet ，可以提供更快的開關時間和更低的柵極充電損耗。這些器件可以使應用工作在更高的速度，而的功率mosfet 的開關損耗更低，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)部和外部因素而導致 mosfet 驅(qū)動器產(chǎn)生功耗。所以必須計算出mosfe

12、t 驅(qū)動器的功率損耗，進而利用計算值為驅(qū)動器選擇正確的封裝和計算結(jié)溫。 在應用中使 mosfet 驅(qū)動器與 mosfet 匹配主要是根據(jù)功率 mosfet 導通和截止的速度快慢柵極電壓的上升和下降時間。任何應用中優(yōu)化的上升 / 下降時間取決于很多因素，例如 emi傳導和輻射，開關損耗，引腳 / 電路的感抗，以與開關頻率等。 mosfet 導通和截止的速度與 mosfet 柵極電容的充電和放電速度有關。 mosfet 柵極電容、導通和截止時間與 mosfet 驅(qū)動器的驅(qū)動電流的關系可以表示為：word 5 / 9 前面柵極電荷的關系為：上面的公式可重寫為：上述公式假設電流 i 使用的是恒流源。如

13、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)動能力通常在兩個條件之一下給出。這兩個條件為 mosfet 驅(qū)動器輸出短路到地或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 開始導通并且密勒效應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。設計示例：利用如下設計參數(shù)，可以計算出 mosfet 驅(qū)動器的峰值驅(qū)動電流：使用前面推導的公式：

14、word 6 / 9 這個公式得出的峰值驅(qū)動電流為 0.5a 。然而，設計參數(shù)中柵極驅(qū)動電壓為 12v 。在選擇適宜的驅(qū)動器時，這個參數(shù)也應在考慮之中。例如，您選擇的驅(qū)動器在 18v 時標稱電流為0.5a ， 如此在 12v 時，其峰值輸出電流將小于 0.5a 。基于這個原因， 對于這個特殊的應用，應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)動柵極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 /

15、下降時間以與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)動器電路如圖3 所示。這種配置常用于升壓 boost 、反激式和單開關的正激開關電源拓撲結(jié)構(gòu)中。采用正確的布板技巧和選擇適宜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致的 emi 噪聲。通過改換具

16、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 ： 當電路板走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 附近的應用中， 驅(qū)動器的輸出與 mosfet 的柵極之間存在電感，這會導致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，進而導致失效?？梢栽?mosfet 柵極和源極間增加一個齊納二極管對電壓進展鉗位，如圖 5 所示?？赡艿脑?，應使 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。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 顯示了單開關正激應用中使用的柵極驅(qū)動變壓器。 與 mo