MOS管參數(shù)詳解及驅(qū)動(dòng)電阻選擇

1、MOS管參數(shù)解釋MOS管介紹在使用MOS管設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源或者馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電路的時(shí)候，一般都要考慮MOS的導(dǎo)通電阻，最大電壓等，最大電流等因素。MOSFET管是FET的一種，可以被制造成增強(qiáng)型或耗盡型，P溝道或N溝道共4種類型，一般主要應(yīng)用的為增強(qiáng)型的NMOS管和增強(qiáng)型的PMOS管，所以通常提到的就是這兩種。這兩種增強(qiáng)型MOS管，比較常用的是NMOS。原因是導(dǎo)通電阻小且容易制造。所以開(kāi)關(guān)電源和馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用中，一般都用NMOS。在MOS管內(nèi)部，漏極和源極之間會(huì)寄生一個(gè)二極管。這個(gè)叫體二極管，在驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載(如馬達(dá))，這個(gè)二極管很重要，并且只在單個(gè)的MOS管中存在此二極管，在集成電路芯片內(nèi)部通常是沒(méi)有的

2、。MOS管的三個(gè)管腳之間有寄生電容存在，這不是我們需要的，而是由于制造工藝限制產(chǎn)生的。寄生電容的存在使得在設(shè)計(jì)或選擇驅(qū)動(dòng)電路的時(shí)候要麻煩一些，但沒(méi)有方法防止。MOS管導(dǎo)通特性導(dǎo)通的意思是作為開(kāi)關(guān)，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合。NMOS的特性，Vgs大于一定的值就會(huì)導(dǎo)通，適合用于源極接地時(shí)的情況(低端驅(qū)動(dòng))，只要柵極電壓到達(dá)一定電壓如4V或10V, 其他電壓，看手冊(cè)就可以了。PMOS的特性，Vgs小于一定的值就會(huì)導(dǎo)通，適合用于源極接VCC時(shí)的情況(高端驅(qū)動(dòng))。但是，雖然PMOS可以很方便地用作高端驅(qū)動(dòng)，但由于導(dǎo)通電阻大，價(jià)格貴，替換種類少等原因，在高端驅(qū)動(dòng)中，通常還是使用NMOS。MOS開(kāi)關(guān)管損失不管是NMO

3、S還是PMOS，導(dǎo)通后都有導(dǎo)通電阻存在，因而在DS間流過(guò)電流的同時(shí)，兩端還會(huì)有電壓，這樣電流就會(huì)在這個(gè)電阻上消耗能量，這部分消耗的能量叫做導(dǎo)通損耗。選擇導(dǎo)通電阻小的MOS管會(huì)減小導(dǎo)通損耗?，F(xiàn)在的小功率MOS管導(dǎo)通電阻一般在幾毫歐，幾十毫歐左右MOS在導(dǎo)通和截止的時(shí)候，一定不是在瞬間完成的。MOS兩端的電壓有一個(gè)下降的過(guò)程，流過(guò)的電流有一個(gè)上升的過(guò)程，在這段時(shí)間內(nèi)，MOS管的損失是電壓和電流的乘積，叫做開(kāi)關(guān)損失。通常開(kāi)關(guān)損失比導(dǎo)通損失大得多，而且開(kāi)關(guān)頻率越快，導(dǎo)通瞬間電壓和電流的乘積很大，造成的損失也就很大。降低開(kāi)關(guān)時(shí)間，可以減小每次導(dǎo)通時(shí)的損失；降低開(kāi)關(guān)頻率，可以減小單位時(shí)間內(nèi)的開(kāi)關(guān)次數(shù)。這兩

4、種方法都可以減小開(kāi)關(guān)損失。MOS管驅(qū)動(dòng)MOS管導(dǎo)通不需要電流，只要GS電壓高于一定的值，就可以了。但是，我們還需要速度。在MOS管的結(jié)構(gòu)中可以看到，在GS，GD之間存在寄生電容，而MOS管的驅(qū)動(dòng)，實(shí)際上就是對(duì)電容的充放電。對(duì)電容的充電需要一個(gè)電流，因?yàn)閷?duì)電容充電瞬間可以把電容看成短路，所以瞬間電流會(huì)比較大。選擇/設(shè)計(jì)MOS管驅(qū)動(dòng)時(shí)第一要注意的是可提供瞬間短路電流的大小。普遍用于高端驅(qū)動(dòng)的NMOS，導(dǎo)通時(shí)需要是柵極電壓大于源極電壓。而高端驅(qū)動(dòng)的MOS管導(dǎo)通時(shí)源極電壓與漏極電壓(VCC)相同，所以這時(shí)柵極電壓要比VCC大(4V或10V其他電壓，看手冊(cè))。如果在同一個(gè)系統(tǒng)里，要得到比VCC大的電壓，

5、就要專門(mén)的升壓電路了。很多馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器都集成了電荷泵，要注意的是應(yīng)該選擇合適的外接電容，以得到足夠的短路電流去驅(qū)動(dòng)MOS管。Mosfet參數(shù)含義說(shuō)明Features:Vds：    DS擊穿電壓.當(dāng)Vgs=0V時(shí)，MOS的DS所能承受的最大電壓Rds(on)：DS的導(dǎo)通電阻.當(dāng)Vgs=10V時(shí)，MOS的DS之間的電阻Id：     最大DS電流.會(huì)隨溫度的升高而降低Vgs:     最大GS電壓.一般為：-20V+20VIdm:     最大脈沖D

6、S電流.會(huì)隨溫度的升高而降低，表達(dá)一個(gè)抗沖擊能力，跟脈沖時(shí)間也有關(guān)系Pd:      最大耗散功率Tj:      最大工作結(jié)溫，通常為150度和175度Tstg:    最大存儲(chǔ)溫度Iar:     雪崩電流Ear:     重復(fù)雪崩擊穿能量Eas:     單次脈沖雪崩擊穿能量BVdss：  DS擊穿電壓Idss: 

7、0;  飽和DS電流，uA級(jí)的電流Igss:    GS驅(qū)動(dòng)電流，nA級(jí)的電流.gfs:     跨導(dǎo)Qg:      G總充電電量Qgs:     GS充電電量 Qgd:     GD充電電量Td(on):  導(dǎo)通延遲時(shí)間，從有輸入電壓上升到10%開(kāi)始到Vds下降到其幅值90%的時(shí)間Tr:      上升時(shí)間，輸出電壓 VDS

8、 從 90% 下降到其幅值 10% 的時(shí)間Td(off): 關(guān)斷延遲時(shí)間，輸入電壓下降到 90% 開(kāi)始到 VDS 上升到其關(guān)斷電壓時(shí) 10% 的時(shí)間Tf:      下降時(shí)間，輸出電壓 VDS 從 10% 上升到其幅值 90% 的時(shí)間 ( 參考圖 4) 。 Ciss:    輸入電容，Ciss=Cgd + Cgs.Coss:    輸出電容，Coss=Cds +Cgd. Crss:    反向傳輸電容，Crss=Cgc. MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)&#

9、160;1 概述    MOS管的驅(qū)動(dòng)對(duì)其工作效果起著決定性的作用。設(shè)計(jì)師既要考慮減少開(kāi)關(guān)損耗，又要求驅(qū)動(dòng)波形較好即振蕩小、過(guò)沖小、EMI小。這兩方面往往是互相矛盾的，需要尋求一個(gè)平衡點(diǎn)，即驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)。驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)包含兩部分內(nèi)容：一是最優(yōu)的驅(qū)動(dòng)電流、電壓的波形；二是最優(yōu)的驅(qū)動(dòng)電壓、電流的大小。在進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電路優(yōu)化設(shè)計(jì)之前，必須先清楚MOS管的模型、MOS管的開(kāi)關(guān)過(guò)程、MOS管的柵極電荷以及MOS管的輸入輸出電容、跨接電容、等效電容等參數(shù)對(duì)驅(qū)動(dòng)的影響。2 MOS管的模型    MOS管的等效電路模型及寄生參數(shù)如圖1所示。圖1

10、中各部分的物理意義為：    1LG和LG代表封裝端到實(shí)際的柵極線路的電感和電阻。    2C1代表從柵極到源端N+間的電容，它的值是由結(jié)構(gòu)所固定的。    3C2+C4代表從柵極到源極P區(qū)間的電容。C2是電介質(zhì)電容，共值是固定的。而C4是由源極到漏極的耗盡區(qū)的大小決定，并隨柵極電壓的大小而改變。當(dāng)柵極電壓從0升到開(kāi)啟電壓UGSth時(shí)，C4使整個(gè)柵源電容增加10%15%。    4C3+C5是由一個(gè)固定大小的電介質(zhì)電容和一個(gè)可變電容構(gòu)成，當(dāng)漏極電壓改變極性時(shí)，其可變電容值變得

11、相當(dāng)大。    5C6是隨漏極電壓變換的漏源電容。    MOS管輸入電容Ciss、跨接電容Crss、輸出電容Coss和柵源電容、柵漏電容、漏源電容間的關(guān)系如下：3 MOS管的開(kāi)通過(guò)程    開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)模式電路如圖2所示，二極管可是外接的或MOS管固有的。開(kāi)關(guān)管在開(kāi)通時(shí)的二極管電壓、電流波形如圖3所示。在圖3的階段1開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，開(kāi)關(guān)電流為零，此時(shí)二極管電流和電感電流相等；在階段2開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)電流上升，同時(shí)二極管電流下降。開(kāi)關(guān)電流上升的斜率和二極管電流下降的斜率的絕對(duì)值相同，符號(hào)相反；在階段3開(kāi)關(guān)電流繼

12、續(xù)上升，二極管電流繼續(xù)下降，并且二極管電流符號(hào)改變，由正轉(zhuǎn)到負(fù)；在階段4，二極管從負(fù)的反向最大電流IRRM開(kāi)始減小，它們斜率的絕對(duì)值相等；在階段5開(kāi)關(guān)管完全開(kāi)通，二極管的反向恢復(fù)完成，開(kāi)關(guān)管電流等于電感電流。    圖4是存儲(chǔ)電荷高或低的兩種二極管電流、電壓波形。從圖中可以看出存儲(chǔ)電荷少時(shí)，反向電壓的斜率大，并且會(huì)產(chǎn)生有害的振動(dòng)。而前置電流低則存儲(chǔ)電荷少，即在空載或輕載時(shí)是最壞條件。所以進(jìn)行優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)著重考慮前置電流低的情況，即空載或輕載的情況，應(yīng)使這時(shí)二極管產(chǎn)生的振動(dòng)在可接受范圍內(nèi)。4 柵極電荷QG和驅(qū)動(dòng)效果的關(guān)系   

13、柵極電荷QG是使柵極電壓從0升到10V所需的柵極電荷，它可以表示為驅(qū)動(dòng)電流值與開(kāi)通時(shí)間之積或柵極電容值與柵極電壓之積?，F(xiàn)在大部分MOS管的柵極電荷QG值從幾十納庫(kù)侖到一、兩百納庫(kù)侖。    柵極電荷QG包含了兩個(gè)部分：柵極到源極電荷QGS；柵極到漏極電荷QGD即“Miller”電荷。QGS是使柵極電壓從0升到門(mén)限值約3V所需電荷；QGD是漏極電壓下降時(shí)克服“Miller”效應(yīng)所需電荷，這存在于UGS曲線比較平坦的第二段如圖5所示，此時(shí)柵極電壓不變、柵極電荷積聚而漏極電壓急聚下降，也就是在這時(shí)候需要驅(qū)動(dòng)尖峰電流限制，這由芯睡內(nèi)部完成或外接電阻完成。實(shí)際的QG還可以略

14、大，以減小等效RON，但是太大也無(wú)益，所以10V到12V的驅(qū)動(dòng)電壓是比較合理的。這還包含一個(gè)重要的事實(shí)：需要一個(gè)高的尖峰電流以減小MOS管損耗和轉(zhuǎn)換時(shí)間。    重要是的對(duì)于IC來(lái)說(shuō)，MOS管的平均電容負(fù)荷并不是MOS管的輸入電容Ciss,而是等效輸入電容Ceff(Ceff=QG/UGS)，即整個(gè)0<UGS<UGS(th)的等效電容，而Ciss只是UGS=0時(shí)的等效電容。    漏極電流在QG波形的QGD階段出現(xiàn)，該段漏極電壓依然很高，MOS管的損耗該段最大，并隨UDS的減小而減小。QGD的大部分用來(lái)減小UDS從關(guān)斷電壓到

15、UGS(th)產(chǎn)生的“Miller”效應(yīng)。QG波形第三段的等效負(fù)載電容是：5 優(yōu)化柵極驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)    在大多數(shù)的開(kāi)關(guān)功率應(yīng)用電路中，當(dāng)柵極被驅(qū)動(dòng)，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)漏極電流上升的速度是漏極電壓下降速度的幾倍，這將造成功率損耗增加。為了解決問(wèn)題可以增加?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)電流，但增加?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)上升斜率又將帶來(lái)過(guò)沖、振蕩、EMI等問(wèn)題。優(yōu)化柵極驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，正是在互相矛盾的要求中尋求一個(gè)平衡點(diǎn)，而這個(gè)平衡點(diǎn)就是開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)漏極電流上升的速度和漏極電壓下降速度相等這樣一種波形，理想的驅(qū)動(dòng)波形如圖6所示。    圖6的UGS波形包括了這樣幾部分：UGS第一段是快速上升到

16、門(mén)限電壓；UGS第二段是比較緩的上升速度以減慢漏極電流的上升速度，但此時(shí)的UGS也必須滿足所需的漏極電流值；UGS第四段快速上升使漏極電壓快速下降；UGS第五段是充電到最后的值。當(dāng)然，要得到完全一樣的驅(qū)動(dòng)波形是很困難的，但是可以得到一個(gè)大概的驅(qū)動(dòng)電流波形，其上升時(shí)間等于理想的漏極電壓下降時(shí)間或漏極電流上升的時(shí)間，并且具有足夠的尖峰值來(lái)充電開(kāi)關(guān)期間的較大等效電容。該柵極尖峰電流IP的計(jì)算是：電荷必須完全滿足開(kāi)關(guān)時(shí)期的寄生電容所需。UG(th)6 應(yīng)用實(shí)例    在筆者設(shè)計(jì)的48V50A電路中采用雙晶體管正激式變換電路，其開(kāi)關(guān)管采用IXFH24N50，其參數(shù)為：

17、60;   根據(jù)如前所述，驅(qū)動(dòng)電壓、電流的理想波形不應(yīng)該是一條直線，而應(yīng)該是如圖6所示的波形。實(shí)驗(yàn)波形見(jiàn)圖7。7 結(jié)論    本文詳細(xì)介紹了MOS管的電路模型、開(kāi)關(guān)過(guò)程、輸入輸出電容、等效電容、電荷存儲(chǔ)等對(duì)MOS管驅(qū)動(dòng)波形的影響，及根據(jù)這些參數(shù)對(duì)驅(qū)動(dòng)波形的影響進(jìn)行的驅(qū)動(dòng)波形的優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例，取得了較好的實(shí)際效果。影響MOSFET開(kāi)關(guān)速度除了其本身固有Tr,Tf外,還有一個(gè)重要的參數(shù):Qg (柵極總靜電荷容量).該參數(shù)與柵極驅(qū)動(dòng)電路的輸出內(nèi)阻共同構(gòu)成了一個(gè)時(shí)間參數(shù),影響著MOSFET的性能(你主板的MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)電路就集成在IRU3055這

18、塊PWM控制芯片內(nèi)); r6 0 k" S/ l3 4 u, r/ W廠家給出的Tr,Tf值,是在柵極驅(qū)動(dòng)內(nèi)阻小到可以忽略的情況下測(cè)出的,實(shí)際應(yīng)用中就不一樣了,特別是柵極驅(qū)動(dòng)集成在PWM芯片中的電路,從PWM到MOSFET柵極的布線的寬度,長(zhǎng)度,都會(huì)深刻影響MOSFET的性能.如果PWM的輸出內(nèi)阻本來(lái)就不低,加上MOS管的Qg又大,那么不管其Tr,Tf如何優(yōu)秀,都可能會(huì)大大增加上升和下降的時(shí)間2 6 p5 X7 g/ O$ r' S4 Q, B( |偶認(rèn)為,BUCK同步變換器中,高側(cè)MOS管的Qg比RDS等其他參數(shù)更重要,另外,柵極驅(qū)動(dòng)內(nèi)阻與Qg的配合也很重要,一定 程度上就是由它的充電時(shí)間決定高側(cè)MOSFET的開(kāi)關(guān)速度和損耗.看從哪個(gè)角度出發(fā)。電荷瀉放慢，說(shuō)明時(shí)間常數(shù)大。時(shí)間常數(shù)是Ciss與Rgs的