MOS管參數(shù)詳解及驅(qū)動電阻選擇

1、MOS管參數(shù)解釋MOS管介紹在使用MOS管設(shè)計開關(guān)電源或者馬達驅(qū)動電路的時候，一般都要考慮MOS的導通電阻，最大電壓等，最大電流等因素。MOSFET管是FET的一種，可以被制造成增強型或耗盡型，P溝道或N溝道共4種類型，一般主要應用的為增強型的NMOS管和增強型的PMOS管，所以通常提到的就是這兩種。這兩種增強型MOS管，比較常用的是NMOS。原因是導通電阻小且容易制造。所以開關(guān)電源和馬達驅(qū)動的應用中，一般都用NMOS。在MOS管內(nèi)部，漏極和源極之間會寄生一個二極管。這個叫體二極管，在驅(qū)動感性負載(如馬達)，這個二極管很重要，并且只在單個的MOS管中存在此二極管，在集成電路芯片內(nèi)部通常是沒有的

2、。MOS管的三個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)計或選擇驅(qū)動電路的時候要麻煩一些，但沒有辦法避免。MOS管導通特性導通的意思是作為開關(guān)，相當于開關(guān)閉合。NMOS的特性，Vgs大于一定的值就會導通，適合用于源極接地時的情況(低端驅(qū)動)，只要柵極電壓達到一定電壓（如4V或10V, 其他電壓，看手冊）就可以了。PMOS的特性，Vgs小于一定的值就會導通，適合用于源極接VCC時的情況(高端驅(qū)動)。但是，雖然PMOS可以很方便地用作高端驅(qū)動，但由于導通電阻大，價格貴，替換種類少等原因，在高端驅(qū)動中，通常還是使用NMOS。MOS開關(guān)管損失不管是N

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

4、這兩種辦法都可以減小開關(guān)損失。MOS管驅(qū)動MOS管導通不需要電流，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，實際上就是對電容的充放電。對電容的充電需要一個電流，因為對電容充電瞬間可以把電容看成短路，所以瞬間電流會比較大。選擇/設(shè)計MOS管驅(qū)動時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)動的NMOS，導通時需要是柵極電壓大于源極電壓。而高端驅(qū)動的MOS管導通時源極電壓與漏極電壓(VCC)相同，所以這時柵極電壓要比VCC大(4V或10V其他電壓，看手冊)。如果在同一個系統(tǒng)里，要得到比VCC大的電

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

6、沖DS電流.會隨溫度的升高而降低，體現(xiàn)一個抗沖擊能力，跟脈沖時間也有關(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:    最大存儲溫度Iar:     雪崩電流Ear:     重復雪崩擊穿能量Eas:     單次脈沖雪崩擊穿能量BVdss：  DS擊穿電壓Idss: &#

7、160;  飽和DS電流，uA級的電流Igss:    GS驅(qū)動電流，nA級的電流.gfs:     跨導Qg:      G總充電電量Qgs:     GS充電電量 Qgd:     GD充電電量Td(on):  導通延遲時間，從有輸入電壓上升到10%開始到Vds下降到其幅值90%的時間Tr:      上升時間，輸出電壓 V

8、DS 從 90% 下降到其幅值 10% 的時間Td(off): 關(guān)斷延遲時間，輸入電壓下降到 90% 開始到 VDS 上升到其關(guān)斷電壓時 10% 的時間Tf:      下降時間，輸出電壓 VDS 從 10% 上升到其幅值 90% 的時間 ( 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)動的優(yōu)化設(shè)計

9、 1 概述    MOS管的驅(qū)動對其工作效果起著決定性的作用。設(shè)計師既要考慮減少開關(guān)損耗，又要求驅(qū)動波形較好即振蕩小、過沖小、EMI小。這兩方面往往是互相矛盾的，需要尋求一個平衡點，即驅(qū)動電路的優(yōu)化設(shè)計。驅(qū)動電路的優(yōu)化設(shè)計包含兩部分內(nèi)容：一是最優(yōu)的驅(qū)動電流、電壓的波形；二是最優(yōu)的驅(qū)動電壓、電流的大小。在進行驅(qū)動電路優(yōu)化設(shè)計之前，必須先清楚MOS管的模型、MOS管的開關(guān)過程、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)對驅(qū)動的影響。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。

10、圖1中各部分的物理意義為：    （1）LG和LG代表封裝端到實際的柵極線路的電感和電阻。    （2）C1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。    （3）C2+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。當柵極電壓從0升到開啟電壓UGS（th）時，C4使整個柵源電容增加10%15%。    （4）C3+C5是由一個固定大小的電介質(zhì)電容和一個可變電容構(gòu)成，當漏極電壓改變

11、極性時，其可變電容值變得相當大。    （5）C6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管的開通過程    開關(guān)管的開關(guān)模式電路如圖2所示，二極管可是外接的或MOS管固有的。開關(guān)管在開通時的二極管電壓、電流波形如圖3所示。在圖3的階段1開關(guān)管關(guān)斷，開關(guān)電流為零，此時二極管電流和電感電流相等；在階段2開關(guān)導通，開關(guān)電流上升，同時二極管電流下降。開關(guān)電流上升的斜率和二極管電流下降的斜率的

12、絕對值相同，符號相反；在階段3開關(guān)電流繼續(xù)上升，二極管電流繼續(xù)下降，并且二極管電流符號改變，由正轉(zhuǎn)到負；在階段4，二極管從負的反向最大電流IRRM開始減小，它們斜率的絕對值相等；在階段5開關(guān)管完全開通，二極管的反向恢復完成，開關(guān)管電流等于電感電流。    圖4是存儲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電荷少時，反向電壓的斜率大，并且會產(chǎn)生有害的振動。而前置電流低則存儲電荷少，即在空載或輕載時是最壞條件。所以進行優(yōu)化驅(qū)動電路設(shè)計時應著重考慮前置電流低的情況，即空載或輕載的情況，應使這時二極管產(chǎn)生的振動在可接受范圍內(nèi)。4 柵極電荷QG和驅(qū)動效果的關(guān)

13、系    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)動電流值與開通時間之積或柵極電容值與柵極電壓之積。現(xiàn)在大部分MOS管的柵極電荷QG值從幾十納庫侖到一、兩百納庫侖。    柵極電荷QG包含了兩個部分：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升到門限值（約3V）所需電荷；QGD是漏極電壓下降時克服“Miller”效應所需電荷，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，也就是在這時候需要驅(qū)動尖峰電流限制，這

14、由芯睡內(nèi)部完成或外接電阻完成。實際的QG還可以略大，以減小等效RON，但是太大也無益，所以10V到12V的驅(qū)動電壓是比較合理的。這還包含一個重要的事實：需要一個高的尖峰電流以減小MOS管損耗和轉(zhuǎn)換時間。    重要是的對于IC來說，MOS管的平均電容負荷并不是MOS管的輸入電容Ciss,而是等效輸入電容Ceff(Ceff=QG/UGS)，即整個0<UGS<UGS(th)的等效電容，而Ciss只是UGS=0時的等效電容。    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

15、而減小。QGD的大部分用來減小UDS從關(guān)斷電壓到UGS(th)產(chǎn)生的“Miller”效應。QG波形第三段的等效負載電容是：5 優(yōu)化柵極驅(qū)動設(shè)計    在大多數(shù)的開關(guān)功率應用電路中，當柵極被驅(qū)動，開關(guān)導通時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。為了解決問題可以增加柵極驅(qū)動電流，但增加柵極驅(qū)動上升斜率又將帶來過沖、振蕩、EMI等問題。優(yōu)化柵極驅(qū)動設(shè)計，正是在互相矛盾的要求中尋求一個平衡點，而這個平衡點就是開關(guān)導通時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)動波形如圖6所示。    圖6的UG

16、S波形包括了這樣幾部分：UGS第一段是快速上升到門限電壓；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。當然，要得到完全一樣的驅(qū)動波形是很困難的，但是可以得到一個大概的驅(qū)動電流波形，其上升時間等于理想的漏極電壓下降時間或漏極電流上升的時間，并且具有足夠的尖峰值來充電開關(guān)期間的較大等效電容。該柵極尖峰電流IP的計算是：電荷必須完全滿足開關(guān)時期的寄生電容所需。UG(th)6 應用實例    在筆者設(shè)計的48V50A電路中采用雙晶體管正激式變換電路，

17、其開關(guān)管采用IXFH24N50，其參數(shù)為：    根據(jù)如前所述，驅(qū)動電壓、電流的理想波形不應該是一條直線，而應該是如圖6所示的波形。實驗波形見圖7。7 結(jié)論    本文詳細介紹了MOS管的電路模型、開關(guān)過程、輸入輸出電容、等效電容、電荷存儲等對MOS管驅(qū)動波形的影響，及根據(jù)這些參數(shù)對驅(qū)動波形的影響進行的驅(qū)動波形的優(yōu)化設(shè)計實例，取得了較好的實際效果。影響MOSFET開關(guān)速度除了其本身固有Tr,Tf外,還有一個重要的參數(shù):Qg (柵極總靜電荷容量).該參數(shù)與柵極驅(qū)動電路的輸出內(nèi)阻共同構(gòu)成了一個時間參數(shù),影響著MOSFET的性能(你主板的M

18、OSFET的柵極驅(qū)動電路就集成在IRU3055這塊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)動內(nèi)阻小到可以忽略的情況下測出的,實際應用中就不一樣了,特別是柵極驅(qū)動集成在PWM芯片中的電路,從PWM到MOSFET柵極的布線的寬度,長度,都會深刻影響MOSFET的性能.如果PWM的輸出內(nèi)阻本來就不低,加上MOS管的Qg又大,那么不論其Tr,Tf如何優(yōu)秀,都可能會大大增加上升和下降的時間2 6 p5 X7 g/ O$ r' S4 Q, B( |偶認為,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間決定高側(cè)MOSFET的開關(guān)速度和損耗.看從哪個角度出發(fā)。電荷瀉放慢，說明時間常數(shù)大。時間常數(shù)是Cis