針對應用選擇正確的MOSFET驅(qū)動器

1、    針對應用選擇正確的MOSFET驅(qū)動器        Cliff E 時間:2009年12月08日     字 體: 大 中 小        關鍵詞:        從功能上講，MOSFET驅(qū)動器將邏輯信號轉(zhuǎn)變成較高的電壓和電流，以很短的響應時間驅(qū)動MOSFET柵極的開和

2、關。例如，使用MOSFET驅(qū)動器可以將一個5V、低電流的單片機輸出信號轉(zhuǎn)變成一個18V、幾安培的驅(qū)動信號來作為功率MOSFET的輸入。針對應用選擇正確的MOSFET驅(qū)動器，需要對與MOSFET柵極電荷和工作頻率相關的功耗有透徹的理解。例如，不管柵極電壓的轉(zhuǎn)變快或慢，MOSFET柵極充電或放電時所需的能量是相同的。MOSFET驅(qū)動器的功耗性能由以下三個關鍵因素決定：1 MOSFET柵極電容的充電和放電引起的功耗；2 MOSFET驅(qū)動器靜態(tài)電流引起的功耗；3 MOSFET驅(qū)動器內(nèi)的交越導通（直通）電流引起的功耗。其中，由MOSFET柵極電容的充電和放電引起的功耗是最重要的，特別是當開關頻率較低時。

3、功耗由式(1)計算得出。Pc=Cg×Vdd2×F              (1)其中，Cg是MOSFET的柵極電容；Vdd是MOSFET驅(qū)動器的工作電壓（V）；F是開關頻率。峰值驅(qū)動電流的重要性除了功耗，設計人員必須理解MOSFET驅(qū)動器要求的峰值驅(qū)動電流和相關的開關時間。在某一應用中，MOSFET驅(qū)動器和MOSFET的匹配由該應用要求的功率MOSFET的開關速度決定。在任何應用中，最理想的上升或下降時間基于多方面的要求，如電磁干擾（EMI）、

4、開關損耗、引線/電路感應系數(shù)和開關頻率。柵極電容、轉(zhuǎn)變時間和MOSFET驅(qū)動器的額定電流之間的關系由式(2)表示：dT=dV×C/I               (2)其中，dT是開關時間；dV是柵極電壓；C是柵極電容；I是MOSFET峰值驅(qū)動電流。MOSFET柵極總電容完全可以由柵極總電荷（QG）決定。柵極電荷QG由式(3)得出：QG=C×V        

5、;           (3)最后得出I=QG/dT。在這種方法中，假定電流是恒定的。有一個不錯的經(jīng)驗是：電流的平均值等于MOSFET驅(qū)動器額定峰值電流的二分之一。MOSFET驅(qū)動器的功率由驅(qū)動器的輸出峰值電流驅(qū)動能力決定。額定峰值電流通常是相對最大偏壓而言的。這就是說，如果使用的MOSFET驅(qū)動器的偏壓較低，那么它的峰值電流驅(qū)動能力也將被削弱。例如，所需的MOSFET峰值驅(qū)動電流可通過以下供應商數(shù)據(jù)手冊中的設計參數(shù)計算得出。MOSFET柵極電荷為20nC（Q），MOSFET柵極電壓為12V（d

6、V），開/關時間為40ns（dT），可得I=0.5A。設計人員還可采用另外一種方法來選擇合適的MOSFET驅(qū)動器，即時間恒定法。在這種方法中，用到了MOSFET驅(qū)動器電阻、任何一個外部柵極電阻和集中電容。Tcharge=(Rdriver+Rgate)×Ctotal)×TC  (4)這里，Rdriver是輸出驅(qū)動器級的導通電阻（RDS-ON）；Rgate是驅(qū)動器和MOSFET柵極間任何一個外部柵極電阻；Ctotal是柵極總電容；TC是時間常數(shù)的值。例如，Qtotal=68nC，Vgate=10V，Tcharge=50nsec，TC=3，Rgate=0，Rdriver

7、=(Tcharge/TC×Ctotal)-Rgate，可得Rdriver=2.45。 當式(4)表示一個R-C時間常數(shù)時，采用TC為3意味著充電后，電容充電量達到充電電壓的95%。在柵極電壓達到6V時，大多數(shù)的MOSFET完全處于“開”的狀態(tài)。基于此，TC值為1時（即充電量達到充電電壓的63%時）可能就滿足應用需求了，并且允許使用額定電流更低的驅(qū)動器IC。電機控制應用中的MOSFET驅(qū)動器選擇讓我們來設計一個示例，即為電機控制應用選擇一個MOSFET驅(qū)動器，在電機控制應用中，電機的速度和旋轉(zhuǎn)方向是變化的。該應用要求用于電機的電壓是可調(diào)的。通常，電機類型、功率開關拓撲和功率開

8、關元件將指定必需的柵極驅(qū)動電路以實現(xiàn)這種要求。第一步是為該應用選擇正確的功率開關元件，它由被驅(qū)動電機的額定功率來決定。一個需要考慮的重要參數(shù)是啟動電流值，它的值最高可以達到穩(wěn)態(tài)工作電流值的3倍。在電機驅(qū)動應用中，主要有兩種功率開關元件可供選擇MOSFET和IGBT。如果選擇MOSFET，那么就可以得出柵極驅(qū)動應用中MOSFET驅(qū)動器的額定功率。如圖1所示，器件的輸入級把輸入的低電壓信號轉(zhuǎn)化成電壓覆蓋全范圍（GND到Vdd）的信號。MOSFET Q1和Q2代表的是MOSFET驅(qū)動器的上拉和下拉輸出驅(qū)動器級。將MOSFET驅(qū)動器的輸出級看作MOSFET的一個推挽對，就容易理解它是如何工作的。圖1

9、MOSFET驅(qū)動器示例的電路框圖對于同相驅(qū)動器，當輸入信號變?yōu)楦邞B(tài)時，Q1和Q2共同的柵極信號被拉低。該柵極節(jié)點的電壓從Vdd轉(zhuǎn)變到GND所需的時間通常少于10ns。這種快速轉(zhuǎn)變抑制了在Q1和Q2之間產(chǎn)生交越導通的時間，并且使Q1迅速地達到其完全增強態(tài)，以盡快實現(xiàn)峰值電流。除圖1的示例外，還有其他的MOSFET驅(qū)動器電路結構。當電機被驅(qū)動時，功率開關元件和柵極驅(qū)動電路是已知的，可以根據(jù)上面的公式(4)或公式(5)來選擇MOSFET。使用電子數(shù)據(jù)表選擇MOSFET驅(qū)動器當選定MOSFET后，可以使用由供應商提供的電子數(shù)據(jù)表來選擇一個合適的MOSFET驅(qū)動器，這種便于使用的工具能快速地確定MOSFET驅(qū)動器所需峰值電流。首先，選擇一個MOSFET，并將它的數(shù)據(jù)手冊放在手邊?，F(xiàn)在，在正確的框中填入輸入條件的值，例如MOSFET的源漏電壓（Vds）、MOSFET的柵源電壓（Vgs）、MOSFET驅(qū)動器電壓（Vdd）、開關頻率、占空比、預估的上升