MOS管驅(qū)動(dòng)電路總結(jié)與分析-MOS管驅(qū)動(dòng)電路經(jīng)典設(shè)計(jì)大全-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2019-03-19
mos管是金屬(metal)、氧化物(oxide)、半導(dǎo)體(semiconductor)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，或者稱是金屬—絕緣體(insulator)、半導(dǎo)體。MOS管的source和drain是可以對(duì)調(diào)的，他們都是在P型backgate中形成的N型區(qū)。在多數(shù)情況下，這個(gè)兩個(gè)區(qū)是一樣的，即使兩端對(duì)調(diào)也不會(huì)影響器件的性能。這樣的器件被認(rèn)為是對(duì)稱的。
場(chǎng)效應(yīng)管（FET），把輸入電壓的變化轉(zhuǎn)化為輸出電流的變化。FET的增益等于它的跨導(dǎo)， 定義為輸出電流的變化和輸入電壓變化之比。市面上常有的一般為N溝道和P溝道，詳情參考右側(cè)圖片（P溝道耗盡型MOS管）。而P溝道常見(jiàn)的為低壓mos管。
場(chǎng)效應(yīng)管通過(guò)投影一個(gè)電場(chǎng)在一個(gè)絕緣層上來(lái)影響流過(guò)晶體管的電流。事實(shí)上沒(méi)有電流流過(guò)這個(gè)絕緣體，所以FET管的GATE電流非常小。最普通的FET用一薄層二氧化硅來(lái)作為GATE極下的絕緣體。這種晶體管稱為金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)晶體管，或,金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）。因?yàn)镸OS管更小更省電，所以他們已經(jīng)在很多應(yīng)用場(chǎng)合取代了雙極型晶體管。
mos管學(xué)名是場(chǎng)效應(yīng)管，是金屬-氧化物-半導(dǎo)體型場(chǎng)效應(yīng)管，屬于絕緣柵型。本文就結(jié)構(gòu)構(gòu)造、特點(diǎn)、實(shí)用電路等幾個(gè)方面用工程師的話簡(jiǎn)單描述。其結(jié)構(gòu)示意圖：
MOS場(chǎng)效應(yīng)三極管分為：增強(qiáng)型（又有N溝道、P溝道之分）及耗盡型（分有N溝道、P溝道）。N溝道增強(qiáng)型MOSFET的結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào)見(jiàn)上圖。其中：電極 D（Drain） 稱為漏極，相當(dāng)雙極型三極管的集電極；
電極 G（Gate） 稱為柵極，相當(dāng)于的基極；
電極 S（Source）稱為源極，相當(dāng)于發(fā)射極。
驅(qū)動(dòng)電路(Drive Circuit)，位于主電路和控制電路之間，用來(lái)對(duì)控制電路的信號(hào)進(jìn)行放大的中間電路（即放大控制電路的信號(hào)使其能夠驅(qū)動(dòng)功率晶體管），稱為驅(qū)動(dòng)電路。
驅(qū)動(dòng)電路的作用：將控制電路輸出的PWM脈沖放大到足以驅(qū)動(dòng)功率晶體管—開(kāi)關(guān)功率放大作用。驅(qū)動(dòng)電路的作用： 將控制電路輸出的PWM脈沖放大到足以驅(qū)動(dòng)功率晶體管—開(kāi)關(guān)功率放大作用。
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，大部分人都會(huì)考慮MOS的導(dǎo)通電阻，最大電壓等，最大電流等，也有很多人僅僅考慮這些因素。這樣的電路也許是可以工作的，但并不是優(yōu)秀的，作為正式的產(chǎn)品設(shè)計(jì)也是不允許的。
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)），只要柵極電壓達(dá)到4V或10V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。
不管是NMOS還是PMOS，導(dǎo)通后都有導(dǎo)通電阻存在，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。現(xiàn)在的小功率MOS管導(dǎo)通電阻一般在幾十毫歐左右，幾毫歐的也有。
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，損失也越大。
導(dǎo)通瞬間電壓和電流的乘積很大，造成的損失也就很大。縮短開(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)。這兩種辦法都可以減小開(kāi)關(guān)損失。
跟雙極性晶體管相比，一般認(rèn)為使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。這個(gè)很容易做到，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。
第二注意的是，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。如果在同一個(gè)系統(tǒng)里，要得到比VCC大的電壓，就要專門的升壓電路了。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。
上邊說(shuō)的4V或10V是常用的MOS管的導(dǎo)通電壓，設(shè)計(jì)時(shí)當(dāng)然需要有一定的余量。而且電壓越高，導(dǎo)通速度越快，導(dǎo)通電阻也越小。現(xiàn)在也有導(dǎo)通電壓更小的MOS管用在不同的領(lǐng)域里，但在12V汽車電子系統(tǒng)里，一般4V導(dǎo)通就夠用了。
MOS管最顯著的特性是開(kāi)關(guān)特性好，所以被廣泛應(yīng)用在需要電子開(kāi)關(guān)的電路中，常見(jiàn)的如開(kāi)關(guān)電源和馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，也有照明調(diào)光。
MOS管驅(qū)動(dòng)電路幾個(gè)應(yīng)用
1、低壓應(yīng)用
當(dāng)使用5V電源，這時(shí)候如果使用傳統(tǒng)的圖騰柱結(jié)構(gòu)，由于三極管的be有0.7V左右的壓降，導(dǎo)致實(shí)際最終加在gate上的電壓只有4.3V。這時(shí)候，我們選用標(biāo)稱gate電壓4.5V的MOS管就存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。
同樣的問(wèn)題也發(fā)生在使用3V或者其他低壓電源的場(chǎng)合。
2、寬電壓應(yīng)用
輸入電壓并不是一個(gè)固定值，它會(huì)隨著時(shí)間或者其他因素而變動(dòng)。這個(gè)變動(dòng)導(dǎo)致PWM電路提供給MOS管的驅(qū)動(dòng)電壓是不穩(wěn)定的。
為了讓MOS管在高gate電壓下安全，很多MOS管內(nèi)置了穩(wěn)壓管強(qiáng)行限制gate電壓的幅值。在這種情況下，當(dāng)提供的驅(qū)動(dòng)電壓超過(guò)穩(wěn)壓管的電壓，就會(huì)引起較大的靜態(tài)功耗。
同時(shí)，如果簡(jiǎn)單的用電阻分壓的原理降低gate電壓，就會(huì)出現(xiàn)輸入電壓比較高的時(shí)候，MOS管工作良好，而輸入電壓降低的時(shí)候gate電壓不足，引起導(dǎo)通不夠徹底，從而增加功耗。
3、雙電壓應(yīng)用
在一些控制電路中，邏輯部分使用典型的5V或者3.3V數(shù)字電壓，而功率部分使用12V甚至更高的電壓。兩個(gè)電壓采用共地方式連接。
這就提出一個(gè)要求，需要使用一個(gè)電路，讓低壓側(cè)能夠有效的控制高壓側(cè)的MOS管，同時(shí)高壓側(cè)的MOS管也同樣會(huì)面對(duì)1和2中提到的問(wèn)題。
在這三種情況下，圖騰柱結(jié)構(gòu)無(wú)法滿足輸出要求，而很多現(xiàn)成的MOS驅(qū)動(dòng)IC，似乎也沒(méi)有包含gate電壓限制的結(jié)構(gòu)。
電路圖如下：
用于NMOS的驅(qū)動(dòng)電路
用于PMOS的驅(qū)動(dòng)電路
這里只針對(duì)NMOS驅(qū)動(dòng)電路做一個(gè)簡(jiǎn)單分析：
Vl和Vh分別是低端和高端的電源，兩個(gè)電壓可以是相同的，但是Vl不應(yīng)該超過(guò)Vh。
Q1和Q2組成了一個(gè)反置的圖騰柱，用來(lái)實(shí)現(xiàn)隔離，同時(shí)確保兩只驅(qū)動(dòng)管Q3和Q4不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通。
R2和R3提供了PWM電壓基準(zhǔn)，通過(guò)改變這個(gè)基準(zhǔn)，可以讓電路工作在PWM信號(hào)波形比較陡直的位置。
Q3和Q4用來(lái)提供驅(qū)動(dòng)電流，由于導(dǎo)通的時(shí)候，Q3和Q4相對(duì)Vh和GND最低都只有一個(gè)Vce的壓降，這個(gè)壓降通常只有0.3V左右，大大低于0.7V的Vce。
R5和R6是反饋電阻，用于對(duì)gate電壓進(jìn)行采樣，采樣后的電壓通過(guò)Q5對(duì)Q1和Q2的基極產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)烈的負(fù)反饋，從而把gate電壓限制在一個(gè)有限的數(shù)值。這個(gè)數(shù)值可以通過(guò)R5和R6來(lái)調(diào)節(jié)。
最后，R1提供了對(duì)Q3和Q4的基極電流限制，R4提供了對(duì)MOS管的gate電流限制，也就是Q3和Q4的Ice的限制。必要的時(shí)候可以在R4上面并聯(lián)加速電容。
這個(gè)電路提供了如下的特性：
1、用低端電壓和PWM驅(qū)動(dòng)高端MOS管。
2、用小幅度的PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)高gate電壓需求的MOS管。
3、gate電壓的峰值限制
4、輸入和輸出的電流限制
5、通過(guò)使用合適的電阻，可以達(dá)到很低的功耗。
6、PWM信號(hào)反相。NMOS并不需要這個(gè)特性，可以通過(guò)前置一個(gè)反相器來(lái)解決。
在設(shè)計(jì)便攜式設(shè)備和無(wú)線產(chǎn)品時(shí)，提高產(chǎn)品性能、延長(zhǎng)電池工作時(shí)間是設(shè)計(jì)人員需要面對(duì)的兩個(gè)問(wèn)題。DC-DC轉(zhuǎn)換器具有效率高、輸出電流大、靜態(tài)電流小等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于為便攜式設(shè)備供電。目前DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展主要趨勢(shì)有：
（1）高頻化技術(shù)：隨著開(kāi)關(guān)頻率的提高，開(kāi)關(guān)變換器的體積也隨之減小，功率密度也得到大幅提升，動(dòng)態(tài)響應(yīng)得到改善。小功率DC-DC轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率將上升到兆赫級(jí)。
（2）低輸出電壓技術(shù)：隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)的不斷發(fā)展，微處理器和便攜式電子設(shè)備的工作電壓越來(lái)越低，這就要求未來(lái)的DC-DC變換器能夠提供低輸出電壓以適應(yīng)微處理器和便攜式電子設(shè)備的要求。
這些技術(shù)的發(fā)展對(duì)電源芯片電路的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。首先，隨著開(kāi)關(guān)頻率的不斷提高，對(duì)于開(kāi)關(guān)元件的性能提出了很高的要求，同時(shí)必須具有相應(yīng)的開(kāi)關(guān)元件 驅(qū)動(dòng)電路以保證開(kāi)關(guān)元件在高達(dá)兆赫級(jí)的開(kāi)關(guān)頻率下正常工作。其次，對(duì)于電池供電的便攜式電子設(shè)備來(lái)說(shuō)，電路的工作電壓低（以鋰電池為例，工作電壓 2.5～3.6V），因此，電源芯片的工作電壓較低。
MOS管具有很低的導(dǎo)通電阻，消耗能量較低，在目前流行的高效DC－DC芯片中多采用MOS管作為功率開(kāi)關(guān)。但是由于MOS管的寄生電容大，一般情況下NMOS開(kāi)關(guān)管的柵極電容高達(dá)幾十皮法。這對(duì)于設(shè)計(jì)高工作頻率DC－DC轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。
在低電壓ULSI設(shè)計(jì)中有多種CMOS、BiCMOS采用自舉升壓結(jié)構(gòu)的邏輯電路和作為大容性負(fù)載的驅(qū)動(dòng)電路。這些電路能夠在低于1V電壓供電條件下正常 工作，并且能夠在負(fù)載電容1～2pF的條件下工作頻率能夠達(dá)到幾十兆甚至上百兆赫茲。本文正是采用了自舉升壓電路，設(shè)計(jì)了一種具有大負(fù)載電容驅(qū)動(dòng)能力的， 適合于低電壓、高開(kāi)關(guān)頻率升壓型DC－DC轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)電路。電路基于Samsung AHP615 BiCMOS工藝設(shè)計(jì)并經(jīng)過(guò)Hspice仿真驗(yàn)證，在供電電壓1.5V ，負(fù)載電容為60pF時(shí)，工作頻率能夠達(dá)到5MHz以上。
MOS管驅(qū)動(dòng)電路隔離技術(shù)一般使用光電耦合器或隔離變壓器（光耦合；磁耦合）。由于 MOSFET 的工作頻率及輸入阻抗高，容易被干擾，故驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)具有良好的電氣隔離性能，以實(shí)現(xiàn)主電路與控制電路之間的隔離，使之具有較強(qiáng)的抗干擾能力，避免功率級(jí)電路對(duì)控制信號(hào)的干擾。
光耦隔離驅(qū)動(dòng)可分為電磁隔離與光電隔離。采用脈沖變壓器實(shí)現(xiàn)電路的電磁隔離，是一種電路簡(jiǎn)單可靠，又具有電氣隔離作用的電路，但其對(duì)脈沖的寬度有較大限制，若脈沖過(guò)寬，磁飽和效應(yīng)可能使一次繞組的電流突然增大，甚至使其燒毀，而若脈沖過(guò)窄，為驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O關(guān)斷所存儲(chǔ)的能量可能不夠。光電隔 離，是利用光耦合器將控制信號(hào)回路和驅(qū)動(dòng)回路隔離開(kāi)。該驅(qū)動(dòng)電路輸出阻抗較小，解決了柵極驅(qū)動(dòng)源低阻抗的問(wèn)題，但由于光耦合器響應(yīng)速度較慢，因而其開(kāi)關(guān)延遲時(shí)間較長(zhǎng)，限制了適應(yīng)頻率。
光耦指的是可隔離交流或直流信號(hào)KCB EA。
1.由IF控制Ic；電流傳輸比CTR-Current Transfer Ratio
2.輸入輸出特性與普通三極管相似,電流傳輸比Ic/IF比三極管“β ”小;
3.可在線性區(qū)， 也可在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。 驅(qū)動(dòng)電路中， 一般工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。
典型光耦內(nèi)部電路圖
光耦的特點(diǎn)：
1. 參數(shù)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單
2. 輸出端需要隔離驅(qū)動(dòng)電源
3. 驅(qū)動(dòng)功率有限
光耦基本電路
磁耦合-變壓器隔離
磁耦合：用于傳送較低頻信號(hào)時(shí)—調(diào)制/解調(diào)磁耦合的特點(diǎn):
1.既可傳遞信號(hào)又可傳遞功率
2.頻率越高,體積越小-適合高頻應(yīng)用
受高頻調(diào)制的單向脈沖變壓器隔離電路
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