MOS管驅動電路設計經驗

MOS管驅動電路設計經驗
在使用MOS管設計開關電源或者馬達驅動電路的時候，大部分人都會考慮MOS的導通電阻，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，但並不是優秀的，作為正式的產品設計也是不允許的。
下面是我對MOSFET及MOSFET驅動電路基礎的一點總結，其中參考了一些資料，非全部原創。包括MOS管的介紹，特性，驅動以及應用電路。
1、MOS管種類和結構
MOSFET管是FET的一種(另一種是JFET)，可以被製造成增強型或耗盡型，P溝道或N溝道共4種類型，但實際應用的只有增強型的N溝道MOS管和增強型的P溝道MOS管，所以通常提到NMOS，或者PMOS指的就是這兩種。右圖是這兩種MOS管的符號。

至於為什麼不使用耗盡型的MOS管，不建議刨根問底。
對於這兩種增強型MOS管，比較常用的是NMOS。原因是導通電阻小且容易製造。所以開關電源和馬達驅動的應用中，一般都用NMOS。下面的介紹中，也多以NMOS為主。
在MOS管原理圖上可以看到，漏極和源極之間有一個寄生二極體。這個叫體二極體，在驅動感性負載(如馬達)，這個二極體很重要。順便說一句，體二極體只在單個的MOS管中存在，在集成電路晶元內部通常是沒有的。下圖是MOS管的構造圖，通常的原理圖中都畫成右圖所示的樣子。
(柵極保護用二極體有時不畫)
MOS管的三個管腳之間有寄生電容存在，如右圖所示。這不是我們需要的，而是由於製造工藝限制產生的。寄生電容的存在使得在設計或選擇驅動電路的時候要麻煩一些，但沒有辦法避免，在MOS管的驅動電路設計時再詳細介紹。

2、MOS管導通特性
導通的意思是作為開關，相當於開關閉合。
NMOS的特性，Vgs大於一定的值就會導通，適合用於源極接地時的情況(低端驅動)，只要柵極電壓達到4V或10V就可以了。
PMOS的特性，Vgs小於一定的值就會導通，使用與源極接VCC時的情況(高端驅動)。但是，雖然PMOS可以很方便地用作高端驅動，但由於導通電阻大，價格貴，替換種類少等原因，在高端驅動中，通常還是使用NMOS。
右圖是瑞薩2SK3418的Vgs電壓和Vds電壓的關係圖。可以看出小電流時，Vgs達到4V，DS間壓降已經很小，可以認為導通。

3、MOS開關管損失
不管是NMOS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(如2SK3418特性圖所示)，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。現在的小功率MOS管導通電阻一般在幾十毫歐左右，幾毫歐的也有。
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，MOS管的損失是電壓和電流的乘積，叫做開關損失。通常開關損失比導通損失大得多，而且開關頻率越快，損失也越大。
下圖是MOS管導通時的波形。可以看出，導通瞬間電壓和電流的乘積很大，造成的損失也就很大。降低開關時間，可以減小每次導通時的損失；降低開關頻率，可以減小單位時間內的開關次數。這兩種辦法都可以減小開關損失。

4、MOS管驅動
跟雙極性晶體管相比，一般認為使MOS管導通不需要電流，只要GS電壓高於一定的值，就可以了。這個很容易做到，但是，我們還需要速度。 在MOS管的結構中可以看到，在GS，GD之間存在寄生電容，而MOS管的驅動，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/設計MOS管驅動時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，普遍用於高端驅動的NMOS，導通時需要是柵極電壓大於源極電壓。而高端驅動的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。如果在同一個系統里，要得到比VCC大的電壓，就要專門的升壓電路了。很多馬達驅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動MOS管。
上邊說的4V或10V是常用的MOS管的導通電壓，設計時當然需要有一定的余量。而且電壓越高，導通速度越快，導通電阻也越小。現在也有導通電壓更小的MOS管用在不同的領域裡，但在12V汽車電子系統里，一般4V導通就夠用了。
MOS管的驅動電路及其損失，可以參考Microchip公司的AN799 Matching MOSFET Drivers to MOSFETs。講述得很詳細，所以不打算多寫了。
5、MOS管應用電路
MOS管最顯著的特性是開關特性好，所以被廣泛應用在需要電子開關的電路中，常見的如開關電源和馬達驅動，也有照明調光。這三種應用在各個領域都有詳細的介紹，這裡暫時不多寫了。以後有時間再總結。