N溝道場效應管開關電路-N溝道開關電路圖設計應用詳解-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2018-07-05
MOSFET一直是大多數(shù)N溝道場效應管開關電路電源（SMPS）選擇的晶體管技術。MOSFET用作主開關晶體管，并用作門控整流器來提高效率。本設計實例對P溝道和N溝道增強型MOSFET做了比較，以便選擇最適合電源應用的開關。MOSFET一直是大多數(shù)開關電源（SMPS）首選的晶體管技術。當用作門控整流器時，MOSFET是主開關晶體管且兼具提高效率的作用。為選擇最適合電源應用的開關，本設計實例對P溝道和N溝道增強型MOSFET進行了比較。
對市場營銷人員，MOSFET可能代表能源傳遞最佳方案（Most Optimal Solution for Energy Transfer）的縮寫。對工程師來說，它代表金屬氧化物半導體場效應晶體管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）。
由于具有較低的導通電阻（RDS(on)）和較小尺寸，N溝道MOSFET在產(chǎn)品選擇上超過了P溝道。在降壓穩(wěn)壓器應用中，基于柵控電壓極性、器件尺寸和串聯(lián)電阻等多種因素，使用P溝道MOSFET或N溝道MOSFET作為主N溝道場效應管開關電路。同步整流器應用幾乎總是使用N溝道技術，這主要是因為N溝道的RDS(on)小于P溝道的，并且通過在柵極上施加正電壓導通。
MOSFET多數(shù)是載流子器件， N溝道MOSFET在導電過程中有電子流動。 P溝道在導電期間使用被稱為空穴的正電荷。電子的流動性是空穴的三倍。盡管沒有直接的相關性，就RDS(on)而言，為得到相等的值，P溝道的管芯尺寸大約是N溝道的三倍。因此N溝道的管芯尺寸更小。
N溝道場效應管開關電路N溝道MOSFET在柵-源極端子上施加適當閾值的正電壓時導通；P溝道MOSFET通過施加給定的負的柵-源極電壓導通。
MOSFET的柵控決定了它們在SMPS轉換器中的應用。例如，N溝道MOSFET更適用于以地為參考的低側開關，特別是用于升壓、SEPIC、正向和隔離反激式轉換器。在同步整流器應用以及以太網(wǎng)供電（PoE）輸入整流器中，低側開關也被用來代替二極管作為整流器。P溝道MOSFET最常用作輸入電壓低于15VDC的降壓穩(wěn)壓器中的高側開關。根據(jù)應用的不同，N溝道場效應管開關電路N溝道MOSFET也可用作降壓穩(wěn)壓器高側開關。這些應用需要自舉電路或其它形式的高側驅動器。
極性決定了MOSFET的圖形符號。不同之處在于體二極管和箭頭符號相對于端子的方向。
極性決定了MOSFET的工作特性。 對N溝道器件為正的電流和電壓對P溝道器件為負值。
在有充足電壓施加到柵-源極端子的歐姆區(qū)域（ohmic region），MOSFET“完全導通”。在對比圖中，N溝道歐姆區(qū)的VGS是7V，而P溝道的是-4.5V。
隨著柵極電壓增加，歐姆曲線的斜率變得更陡，表明器件導電能力更強。施加的柵極電壓越高，MOSFET的RDS(on)就越小。在某些應用中，對MOSFET進行柵控的是可以提供令人滿意的RDS(on)的電壓。額外的柵極電壓會因?C x Vgs x Vgs x f產(chǎn)生功耗，其中柵極電荷和N溝道場效應管開關電路頻率在確定MOSFET技術的最終工作點和選用方面起著重要作用。
MOSFET既可工作在第一象限，也可工作在第三象限。沒有施加柵-源極電壓時，寄生體二極管導通。當柵極沒有電壓時，流入漏極的電流類似于典型的二極管曲線。
施加柵極電壓時，根據(jù)VGS的值會產(chǎn)生非線性曲線。當VGS超過10V時，N溝道MOSFET完全在第三象限歐姆區(qū)內工作。然而，當柵極電壓低于10V時，二極管電壓鉗位于各種漏極電流水平。在非線性曲線中見到的彎曲是二極管和歐姆區(qū)之間的轉變點。
在使用N溝道場效應管開關電路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，但并不是優(yōu)秀的，作為正式的產(chǎn)品設計也是不允許的。
MOSFET管是FET的一種(另一種是JFET)，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，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。
至于為什么不使用耗盡型的MOS管，不建議刨根問底。
對于這兩種增強型MOS管，比較常用的是NMOS。原因是導通電阻小，且容易制造。所以N溝道場效應管開關電路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。
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計或選擇驅動電路的時候要麻煩一些，但沒有辦法避免，后邊再詳細介紹。
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管。這個叫體二極管，在驅動感性負載(如馬達)，這個二極管很重要。順便說一句，體二極管只在單個的MOS管中存在，在集成電路芯片內部通常是沒有的。
導通的意思是作為N溝道場效應管開關電路，相當于開關閉合。
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(低端驅動)，只要柵極電壓達到4V或10V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(高端驅動)。但是，雖然PMOS可以很方便地用作高端驅動，但由于導通電阻大，價格貴，替換種類少等原因，在高端驅動中，通常還是使用NMOS。
不管是NMOS還是PMOS，導通后都有導通電阻存在，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(xiàn)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N溝道場效應管開關電路頻率越快，損失也越大。
導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(shù)。這兩種辦法都可以減小開關損失。
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電壓高于一定的值，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，普遍用于高端驅動的NMOS，導通時需要是柵極電壓大于源極電壓。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(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(xiàn)在也有導通電壓更小的MOS管用在不同的領域里，但在12V汽車電子系統(tǒng)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。
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。
在使用MOSFET設計開關電源時，大部分人都會考慮MOSFET的導通電阻、最大電壓、最大電流。但很多時候也僅僅考慮了這些因素，這樣的電路也許可以正常工作，但并不是一個好的設計方案。更細致的，MOSFET還應考慮本身寄生的參數(shù)。對一個確定的MOSFET，其驅動電路，驅動腳輸出的峰值電流，上升速率等，都會影響MOSFET的開關性能。
當電源IC與MOS管選定之后， 選擇合適的驅動電路來連接電源IC與MOS管就顯得尤其重要了。
MOSFET驅動電路有以下幾點要求：
(1)開關管開通瞬時，驅動電路應能提供足夠大的充電電流使MOSFET柵源極間電壓迅速上升到所需值，保證開關管能快速開通且不存在上升沿的高頻振蕩。
(2)開關導通期間驅動電路能保證MOSFET柵源極間電壓保持穩(wěn)定且可靠導通。
(3)關斷瞬間驅動電路能提供一個盡可能低阻抗的通路供MOSFET柵源極間電容電壓的快速泄放，保證開關管能快速關斷。
(4)驅動電路結構簡單可靠、損耗小。
(5)根據(jù)情況施加隔離。
下面介紹幾個模塊電源中常用的MOSFET驅動電路
圖 1 IC直接驅動MOSFET
電源IC直接驅動是我們最常用的驅動方式，同時也是最簡單的驅動方式，使用這種驅動方式，應該注意幾個參數(shù)以及這些參數(shù)的影響。第一，查看一下電源IC手冊，其最大驅動峰值電流，因為不同芯片，驅動能力很多時候是不一樣的。第二，了解一下MOSFET的寄生電容，如圖 1中C1、C2的值。如果C1、C2的值比較大，MOS管導通的需要的能量就比較大，如果電源IC沒有比較大的驅動峰值電流，那么管子導通的速度就比較慢。如果驅動能力不足，上升沿可能出現(xiàn)高頻振蕩，即使把圖 1中Rg減小，也不能解決問題! IC驅動能力、MOS寄生電容大小、N溝道場效應管開關電路速度等因素，都影響驅動電阻阻值的選擇，所以Rg并不能無限減小。
如果選擇MOS管寄生電容比較大，電源IC內部的驅動能力又不足時，需要在驅動電路上增強驅動能力，常使用圖騰柱電路增加電源IC驅動能力，其電路圖 2虛線框所示。
圖 2 圖騰柱驅動MOS
這種驅動電路作用在于，提升電流提供能力，迅速完成對于柵極輸入電容電荷的充電過程。這種拓撲增加了導通所需要的時間，但是減少了關斷時間，開關管能快速開通且避免上升沿的高頻振蕩。
圖 3 加速MOS關斷
關斷瞬間驅動電路能提供一個盡可能低阻抗的通路供MOSFET柵源極間電容電壓快速泄放，保證N溝道場效應管開關電路管能快速關斷。為使柵源極間電容電壓的快速泄放，常在驅動電阻上并聯(lián)一個電阻和一個二極管，如圖 3所示，其中D1常用的是快恢復二極管。這使關斷時間減小，同時減小關斷時的損耗。Rg2是防止關斷的時電流過大，把電源IC給燒掉。
圖 4 改進型加速MOS關斷
在第二點介紹的圖騰柱電路也有加快關斷作用。當電源IC的驅動能力足夠時，對圖 2中電路改進可以加速MOS管關斷時間，得到如圖 4所示電路。用三極管來泄放柵源極間電容電壓是比較常見的。如果Q1的發(fā)射極沒有電阻，當PNP三極管導通時，柵源極間電容短接，達到最短時間內把電荷放完，最大限度減小關斷時的交叉損耗。與圖 3拓撲相比較，還有一個好處，就是柵源極間電容上的電荷泄放時電流不經(jīng)過電源IC，提高了可靠性。
圖 5 隔離驅動
為了滿足如圖 5所示高端MOS管的驅動，經(jīng)常會采用變壓器驅動，有時為了滿足安全隔離也使用變壓器驅動。其中R1目的是抑制PCB板上寄生的電感與C1形成LC振蕩，C1的目的是隔開直流，通過交流，同時也能防止磁芯飽和。
當源極輸出為高電壓的情況時，我們需要采用偏置電路達到電路工作的目的，既我們以源極為參考點，搭建偏置電路，驅動電壓在兩個電壓之間波動，驅動電壓偏差由低電壓提供，如下圖6所示。
圖6 源極輸出為高電壓時的驅動電路
除了以上驅動電路之外，還有很多其它形式的驅動電路。對于各種各樣的驅動電路并沒有一種驅動電路是最好的，只有結合具體應用，選擇最合適的驅動。
(1)開關管開通瞬時,驅動電路應能提供足夠大的充電電流使MOSFET柵源極間電壓迅速上升到所需值,保證開關管能快速開通且不存在上升沿的高頻振蕩;
(2)開關管導通期間驅動電路能保證MOSFET柵源極間電壓保持穩(wěn)定使可靠導通;
(3)關斷瞬間驅動電路能提供一個盡可能低阻抗的通路供MOSFET柵源極間電容電壓的快速泄放,保證開關管能快速關斷;
(4)關斷期間驅動電路最好能提供一定的負電壓避免受到干擾產(chǎn)生誤導通;
(5)另外要求驅動電路結構簡單可靠,損耗小,最好有隔離。
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