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原創經典:開關電源設計中MOSFET驅動技術圖解

發布時間:2013-08-07 來源:電子元件技術網論壇 責任編輯:Cynthiali

【導讀】MOSFET作為功率開關管,已經是開關電源領域的絕對主力器件。雖MOSFET作為電壓型驅動器件,其驅動表面上看來是非常簡單,但是詳細分析起來并不簡單。什么叫驅動能力?驅動的快慢對MOS的開關有什么影響?驅動電阻到底選多大?如果開通和關斷的速度要分別調節,怎么辦?……解析MOSFET的驅動技術,這些問題都可以在本文工程師的原創經典中找到答案。

首先,來做一個實驗,把一個MOSFET的G懸空,然后在DS上加電壓,那么會出現什么情況呢?很多工程師都知道,MOS會導通甚至擊穿。這是為什么呢?因為根本沒有加驅動電壓,MOS怎么會導通?用下面的圖,來做個仿真:

原創經典:開關電源設計中MOSFET驅動技術圖解

去探測G極的電壓,發現電壓波形如下:

原創經典:開關電源設計中MOSFET驅動技術圖解-電子元件技術網

G極的電壓居然有4V多,難怪MOSFET會導通,這是因為MOSFET的寄生參數在搗鬼。

這種情況有什么危害呢?實際情況下,MOS肯定有驅動電路的么,要么導通,要么關掉。問題就出在開機或者關機的時候,最主要是開機的時候,此時驅動電路還沒上電。但是輸入上電了,由于驅動電路沒有工作,G級的電荷無法被釋放,就容易導致MOS導通擊穿。那么怎么解決呢?

在GS之間并一個電阻

原創經典:開關電源設計中MOSFET驅動技術圖解-電子元件技術網

那么仿真的結果呢:

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幾乎為0V。

下頁內容:什么叫驅動能力和驅動電阻?
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什么叫驅動能力?

很多PWM芯片或者專門的驅動芯片都會說驅動能力,比如384X的驅動能力為1A,其含義是什么呢?

假如驅動是個理想脈沖源,那么其驅動能力就是無窮大,想提供多大電流就給多大。但實際中,驅動是有內阻的,假設其內阻為10歐姆,在10V電壓下,最多能提供的峰值電流就是1A,通常也認為其驅動能力為1A。

什么叫驅動電阻呢?

通常驅動器和MOS的G極之間,會串一個電阻,就如下圖的R3。

原創經典:開關電源設計中MOSFET驅動技術圖解-電子元件技術網

驅動電阻的作用,如果驅動走線很長,驅動電阻可以對走線電感和MOS結電容引起的震蕩起阻尼作用。但是通常,現在的PCB走線都很緊湊,走線電感非常小。

第二個,重要作用就是調解驅動器的驅動能力,調節開關速度。當然只能降低驅動能力,而不能提高。

對上圖進行仿真,R3分別取1歐姆,和100歐姆。下圖是MOS的G極的電壓波形上升沿。

原創經典:開關電源設計中MOSFET驅動技術圖解-電子元件技術網

紅色波形為R3=1歐姆,綠色為R3=100歐姆。可以看到,當R3比較大時,驅動就有點力不從心了,特別在處理米勒效應的時候,驅動電壓上升很緩慢。

下圖,是驅動的下降沿

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下頁內容:驅動的快慢對MOS的開關有什么影響
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那么驅動的快慢對MOS的開關有什么影響呢?下圖是MOS導通時候DS的電壓:

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紅色的是R3=1歐姆,綠色的是R3=100歐姆。可見R3越大,MOS的導通速度越慢。

下圖是電流波形

原創經典:開關電源設計中MOSFET驅動技術圖解-電子元件技術網

紅色的是R3=1歐姆,綠色的是R3=100歐姆??梢奟3越大,MOS的導通速度越慢。

可以看到,驅動電阻增加可以降低MOS開關的時候得電壓電流的變化率。比較慢的開關速度,對EMI有好處。下圖是對兩個不同驅動情況下,MOS的DS電壓波形做付利葉分析得到

原創經典:開關電源設計中MOSFET驅動技術圖解-電子元件技術網

紅色的是R3=1歐姆,綠色的是R3=100歐姆??梢?,驅動電阻大的時候,高頻諧波明顯變小

下頁內容:驅動速度慢有什么壞處?
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但是驅動速度慢,又有什么壞處呢?那就是開關損耗大了,下圖是不同驅動電阻下,導通損耗的功率曲線。

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紅色的是R3=1歐姆,綠色的是R3=100歐姆??梢姡寗与娮璐蟮臅r候,損耗明顯大了。

結論:驅動電阻到底選多大?還真難講,小了EMI不好;大了效率不好。所以只能一個折中的選擇了。

那如果,開通和關斷的速度要分別調節,怎么辦?就用以下電路。

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