在做电源或驱动时,功率器件MOS管是我们最常用的器件。使用MOS管时,如果对MOS管的某些参数考虑不周,电路通常是无法工作。所以,MOS管选型要考虑方方面面的因素,7步法则教你正确使用。
MOS管广泛的应用在我们熟知的电路中,比如开关电源,电动马达、照明调光等驱动电路中。在这里应用中,我们使用的一般是低压MOS管。与低压MOS管对应的,便是高压MOS管,这两种MOS管的分类是以电压来分类的。
通常高压MOS管电压在400V-1000V左右,能提供有效的锁定保护运行,采用CMOS技术,与双极驱动器相比,功耗低,运行效率高,还可以提升系统的可靠性。
低压MOS管电压在1V-40V左右,有高速度、高性能、低功耗、低导通电阻、小封装等优势,适合保护电路和开关电路。现在的MOS驱动,有几个特别的应用:
1)低压应用:当使用5V电源,这时候如果使用传统的图腾柱结构,由于三极管的be有0.7V左右的压降,导致实际最终加在gate上的电压只有4.3V。这时候,我们选用标称gate电压4.5V的MOS管就存在一定的风险。同样的问题也发生在使用3V或者其他低压电源的场合。
2)宽电压应用:输入电压并不是一个固定值,它会随着时间或者其他因素而变动。这个变动导致PWM电路提供给MOS管的驱动电压是不稳定的。为了让MOS管在高gate电压下安全,很多MOS管内置了稳压管强行限制gate电压的幅值。在这种情况下,当提供的驱动电压超过稳压管的电压,就会引起较大的静态功耗。
同时,如果简单的用电阻分压的原理降低gate电压,就会出现输入电压比较高的时候,MOS管工作良好,而输入电压降低的时候gate电压不足,引起导通不够彻底,从而增加功耗。
3)双电压应用:在一些控制电路中,逻辑部分使用典型的5V或者3.3V数字电压,而功率部分使用12V甚至更高的电压。两个电压采用共地方式连接。这就提出一个要求,需要使用一个电路,让低压侧能够有效的控制高压侧的MOS管,同时高压侧的MOS管也同样会面对1和2中提到的问题。
在这三种情况下,图腾柱结构无法满足输出要求,而很多现成的MOS驱动IC,似乎也没有包含gate电压限制的结构。这里分享2个相对通用的电路来满足以上三种应用场景。
电路图如下:
上图NMOS和PMOS驱动电路功能一致,这里只分析NMOS驱动电路:Vl和Vh分别是低端和高端的电源,两个电压可以是相同的,但是Vl不应该超过Vh。
Q1和Q2组成了一个反置的图腾柱,用来实现隔离,同时确保两只驱动管Q3和Q4不会同时导通。R2和R3提供了PWM电压基准,通过改变这个基准,可以让电路工作在PWM信号波形比较陡直的位置。
Q3和Q4用来提供驱动电流,由于导通的时候,Q3和Q4相对Vh和GND最低都只有一个Vce的压降,这个压降通常只有0.3V左右,大大低于0.7V的Vce。
R5和R6是反馈电阻,用于对gate电压进行采样,采样后的电压通过Q5对Q1和Q2的基极产生一个强烈的负反馈,从而把gate电压限制在一个有限的数值。这个数值可以通过R5和R6来调节。
最后,R1提供了对Q3和Q4的基极电流限制,R4提供了对MOS管的gate电流限制,也就是Q3和Q4的Ice的限制。必要的时候可以在R4上面并联加速电容。
这个电路提供了如下的特性:
1)用低端电压和PWM驱动高端MOS管。
2)用小幅度的PWM信号驱动高gate电压需求的MOS管。
3)gate电压的峰值限制
4)输入和输出的电流限制
5)通过使用合适的电阻,可以达到很低的功耗。
6)PWM信号反相。NMOS并不需要这个特性,可以通过前置一个反相器来解决。上文多次提到了图腾柱,这里再给大家解释何为图腾柱。
图腾柱就是上下各一个晶体管,上管为NPN,c极接正电源,下管为PNP,e极接负电源,注意,是负电源,是地。两个b极接到一起,接输入,上管的e和下管的c接到一起,接输出。用来匹配电压,或者提高IO口的驱动能力。
正如上面电路的分析,MOS管使用涉及到的知识点非常多,希望大家正确规范使用MOS管,发挥其最大的价值。