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在產品選擇上超過了P溝道。在降壓穩壓器應用中，基于柵控電壓極性、器件尺寸和串聯電阻等多種因素，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的降壓穩壓器中的高側開關。根據應用的不同，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-源極端子的歐姆區域（ohmic region），MOSFET“完全導通”。在對比圖中，N溝道歐姆區的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VGS的值會產生非線性曲線。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，但并不是優秀的，作為正式的產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。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管用在不同的領域里，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。
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。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，應該注意幾個參數以及這些參數的影響。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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