1、MOSFET 及 MOSFET 驱动电路总结 在使用 MOS 管设计开关电源或者马达驱动电路的时候，大部分人都会考虑 MOS 的导通电阻，最大电压等，最大电流等，也有很多人仅仅考虑这些因素。这样的电路也许是可以工作的，但并不是优秀的，作为正式的产品设计也是不允许的。 下面是我对 MOSFET 及 MOSFET 驱动电路基础的一点总结，其中参考了一些资料，非全部原创。包括 MOS 管的介绍，特性，驱动以及应用电路。 1、MOS 管种类和结构 MOSFET 管是 FET 的一种( 另一种是 JFET)，可以被制造成增强型或耗尽型，P 沟道或 N 沟道共 4 种类型，但实际应用的只有增强型的 N 沟
2、道 MOS 管和增强型的 P 沟道 MOS 管，所以通常提到 NMOS，或者 PMOS 指的就是这两种。右图是这两种 MOS 管的符号。 至于为什么不使用耗尽型的 MOS 管，不建议刨根问底。对于这两种增强型 MOS 管，比较常用的是 NMOS。原因是导通电阻小且容易制造。所以开关电源和马达驱动的应用中，一般都用 NMOS。下面的介绍中，也多以 NMOS 为主。在 MOS 管原理图上可以看到，漏极和源极之间有一个寄生二极管。这个叫体二极管，在驱动感性负载(如马达)，这个二极管很重要。顺便说一句，体二极管只在单个的 MOS 管中存在，在集成电路芯片内部通常是没有的。下图是MOS 管的构造图，通常
3、的原理图中都画成右图所示的样子。 (栅极保护用二极管有时不画) MOS 管的三个管脚之间有寄生电容存在，如右图所示。这不是我们需要的，而是由于制造工艺限制产生的。寄生电容的存在使得在设计或选择驱动电路的时候要麻烦一些，但没有办法避免，在 MOS 管的驱动电路设计时再详细介绍。2、MOS 管导通特性 导通的意思是作为开关，相当于开关闭合。 NMOS 的特性， Vgs 大于一定的值就会导通，适合用于源极接地时的情况(低端驱动)，只要栅极电压达到 4V 或10V 就可以了。 PMOS 的特性，Vgs 小于一定的值就会导通，使用与源极接 VCC 时的情况(高端驱动)。但是，虽然 PMOS 可以很方便地
4、用作高端驱动，但由于导通电阻大，价格贵，替换种类少等原因，在高端驱动中，通常还是使用 NMOS。 右图是瑞萨 2SK3418 的 Vgs 电压和 Vds 电压的关系图。可以看出小电流时，Vgs 达到 4V，DS 间压降已经很小，可以认为导通。 3、MOS 开关管损失 不管是 NMOS 还是 PMOS，导通后都有导通电阻存在，因而在 DS 间流过电流的同时，两端还会有电压(如2SK3418 特性图所示 )，这样电流就会在这个电阻上消耗能量，这部分消耗的能量叫做导通损耗。选择导通电阻小的MOS 管会减小导通损耗。现在的小功率 MOS 管导通电阻一般在几十毫欧左右，几毫欧的也有。 MOS 在导通和截
5、止的时候，一定不是在瞬间完成的。MOS 两端的电压有一个下降的过程，流过的电流有一个上升的过程，在这段时间内，MOS 管的损失是电压和电流的乘积，叫做开关损失。通常开关损失比导通损失大得多，而且开关频率越快，损失也越大。 下图是 MOS 管导通时的波形。可以看出，导通瞬间电压和电流的乘积很大，造成的损失也就很大。降低开关时间，可以减小每次导通时的损失；降低开关频率，可以减小单位时间内的开关次数。这两种办法都可以减小开关损失。 4、MOS 管驱动 跟双极性晶体管相比，一般认为使 MOS 管导通不需要电流，只要 GS 电压高于一定的值，就可以了。这个很容易做到，但是，我们还需要速度。 在 MOS
6、管的结构中可以看到，在 GS，GD 之间存在寄生电容，而 MOS 管的驱动，实际上就是对电容的充放电。对电容的充电需要一个电流，因为对电容充电瞬间可以把电容看成短路，所以瞬间电流会比较大。选择/设计 MOS 管驱动时第一要注意的是可提供瞬间短路电流的大小。 第二注意的是，普遍用于高端驱动的 NMOS，导通时需要是栅极电压大于源极电压。而高端驱动的 MOS 管导通时源极电压与漏极电压(VCC)相同，所以这时栅极电压要比 VCC 大 4V 或 10V。如果在同一个系统里，要得到比 VCC 大的电压，就要专门的升压电路了。很多马达驱动器都集成了电荷泵，要注意的是应该选择合适的外接电容，以得到足够的短
7、路电流去驱动 MOS 管。 上边说的 4V 或 10V 是常用的 MOS 管的导通电压，设计时当然需要有一定的余量。而且电压越高，导通速度越快，导通电阻也越小。现在也有导通电压更小的 MOS 管用在不同的领域里，但在 12V 汽车电子系统里，一般 4V 导通就够用了。 MOS 管的驱动电路及其损失，可以参考 Microchip 公司的 AN799 Matching MOSFET Drivers to MOSFETs。5、MOS 管应用电路 MOS 管最显著的特性是开关特性好，所以被广泛应用在需要电子开关的电路中，常见的如开关电源和马达驱动，也有照明调光。现在的 MOS 驱动，有几个特别的需求，
8、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
9、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。
10、可以采用以下这个相对通用的电路来满足这三种需求。电路图如下：1.驱动 NMOS 的电路电路分析：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 R
11、6 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。2用于驱动 PMOS 的电路
