MOS管驱动電路的總结

屠夫

    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MOSMOSFET管是FET的一种（另一种是JFET），可以被制造成增强型或耗对于这两种增强型MOS管，比较常用的是NMOS。原因是导通电阻小，且容易MOS管的三个管脚之间有寄生电容存在，这不是我们需要的，而是由于制造工艺在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PMOS的特性，Vgs小于一定的值就会导通，适合用于源极接VCC时的情况不管是NMOS还是PMOS，导通后都有导通电阻存在，这样电流就会在这个电MOS在导通和截止的时候，一定不是在瞬间完成的。MOS两端的电压有一个下导通瞬间电压和电流的乘积很大，造成的损失也就很大。缩短开关时间，可以减小在MOS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MOS管的驱动电路及其损失，可以参考Microchip公司的AN799M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0.7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g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gat在设计便携式设备和无线产品时，提高产品性能、延长电池工作时间是设计人员需（1）高频化技术：随着开关频率的提高，开关变换器的体积也随之减小，功率密（2）低输出电压技术：随着半导体制造技术的不断发展，微处理器和便携式电子这些技术的发展对电源芯片电路的设计提出了更高的要求。首先，随着开关频率的MOS管具有很低的导通电阻，消耗能量较低，在目前流行的高效DC－DC芯片在低电压ULSI设计中有多种CMOS、BiCMOS采用自举升压结构的逻辑



一、MOS管驱動电路综述

在使用MOS管设计開關电源或者馬達驅动電路的时候，大部分人都会考虑MOS的导通電阻，最大电壓等，最大電流等，也有很多人仅仅考慮這些因素。這樣的电路也许是可以工作的，但并不是优秀的，作为正式的产品设計也是不允许的。

1、MOS管种類和结构

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溝道共4种类型，但实际应用的只有增強型的N溝道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。

至于为什么不使用耗尽型的MOS管，不建议刨根问底。

对于這两种增强型MOS管，比較常用的是NMOS。原因是导通电阻小，且容易制造。所以開关电源和马达驱動的应用中，一般都用NMOS。下面的介绍中，也多以NMOS為主。

MOS管的三個管脚之间有寄生電容存在，这不是我们需要的，而是由于制造工艺限制产生的。寄生電容的存在使得在设计或选择驱动电路的时候要麻煩一些，但沒有办法避免，后邊再詳细介绍。

在MOS管原理图上可以看到，漏极和源极之間有一个寄生二极管。这個叫体二极管，在驱动感性负载（如马達），這个二极管很重要。顺便说一句，体二极管只在單个的MOS管中存在，在集成电路芯片内部通常是沒有的。

2、MOS管导通特性

导通的意思是作为開关，相当于开关闭合。

NMOS的特性，Vgs大于一定的值就會导通，适合用于源极接地时的情况（低端驅动），只要柵极电压達到4V或10V就可以了。

PMOS的特性，Vgs小于一定的值就会导通，适合用于源极接VCC時的情况（高端驱动）。但是，虽然PMOS可以很方便地用作高端驱動，但由于导通电阻大，价格貴，替换种类少等原因，在高端驱动中，通常还是使用NMOS。

3、MOS开关管损失

不管是NMOS还是PMOS，导通后都有導通电阻存在，这樣电流就会在这個电阻上消耗能量，這部分消耗的能量叫做导通损耗。選择导通电阻小的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歐左右，幾毫歐的也有。

MOS在导通和截止的时候，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，在這段時间内，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，而且開关频率越快，损失也越大。

导通瞬间电压和电流的乘积很大，造成的损失也就很大。缩短开关时間，可以减小每次导通時的损失；降低开关频率，可以減小单位时间内的开关次數。这两種办法都可以减小开关损失。

4、MOS管驅动

跟双极性晶体管相比，一般认为使MOS管导通不需要電流，只要GS电壓高于一定的值，就可以了。这個很容易做到，但是，我们还需要速度。

在MOS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。對電容的充电需要一个电流，因為对电容充电瞬间可以把电容看成短路，所以瞬间電流会比較大。選擇/设计MOS管驅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，普遍用于高端驅動的NMOS，导通時需要是栅極电压大于源极电壓。而高端驱动的MOS管导通时源极电压與漏极电压（VCC）相同，所以这時 栅極電壓要比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。很多马達驱动器都集成了电荷泵，要注意的是應該 选择合适的外接电容，以得到足够的短路电流去驱动MOS管。

上边說的4V或10V是常用的MOS管的導通電压，设计時当然需要有一定的余量。而且电壓越高，导通速度越快，导通電阻也越小。现在也有导通電压更小的MOS管用在不同的领域里，但在12V汽車电子系统里，一般4V導通就够用了。

MOS管的驱動电路及其损失，可以参考Microchip公司的AN799 Matching MOSFET Drivers to MOSFETs。讲述得很详细，所以不打算多写了。

5、MOS管应用电路

MOS管最显著的特性是开关特性好，所以被廣泛應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。

二、现在的MOS驱动，有几个特别的應用

1、低压应用

当使用5V電源，这時候如果使用传統的图腾柱結构，由于三極管的be有0.7V左右的压降，导致实际最終加在gate上的電压只有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。

同樣的問题也发生在使用3V或者其他低压电源的場合。

2、寬电压应用

输入电壓并不是一个固定值，它会随着時间或者其他因素而变动。这個变動導致PWM电路提供给MOS管的驱动电壓是不穩定的。

为了让MOS管在高gate電压下安全，很多MOS管内置了稳压管强行限制gate電压的幅值。在這种情况下，当提供的驱动電压超过稳壓管的电压，就会引起較大的静态功耗。

同时，如果简单的用电阻分压的原理降低gate电压，就会出现輸入电压比较高的时候，MOS管工作良好，而輸入電压降低的时候gate电压不足，引起导通不够彻底，从而增加功耗。

3、双電压应用

在一些控制電路中，逻辑部分使用典型的5V或者3.3V数字電压，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，让低压侧能夠有效的控制高压侧的MOS管，同时高压侧的MOS管也同樣会面對1和2中提到的问题。

在这三种情况下，图腾柱结構无法满足输出要求，而很多現成的MOS驱動IC，似乎也沒有包含gate电压限制的结构。

三、相对通用的电路

电路图如下：

   



这里只针对NMOS驱动电路做一个簡单分析：

Vl和Vh分別是低端和高端的电源，两個电壓可以是相同的，但是Vl不应该超过Vh。

Q1和Q2组成了一个反置的圖腾柱，用来实现隔离，同时確保两只驱動管Q3和Q4不会同时导通。

R2和R3提供了PWM电压基准，通过改变這個基準，可以让電路工作在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，这個压降通常只有0.3V左右，大大低于0.7V的Vce。

R5和R6是反馈电阻，用于对gate電压進行采样，采样后的电压通過Q5对Q1和Q2的基極产生一个強烈的負反饋，從而把gate电壓限制在一个有限的数值。这個数值可以通過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電流限制，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。

这個电路提供了如下的特性：

1，用低端电压和PWM驅动高端MOS管。

2，用小幅度的PWM信号驱动高gate電压需求的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，可以達到很低的功耗。

6，PWM信號反相。NMOS并不需要这個特性，可以通过前置一个反相器来解决。

一种低电压高频率采用自举电路的BiCMOS驱動电路

在設计便携式设备和無线产品时，提高產品性能、延长電池工作時間是设计人员需要面对的两个问题。DC-DC轉換器具有效率高、输出电流大、静态电流小等优点，非常适用于为便携式设备供电。目前DC-DC转换器設计技术發展主要趋势有：

（1）高频化技术：隨着開关频率的提高，开关变换器的體積也随之减小，功率密度也得到大幅提升，动态响應得到改善。小功率DC-DC转换器的開关频率将上升到兆赫级。

（2）低输出电压技术：隨着半导體制造技术的不断发展，微处理器和便携式電子设备的工作电压越來越低，這就要求未来的DC-DC变换器能够提供低输出电压以適应微处理器和便携式电子设备的要求。

这些技术的發展对電源芯片电路的設计提出了更高的要求。首先，隨着开关频率的不断提高，对于開关元件的性能提出了很高的要求，同时必须具有相应的開關元件 驅动电路以保证开关元件在高达兆赫级的開關頻率下正常工作。其次，對于电池供电的便携式电子設备来说，电路的工作电压低（以鋰电池为例，工作电壓 2.5～3.6V），因此，电源芯片的工作电压较低。

MOS管具有很低的導通电阻，消耗能量较低，在目前流行的高效DC－DC芯片中多采用MOS管作为功率开關。但是由于MOS管的寄生电容大，一般情況下NMOS開关管的栅極电容高达几十皮法。这对于设计高工作频率DC－DC转换器开关管驱动电路的设计提出了更高的要求。

在低电压ULSI设计中有多种CMOS、BiCMOS采用自举升压結构的逻辑电路和作为大容性负载的驱动电路。这些电路能夠在低于1V电压供电條件下正常 工作，并且能够在负载电容1～2pF的条件下工作頻率能夠达到几十兆甚至上百兆赫兹。本文正是采用了自举升壓电路，设計了一種具有大負载电容驱动能力的， 适合于低电压、高開关頻率升压型DC－DC轉换器的驱动电路。電路基于Samsung AHP615 BiCMOS工艺设计并经过Hspice仿真验证，在供电电压1.5V ，负载電容為60pF时，工作频率能夠達到5MHz以上。

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