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前言
MOSFET一直是大多数N沟道场效应管开关电路电源(SMPS)选择的晶体管技术。MOSFET用作主开关晶体管,并用作门控整流器来提高效率。本设计实例对P沟道和N沟道增强型MOSFET做了比较,以便选择最适合电源应用的开关。MOSFET一直是大多数开关电源(SMPS)首选的晶体管技术。当用作门控整流器时,MOSFET是主开关晶体管且兼具提高效率的作用。为选择最适合电源应用的开关。
由于具有较低的导通电阻(RDS(on))和较小尺寸,N沟道MOSFET在产品选择上超过了P沟道。在降压稳压器应用中,基于栅控电压极性、器件尺寸和串联电阻等多种因素,使用P沟道MOSFET或N沟道MOSFET作为主N沟道场效应管开关电路。同步整流器应用几乎总是使用N沟道技术,这主要是因为N沟道的RDS(on)小于P沟道的,并且通过在栅极上施加正电压导通。
MOSFET多数是载流子器件, N沟道MOSFET在导电过程中有电子流动。 P沟道在导电期间使用被称为空穴的正电荷。电子的流动性是空穴的三倍。尽管没有直接的相关性,就RDS(on)而言,为得到相等的值,P沟道的管芯尺寸大约是N沟道的三倍。因此N沟道的管芯尺寸更小。
N沟道场效应管开关电路N沟道MOSFET在栅-源极端子上施加适当阈值的正电压时导通;P沟道MOSFET通过施加给定的负的栅-源极电压导通。
MOSFET的栅控决定了它们在SMPS转换器中的应用。例如,N沟道MOSFET更适用于以地为参考的低侧开关,特别是用于升压、SEPIC、正向和隔离反激式转换器。在同步整流器应用以及以太网供电(PoE)输入整流器中,低侧开关也被用来代替二极管作为整流器。P沟道MOSFET最常用作输入电压低于15VDC的降压稳压器中的高侧开关。根据应用的不同,N沟道场效应管开关电路N沟道MOSFET也可用作降压稳压器高侧开关。这些应用需要自举电路或其它形式的高侧驱动器。
在使用N沟道场效应管开关电路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。
MOS管导通特性
导通的意思是作为N沟道场效应管开关电路,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,适合用于源极接VCC时的情况(高端驱动)。但是,虽然PMOS可以很方便地用作高端驱动,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。
N沟道场效应管开关电路管损失
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N沟道场效应管开关电路频率越快,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。
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。讲述得很详细,所以不打算多写了。
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。
5种常用开关电源MOSFET驱动电路解析
在使用MOSFET设计开关电源时,大部分人都会考虑MOSFET的导通电阻、最大电压、最大电流。但很多时候也仅仅考虑了这些因素,这样的电路也许可以正常工作,但并不是一个好的设计方案。更细致的,MOSFET还应考虑本身寄生的参数。对一个确定的MOSFET,其驱动电路,驱动脚输出的峰值电流,上升速率等,都会影响MOSFET的开关性能。
当电源IC与MOS管选定之后, 选择合适的驱动电路来连接电源IC与MOS管就显得尤其重要了。
MOSFET驱动电路有以下几点要求
(1)开关管开通瞬时,驱动电路应能提供足够大的充电电流使MOSFET栅源极间电压迅速上升到所需值,保证开关管能快速开通且不存在上升沿的高频振荡。
(2)开关导通期间驱动电路能保证MOSFET栅源极间电压保持稳定且可靠导通。
(3)关断瞬间驱动电路能提供一个尽可能低阻抗的通路供MOSFET栅源极间电容电压的快速泄放,保证开关管能快速关断。
(4)驱动电路结构简单可靠、损耗小。
(5)根据情况施加隔离。
MOSFET驱动电路的要求
(1)开关管开通瞬时,驱动电路应能提供足够大的充电电流使MOSFET栅源极间电压迅速上升到所需值,保证开关管能快速开通且不存在上升沿的高频振荡;
(2)开关管导通期间驱动电路能保证MOSFET栅源极间电压保持稳定使可靠导通;
(3)关断瞬间驱动电路能提供一个尽可能低阻抗的通路供MOSFET栅源极间电容电压的快速泄放,保证开关管能快速关断;
(4)关断期间驱动电路最好能提供一定的负电压避免受到干扰产生误导通;
(5)另外要求驱动电路结构简单可靠,损耗小,最好有隔离。
参考应用电路
芯片参考链接
https://www.infineon.com/cms/cn/product/power/mosfet/n-channel/irf640n/?redirId=108034
资料来源:http://www.kiaic.com/article/detail/965.html
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