1、大功率開(kāi)關(guān)電源中功率 MOSFET的驅(qū)動(dòng)技術(shù)功率 MOSFET具有導(dǎo)通電阻低、負(fù)載電流大的優(yōu)點(diǎn)，因而非常適合用作開(kāi)關(guān)電源（switch-mode power supplies，SMPS ）的整流組件，不過(guò)，在選用MOSFET 時(shí)有一些注意事項(xiàng)。功率MOSFET和雙極型晶體管不同， 它的柵極電容比較大， 在導(dǎo)通之前要先對(duì)該電容充電， 當(dāng)電容電壓超過(guò)閾值電壓（ VGS-TH ）時(shí)MOSFET才開(kāi)始導(dǎo)通。因此，柵極驅(qū)動(dòng)器的負(fù)載 能力必須足夠大，以保證在系統(tǒng)要求的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)等效柵極電容（CEI ）的充電。在計(jì)算柵極驅(qū)動(dòng)電流時(shí)，最常犯的一個(gè)錯(cuò)誤就是將MOSFET的輸入電容（CISS）和CEI混為一談，

2、于是會(huì)使用下面這個(gè)公式去計(jì)算峰值柵極電流。I = C（dv/dt）實(shí)際上，CEI的值比CISS高很多，必須要根據(jù) MOSFET生產(chǎn)商提供的柵極電荷（QG ）指 標(biāo)計(jì)算。QG是MOSFET柵極電容的一部分，計(jì)算公式如下：QG = QGS + QGD + QOD其中：QG-總的柵極電荷QGS-柵極-源極電荷QGD-柵極-漏極電荷（Miller ）QOD-Miller電容充滿后的過(guò)充電荷典型的MOSFET曲線如圖1所示，很多 MOSFET廠商都提供這種曲線。可以看到，為了 保證MOSFET導(dǎo)通，用來(lái)對(duì) CGS充電的VGS要比額定值高一些，而且 CGS也要比VTH 高。柵極電荷除以 VGS等于CEI，

3、柵極電荷除以導(dǎo)通時(shí)間等于所需的驅(qū)動(dòng)電流（在規(guī)定的 時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通)。用公式表示如下：QG = (CEI)(VGS)IG = QG/t 導(dǎo)通其中： QG總柵極電荷，定義同上。 CEI等效柵極電容 VGS刪-源極間電壓 IG使MOSFET在規(guī)定時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通所需柵極驅(qū)動(dòng)電流MOSFET 驅(qū)動(dòng)器的功耗對(duì)MOSFET的柵極進(jìn)行充電和放電需要同樣的能量，無(wú)論充放電過(guò)程快或慢(柵極電壓的上升和下降)。因此， MOSFET驅(qū)動(dòng)器的電流驅(qū)動(dòng)能力并不影響由 MOSFET柵極的容 性負(fù)載產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)器功耗。MOSFET驅(qū)動(dòng)器的功耗包含三部分：1. 由于MOSFET柵極電容充電和放電產(chǎn)生的功耗。公式 1 : PC = CG

4、X VDD2 X F其中：CG = MOSFET 柵極電容VDD = MOSFET 驅(qū)動(dòng)器電源電壓(V)F =開(kāi)關(guān)頻率2. 由于MOSFET驅(qū)動(dòng)器吸收靜態(tài)電流而產(chǎn)生的功耗。公式2 :PQ = （IQH X D+ |QL X （1 -D ） ） X VDD其中：IQH = 驅(qū)動(dòng)器輸入為高電平狀態(tài)的靜態(tài)電流D =開(kāi)關(guān)波形的占空比去IQL =驅(qū)動(dòng)器輸入為低電平狀態(tài)的靜態(tài)電流3. MOSFET 驅(qū)動(dòng)器交越導(dǎo)通（穿通）電流產(chǎn)生的功耗。公式3 :PS = CC F V X X DD其中：CC = 交越常數(shù) （A*sec ）從上述公式推導(dǎo)得出，三部分功耗中只有一個(gè)與MOSFET柵極電容充 電和放電有關(guān)。這部

5、分功耗通常是最高的，特別在很低的開(kāi)關(guān)頻率時(shí)。為了計(jì)算公式1的 值，需要知道 MOSFET柵極電容。MOSFET柵極電容包含兩個(gè)電容：柵源電容和柵漏電 容（密勒電容） 。通常容易犯的錯(cuò)誤是將 MOSFET的輸入電容 （CISS）當(dāng)作MOSFET 總柵極電容。確定柵極電容的正確方法是看MOSFET數(shù)據(jù)手冊(cè)中的總柵極電容（ QG）。這個(gè)信息通常顯示在任何MOSFET的電氣特性表和典型特性曲線中。表1顯示了 500V、14A、 N溝道MOSFET的柵極電容在數(shù)據(jù)手冊(cè)中的典型示例。要留意數(shù)據(jù)手冊(cè)表中給出的數(shù)值與它們的測(cè)試條件有關(guān)：柵極電壓和漏極電壓。這些測(cè)試條件影響著柵極電荷的值。圖1顯示同一個(gè) MOS

6、FET在不同柵極電壓和漏極電壓下柵極電荷的典型特性曲線。應(yīng)確保用來(lái)計(jì)算功耗的柵極電荷值也滿足應(yīng)用條件。敬搖手冊(cè)中欄權(quán)電荷的表示£燉大值藹試褻件Og總出梅電荷15014A制啤電何20ftC=400VG3 = iaveoCiss料人電容260(Vqs = 0VCOSS720pFVos= 25V r = i o mhCR$S底向傳譴電髀340從圖1的曲線中選取 VGS = 10V 的典型值，我們得到總柵極電荷為 98 nC ( VDS =400V )。利用 Q = C * V關(guān)系式，我們得到柵極電容為9.8 nF ,這大大高于表1中列出的2.6 nF的輸入電容。這表明當(dāng)計(jì)算柵極電容值時(shí),總

7、柵極電容值應(yīng)從總柵極電荷值推導(dǎo)而來(lái)。04HSSS鼠0C aOB42D6fi42o s 4n呂-0A 850-35Qg Total Gate Charge (nC)圖1 x總櫃極電荷一柵源電壓(500V,14A. N 溝道MOSFET當(dāng)使用電氣特性表中柵極電荷的最大值來(lái)進(jìn)行最壞情況設(shè)計(jì)時(shí)，這個(gè)值應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)中的漏源電壓和柵源電壓進(jìn)行調(diào)整。 利用表1給出的MOSFET信息并以圖1為例，在VGS為 12V，開(kāi)關(guān)頻率 F = 250 kHz 和漏源電壓為 400V時(shí)，由MOSFET 柵極電容的充放電 而產(chǎn)生的MOSFET驅(qū)動(dòng)器的功耗為：Pc = Cq覽次FPc = 9.5 耳礦72)? x 250 x

8、0Pc = 342m W通過(guò)使用圖 1的曲線并找到 12V時(shí)對(duì)應(yīng)的 QG值可以得到 CG的值。用 QG除以12V就得到 CG的值。已知 QG等于CG * VG， PC公式可重寫為：Pc = QgxVxF需要特別留意的是， 公式中的電壓被取了平方。 因此，減小柵極驅(qū)動(dòng)電壓可以顯著減小驅(qū) 動(dòng)器的功耗。對(duì)于一些 MOSFET，柵極驅(qū)動(dòng)電壓超過(guò) 8V至10V并不會(huì)進(jìn)一步減小 MOSFET 電阻（RDS-ON）。以上述 MOSFET 為例，10V 柵極驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)功耗為：Pc = qgvfX I0 ? X /fl X 25i? X IO3Pc = 245m W柵極電壓減小了 16% （從12V減小至10V

9、），而得到的由柵極驅(qū)動(dòng)的功耗減小了28%。進(jìn)一步可以看到由于柵極電壓減小，也降低了交越傳導(dǎo)損耗。公式3顯示由于MOSFET驅(qū)動(dòng)器交越導(dǎo)通而產(chǎn)生的功耗，通常這也被稱為穿通。這是由于輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)的P溝道和N溝道場(chǎng)效應(yīng)管（FET）在其導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)之間切換時(shí)同時(shí)導(dǎo)通而引起的。交越導(dǎo)通特性在 MOSFET驅(qū)動(dòng)器數(shù)據(jù)手冊(cè)中顯示為“交越能量一電源電壓”典型特性曲 線。Quuo>:<fD交越能量一電源電壓圖2給出了這個(gè)曲線示例。交越常數(shù)的單位通常為安培-秒（A*sec ）。這個(gè)數(shù)值與 工作頻率相乘得到平均電流值。圖 2證明了先前討論的這一點(diǎn)。也就是，當(dāng)偏置電壓增加時(shí)，交越常數(shù)也增加，因此驅(qū)動(dòng)器的功

10、率消耗（由于交越導(dǎo)通）也增加。反之，減小驅(qū)動(dòng)器電壓導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器功耗減小。需要留意的一點(diǎn)是當(dāng)使用雙路驅(qū)動(dòng)器時(shí)，交越常數(shù)通常表示驅(qū)動(dòng)器兩部分的工作。如果只使用了驅(qū)動(dòng)器的一部分，或者驅(qū)動(dòng)器的兩部分工作在不同的頻率，對(duì)于驅(qū)動(dòng)器每部分的計(jì)算，只需要采用這個(gè)值的一半。以圖2所示的信息為例，我們假設(shè)這是單輸出驅(qū)動(dòng)器，工作 VDD為12V，工作頻率為 250 kHz 。基于上述曲線，交越常 數(shù)定為 5.2*10-9。Ps = CCFx VPs = 5.2B25022Ps = 75 6m W對(duì)于這個(gè)驅(qū)動(dòng)器，在這個(gè)電壓和頻率下工作，其功率消耗相對(duì)微不足道。通常，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器的電流驅(qū)動(dòng)能力增加時(shí)，由于穿通電流導(dǎo)致的損耗也

11、相應(yīng)增加。這些損耗可能很大，必須在選擇MOSFET驅(qū)動(dòng)器封裝時(shí)加以考慮。Microchip提供表貼和引腳穿孔的封裝，有 8引腳 MSOP ,8引腳DFN和5引腳TO-220 封裝， 便于工程師選擇最適合應(yīng)用的圭寸裝。管芯對(duì)柵極電容的影響可以想見(jiàn)，MOSFET管芯的尺寸越大，柵極電荷的影響就越大。只要翻翻任何生產(chǎn)廠家的數(shù)據(jù)手冊(cè)就可以證明這一點(diǎn)。在管芯尺寸與柵極電荷關(guān)系上，您會(huì)發(fā)現(xiàn)：管芯尺寸增加，總柵極電荷也增加。 隨著硅片技術(shù)的進(jìn)步，新 MOSFET可能與老器件具有相同的管芯尺寸，卻具有較少的總柵極電荷。 然而，米用相冋硅片技術(shù)的 MOSFET仍然使用于這個(gè)基本準(zhǔn)則，即管芯尺寸增加，柵極充電所需

12、的能量也增加。管芯尺寸經(jīng)常表示為Hex尺寸。下列表2給出了不冋MOSFET Hex 尺寸下典型管芯尺寸和總柵極電容值。表ZMOSFET管芯尺寸的HEX標(biāo)示和典型電容MOSFET 尺寸管芯尺寸 (mm)IMOSFET的總電容 (pF)HexO0.89 x 1.09400Hex 11.75x2.41750Hex 2340 x 2.211500Hex 34.44 x 2793000Hex 47.04x4326000Hex 56.45 x 6.4512000Hex 6283 x 348 mil15000Hex 7283 x 348 mil16000并聯(lián)瞅已變凰高48,000現(xiàn)在許多供應(yīng)商也提供“低柵極

13、電荷”版本的MOSFET，可以提供更快的開(kāi)關(guān)時(shí)間和更低的柵極充電損耗。這些器件可以使應(yīng)用工作在更高的速度，而的功率MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗更低，并且MOSFET驅(qū)動(dòng)器的柵極電荷損耗也更低。峰值電流驅(qū)動(dòng)的需求針對(duì)MOSFET驅(qū)動(dòng)器的討論主要是考慮內(nèi)部和外部因素而導(dǎo)致MOSFET驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生功耗。所以必須計(jì)算出 MOSFET驅(qū)動(dòng)器的功率損耗，進(jìn)而利用計(jì)算值為驅(qū)動(dòng)器選擇正確的封裝和計(jì)算結(jié)溫。在應(yīng)用中使 MOSFET驅(qū)動(dòng)器與MOSFET匹配主要是根據(jù)功率MOSFET導(dǎo)通和截止的速度快慢（柵極電壓的上升和下降時(shí)間）。任何應(yīng)用中優(yōu)化的上升/下降時(shí)間取決于很多因素，例如EMI （傳導(dǎo)和輻射），開(kāi)關(guān)損耗，引腳/電

14、路的感抗，以及開(kāi)關(guān)頻率等。MOSFET導(dǎo)通和截止的速度與 MOSFET柵極電容的充電和放電速度有關(guān)。MOSFET柵極電容、導(dǎo)通和截止時(shí)間與MOSFET驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電流的關(guān)系可以表示為：心屮;CdT二導(dǎo)通/截止時(shí)間dV二冊(cè)極電壓C二柵極電容（從柵極電荷值I二峰值驅(qū)動(dòng)電流（對(duì)于給定電爪值）前面已知柵極電荷的關(guān)系為:上面的公式可重寫為:其中匸Q二總柵極電荷上述公式假設(shè)電流（I）使用的是恒流源。如果使用MOSFET驅(qū)動(dòng)器的峰值驅(qū)動(dòng)電流來(lái)計(jì)算，將會(huì)產(chǎn)生一些誤差。MOSFET驅(qū)動(dòng)器以驅(qū)動(dòng)器的輸出峰值電流驅(qū)動(dòng)能力來(lái)表示。這個(gè)峰值電流驅(qū)動(dòng)能力通常在兩個(gè)條件之一下給出。這兩個(gè)條件為MOSFET驅(qū)動(dòng)器輸出短路到地

15、或 MOSFET驅(qū)動(dòng)器輸出處于某一特定電壓值(通常為4V，因?yàn)檫@是MOSFET開(kāi)始導(dǎo)通并且密勒效應(yīng)開(kāi)始起 作用時(shí)的柵極門限電壓)。通常，峰值電流也表示在器件最大偏置電壓下的電流。這意味著 如果MOSFET驅(qū)動(dòng)器工作在較低的偏置電壓，MOSFET驅(qū)動(dòng)器的峰值電流驅(qū)動(dòng)能力會(huì)降低。設(shè)計(jì)示例：利用下列設(shè)計(jì)參數(shù)，可以計(jì)算出MOSFET驅(qū)動(dòng)器的峰值驅(qū)動(dòng)電流：MOSFET 柵極電荷=20 nC (Q)MOSFET 柵極電壓=12V (dV)導(dǎo)通/截至?xí)r間二40 m (dT)使用前面推導(dǎo)的公式：dT40ns1 = 0.5A這個(gè)公式得出的峰值驅(qū)動(dòng)電流為0.5A。然而，設(shè)計(jì)參數(shù)中柵極驅(qū)動(dòng)電壓為12V。在選擇合適的

16、驅(qū)動(dòng)器時(shí)，這個(gè)參數(shù)也應(yīng)在考慮之中。例如，您選擇的驅(qū)動(dòng)器在18V時(shí)標(biāo)稱電流為0.5A，則在12V時(shí)，其峰值輸出電流將小于 0.5A。基于這個(gè)原因，對(duì)于這個(gè)特殊的應(yīng)用， 應(yīng)選擇在峰值輸出電流為1.0A的驅(qū)動(dòng)器。同時(shí)還需要考慮在MOSFET驅(qū)動(dòng)器和功率MOSFET柵極之間使用外部電阻，因?yàn)檫@會(huì)減小驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O電容的峰值充電電流。這種驅(qū)動(dòng) 的配置如圖4所示。使用MOSFET驅(qū)動(dòng)器時(shí)可以采用許多不同的電路配置。很多時(shí)候，由于高的峰值電流、 驅(qū)動(dòng)電壓快的上升 /下降時(shí)間以及電路板上長(zhǎng)走線引起的電感，需要考慮額外的鉗位電路。圖3至圖6顯示了經(jīng)常使用的柵極驅(qū)動(dòng)電路典型配置。最理想的MOSFET驅(qū)動(dòng)器電路如圖3所示

17、。這種配置常用于升壓（boost ）、反激式和單開(kāi)關(guān)的正激開(kāi)關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中。采用正確的布板技巧和選擇合適的偏置電壓旁路電容，可以使 MOSFET柵極電壓得到很好的上升和下降時(shí)間。除了在偏置電壓增加本地旁路電容外，MOSFET驅(qū)動(dòng)器的良好鋪地也很重要。使用電阻限制峰值電流在許多柵極驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，也可能需要限制柵極驅(qū)動(dòng)的峰值，以降低柵極電壓的上升。通常這可以降低由于MOSFET漏極電壓的快速上升斜率導(dǎo)致的EMI噪聲。通過(guò)改換具有更低峰值電流的MOSFET驅(qū)動(dòng)器或增加一個(gè)串聯(lián)柵極驅(qū)動(dòng)電阻，如圖4所示，就可以減緩 MOSFET柵極電壓的上升和下降時(shí)間圖5:當(dāng)電路板走線長(zhǎng)時(shí)使用齊納二極管來(lái)鉗位電壓在MO

18、SFET驅(qū)動(dòng)器并沒(méi)有放置在它所驅(qū)動(dòng)的MOSFET附近的應(yīng)用中，驅(qū)動(dòng)器的輸出與MOSFET的柵極之間存在電感，這會(huì)導(dǎo)致MOSFET柵極電壓振蕩而超過(guò) VDD和低于地 （GND ）。如果峰值電壓超過(guò) MOSFET 標(biāo)稱的最大柵極電 壓，MOSFET會(huì)損壞，進(jìn)而導(dǎo)致失效。可以在 MOSFET柵極和源極間增加一個(gè)齊納二極 管對(duì)電壓進(jìn)行鉗位，如圖5所示。可能的話，應(yīng)使 MOSFET驅(qū)動(dòng)器和 MOSFET的走線長(zhǎng)度盡可能短，以此限制電感引起的振蕩效應(yīng)。驅(qū)動(dòng)器輸出和 MOSFET柵極間的電感也會(huì)影響MOSFET驅(qū)動(dòng)器在瞬態(tài)條件下將圖6顯示了使用柵極驅(qū)動(dòng)變壓器的兩種不同柵極驅(qū)動(dòng)配置。柵極驅(qū)動(dòng)變壓器可以用在高壓或低壓的應(yīng)用中，從而在控制電路和功率 MOSFET之間提供隔離，而這種隔離是為了滿足安全要求，或者是提供高端浮空柵極驅(qū)動(dòng)。圖6中的電路A和電路B顯示了單開(kāi)關(guān)正激應(yīng)用中使用的柵極驅(qū)動(dòng)變壓器。與MOSFET驅(qū)動(dòng)器輸出和柵極驅(qū)動(dòng)變壓器串聯(lián)的電阻和電容用于平衡柵極驅(qū)動(dòng)變壓器的電壓-時(shí)間。由于柵極驅(qū)動(dòng)變壓器的電壓 -時(shí)間必須平衡（對(duì)任何變