如何將 N 溝道 MOS 管用作高邊開(kāi)關(guān)

顯示的是用于控制同步反向拓?fù)渲?Q2 傳導(dǎo)的分立器件。該電路可以讓您控制開(kāi)啟柵極電流并保護(hù)整流器柵極免受高反向電壓的損壞。該電路可以用變壓器輸出端的負(fù)電壓進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。12V 輸入與 5V 輸出相比負(fù)電壓值很大，從而引起 Q1 傳導(dǎo)并短路電源 FET Q2 上的柵-源電壓，迅速將其關(guān)閉。由于基極電流流經(jīng) R2，因此在加速電容 C1 上就有了一個(gè)負(fù)電壓。在此期間，一次側(cè) FET 將會(huì)發(fā)生傳導(dǎo)并在變壓器磁化電感中存儲(chǔ)能量。一次側(cè) FET 關(guān)閉時(shí)，變壓器輸出電壓在正電壓范圍擺動(dòng)。Q2 柵-源通過(guò) D1 和 R1 被迅速前向偏置。C1 放電時(shí)，D2 對(duì) Q1 基極-發(fā)射極連接進(jìn)行保護(hù)。在一次側(cè) FET 再次開(kāi)啟之前，該電路會(huì)一直保持這種狀態(tài)。正如同步降壓轉(zhuǎn)換器那樣，輸出電流會(huì)真正地對(duì)輸出電容進(jìn)行放電。開(kāi)啟一次側(cè) FET 會(huì)衰減變壓器二次側(cè)上的電壓并去除 Q2 的正驅(qū)動(dòng)。這種轉(zhuǎn)換會(huì)導(dǎo)致明顯的貫通疊加一次側(cè) FET 和 Q2 傳導(dǎo)次數(shù)。為了最小化該次數(shù)，當(dāng)一次側(cè)和二次側(cè) FET 均開(kāi)啟時(shí)，Q1 將會(huì)盡快地短路同步整流器上的柵-源。

圖1: Q1 快速關(guān)閉同步反向 FET Q2

圖 2 顯示的是用于控制同步正向轉(zhuǎn)換器中 Q1 和 Q4 傳導(dǎo)的分立驅(qū)動(dòng)器。在此特殊的設(shè)計(jì)中，輸入電壓很寬泛。這就是說(shuō)兩個(gè) FET 的柵極可能會(huì)有超過(guò)其額定電壓的情況，因此就需要一個(gè)鉗位電路。當(dāng)變壓器輸出電壓為負(fù)數(shù)，該電路就會(huì)開(kāi)啟 Q4。二極管 D2 和 D4 將正驅(qū)動(dòng)電壓限制在 4.5V 左右。D1 和D3 將 FET 關(guān)閉， 該 FET 由變壓器和電感中的電流進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。Q1 和 Q4 將反向柵極電壓鉗位到接地。在此設(shè)計(jì)中，F(xiàn)ET 具有相當(dāng)小柵極電感，因此轉(zhuǎn)換非常迅速。較大的 FET 可能需要實(shí)施一個(gè) PNP 晶體管對(duì)變壓器繞組進(jìn)行柵極電容去耦并提升開(kāi)關(guān)速度。為柵極驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換器 Q2 和 Q3 選擇合適的封裝至關(guān)重要，因?yàn)檫@些封裝會(huì)消耗轉(zhuǎn)換器中大量的電能(這是因?yàn)樵?FET 柵極電容放電期間這些封裝會(huì)起到線性穩(wěn)壓器的作用)。此外，由于更高的輸出電壓，R1 和 R2 中的功耗可能也會(huì)很高。

圖2: D2 和 D4 限制了該同步正向驅(qū)動(dòng)器中正柵極電壓

總之，許多具有同步整流器的電源都可以使用變壓器的繞組電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)同步整流器的柵極。寬范圍輸入或高輸出電壓需要調(diào)節(jié)電路來(lái)保護(hù)柵極。在圖 1 所示的同步反向結(jié)構(gòu)中，我們向您介紹了如何在保持快速的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換的同時(shí)控制同步整流器柵極上的反向電壓。與之相類似在圖 2 的同步正向結(jié)構(gòu)中，我們向您介紹了如何限制同步整流器柵極上的正驅(qū)動(dòng)電壓。

當(dāng)我們使用 MCU(微控制器)制作產(chǎn)品或者搭建電路時(shí)，有時(shí)候希望通過(guò) MCU 控制某些外設(shè)。外設(shè)可能是一個(gè)需要極小電流的設(shè)備，比如 LED，或者是大功率設(shè)備，比如直流電機(jī)。大多數(shù)初學(xué)者很快就會(huì)發(fā)現(xiàn)，像 Arduino 或樹(shù)莓派這樣的設(shè)備不能直接驅(qū)動(dòng)重負(fù)載。在這種情況下，我們需要一個(gè)“驅(qū)動(dòng)器”，也就是一個(gè)可以接受來(lái)自微控制器的控制信號(hào)，并且具有足夠功率來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載的電路。在許多情況下，MOSFET 是完美的選擇，它們可以根據(jù)其柵極(門極)上的電壓來(lái)控制其漏極-源極引腳上的更大電流。然而，有時(shí) MOSFET 本身也需要一個(gè)驅(qū)動(dòng)器。在探討 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器的工作原理之前，讓我們快速回顧一下 MOSFET 作為開(kāi)關(guān)的作用。

低邊 N 溝道 MOS 管開(kāi)關(guān)電路

MOSFET，我們這里指的是增強(qiáng)型 MOSFET(還有一種叫做耗盡型 MOSFET)，有兩種類型：n 溝道和 p 溝道。n 溝道 MOSFET 需要在其柵極上施加比源極上高的電壓才能打開(kāi)。最低的打開(kāi)電壓稱為閾值電壓，Vth。打開(kāi)任何 n 溝道 MOSFET 的數(shù)據(jù)手冊(cè)，很快就會(huì)找到這個(gè)值。例如，小型高速開(kāi)關(guān)器件 Toshiba SSM3K56FS 在漏極-源極電壓(VDS)為 3.0 V 且漏極電流(ID)為 1 mA 時(shí)，給出 Vth 在 0.4 V 至 1.0 V 之間。

這種 MOSFET 可以用作低邊(low-side)開(kāi)關(guān)，這意味著它們?cè)诤?jiǎn)單的低壓直流應(yīng)用中被放置在負(fù)載和電路地之間。因此，我們可以使用一個(gè)連接到 SSM3K56FS 柵極的 5 V Arduino 輸出引腳，將源連接到地，然后將電機(jī)連接在 15 V 供電和 MOSFET 的漏極之間。在柵極和地之間放置一個(gè)電阻(1 M?)可以確保如果來(lái)自 Arduino 的控制信號(hào)斷開(kāi)，MOSFET 保持關(guān)閉。

為了演示這一點(diǎn)，我們使用 LTspice 進(jìn)行了仿真。V2 模擬了來(lái)自 Arduino I/O 引腳的 5 V 輸出，而 R2 用作負(fù)載，代替了電機(jī)(我們將忽略電阻性和感性負(fù)載之間的差異)。V1 是 15 V 電源。

從下面的仿真波形可以看到，當(dāng) 5 V 應(yīng)用到柵極時(shí)，流經(jīng) MOSFET 的電流約為 720 mA，低于允許的最大值 800 mA。

在閱讀數(shù)據(jù)手冊(cè)時(shí)，導(dǎo)通電阻是一個(gè)值得注意的參數(shù)。在 SSM3K56FS 數(shù)據(jù)手冊(cè)中，可以看到導(dǎo)通電阻值 RDS(ON) 取決于 VGS。例如，在 VGS 為 1.5 V 時(shí)，RDS(ON) 為 840 m?，而在 4.5 V 時(shí)，僅為 235 m?。這里的差異，盡管不大。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，你不太可能注意到 Arduino 以 5 V 驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O和樹(shù)莓派以 3.3 V 驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O之間有太大的區(qū)別。

重要的是要記住這只是在較高的給定柵極電壓下才能實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)，最大允許的柵源電壓 VGS 為 ±8 V，因此有足夠的余地。這很重要，因?yàn)? MOSFET 中會(huì)有功率損失，當(dāng) RDS(ON) 較大時(shí)，它需要散熱的熱量也會(huì)更大。

低邊開(kāi)關(guān)還有一個(gè)小缺點(diǎn)。導(dǎo)通時(shí)，由于負(fù)載和地之間存在 MOSFET 的導(dǎo)通電阻 RDS(ON)，所以負(fù)載(以及 MOSFET 漏極引腳)電壓會(huì)稍微高于參考地一點(diǎn)。在我們的示例中，導(dǎo)通時(shí)，漏極電壓為 0.126 V。

我們應(yīng)該注意到在 MOSFET 中消耗的功率約為 98 mW(743 mA 時(shí)為 0.133 V)。這在數(shù)據(jù)手冊(cè)定義的 150 mW 內(nèi)，非常安全。對(duì)于電機(jī)而言，這種浮地幾乎沒(méi)有什么影響。然而，如果您希望使用小電阻來(lái)測(cè)量通過(guò)電機(jī)流動(dòng)的電流，您需要進(jìn)行差分測(cè)量，而不是相對(duì)于地面進(jìn)行測(cè)量。

高邊 P 溝道 MOS 管開(kāi)關(guān)電路

如果我們將 N 溝道 MOSFET 更換為 P 溝道器件，我們可以將負(fù)載放置在MOSFET和地之間。MOSFET的源極連接到驅(qū)動(dòng)負(fù)載的電源，而負(fù)載連接到漏極。與之前提到的 N 溝道MOSFET的互補(bǔ)器件是Toshiba SSM3J56MFV。然而，我們立刻遇到了一個(gè)問(wèn)題。

從數(shù)據(jù)手冊(cè)上看，我們注意到 Vth 被給定為 -0.3 V 至 -1.0 V(對(duì)于 VDS -3.0 V 和 ID -1 mA)。這意味著柵極需要比源極低大約 1.0 V 才能開(kāi)始導(dǎo)通。繼續(xù)使用我們之前的示例，使用 15 V 電源供電電機(jī)，柵極需要降低到 14 V 左右，MOSFET 才能開(kāi)始導(dǎo)通。這顯然對(duì)于 Arduino 或樹(shù)莓派的 5 V 和 3.3 V I/O 引腳來(lái)說(shuō)是個(gè)問(wèn)題，意味著需要額外的 MOSFET 或晶體管將柵極拉低。

還有另一個(gè)問(wèn)題。根據(jù)提供的數(shù)據(jù)，在這個(gè)這個(gè)柵極電壓下，導(dǎo)通電阻大約為 4000 m?。要將導(dǎo)通電阻降至其最低水平的 390 m?，柵極電壓必須為 -4.5 V。即便如此，這仍然比之前看到的互補(bǔ) n 溝道 MOSFET 高 155 m?，并突顯了 p 溝道 MOSFET 的另一個(gè)問(wèn)題——相對(duì)較高的 RDS(ON)。

假設(shè)有一種方法使 Arduino 將柵極電壓向下移動(dòng) -5 V，p 溝道高邊開(kāi)關(guān)的響應(yīng)將如下所示：

從上圖中可以看到，在導(dǎo)通狀態(tài)下，源極電壓達(dá)到了14.79 V，比15 V電源低約0.21 V。同樣，當(dāng)電流約為715 mA時(shí)，這意味著 MOSFET 的功率為 150 mW，正好達(dá)到器件的極限。

因此，盡管p溝道 MOSFET 更容易制造，但相同尺寸的 n 溝道 MOSFET 具有了更低的導(dǎo)通電阻。顯然，如果可能的話，我們最好在高側(cè)使用n溝道器件。

然而，正如我們所見(jiàn)，要打開(kāi)n溝道MOSFET，我們需要將柵極電壓設(shè)置在源極電壓之上。如果我們將n溝道MOSFET放在高側(cè)，當(dāng)它開(kāi)啟時(shí)，源極和漏極幾乎具有相同的電壓，因此柵極將需要被推到高于電源電壓幾伏特的位置。

如何將 N 溝道 MOS 管用作高邊開(kāi)關(guān)

這就是MOSFET驅(qū)動(dòng)器派上用場(chǎng)的地方。這些巧妙的器件接受低電壓控制信號(hào)作為輸入，并將其轉(zhuǎn)換為較高的足以驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O的電壓。較高的電壓是使用一個(gè)“啟動(dòng)”電路生成的，該電路利用充電泵將柵極電壓推高到電源電壓之上。雖然這會(huì)增加電路的額外成本和復(fù)雜性，但我們可以從可以提供低導(dǎo)通電阻、高電流能力的n溝道功率 MOSFET 器件中受益。

這種方法的一個(gè)出色示例是來(lái)自 Analog Devices(以前是 Linear Technology)的 LTC7004 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器。這款 10 引腳器件中，只有九個(gè)引腳被使用，外圍電路只需要一顆電容即可工作。輸入引腳 INP 接受 CMOS 電平的輸入信號(hào)，最高可達(dá) 15 V。VCC 引腳還需要一個(gè) 3.5 V 至 15 V 的電源。將 0.1μF 電容放置在啟動(dòng)引腳 BST 和 TS(Top Source) 引腳 之間，LTC7004 可以跟隨 MOSFET 的源電壓高達(dá) 60 V。該器件產(chǎn)生了比源極電壓高 12 V 的柵極電壓。它還包括過(guò)壓和欠壓鎖定以確保正確的操作。

LTC7004 允許 MCU 生成所需的柵極控制電壓來(lái)控制用作高邊開(kāi)關(guān)的 N 溝道MOSFET:

來(lái)自Arduino的5V I/O信號(hào)會(huì)將MOSFET的柵極電壓推高到比電源電壓高12 V，從而確保了負(fù)載的快速和干凈導(dǎo)通。

為了最小化MOSFET在開(kāi)關(guān)過(guò)程中的損耗，通常最好盡可能快地進(jìn)行開(kāi)關(guān)。這在只偶爾打開(kāi)和關(guān)閉的電路中通常不是太大的問(wèn)題，但在高速開(kāi)關(guān)應(yīng)用中非常關(guān)鍵，如功率轉(zhuǎn)換器(例如降壓變換器)。LTC7004 可以做到最小上升/下降時(shí)間為13 ns，最大上升時(shí)間為90 ns，下降時(shí)間為40 ns。

還有一點(diǎn)值得注意，那就是用于功率應(yīng)用的 MOSFET 的柵極所需的電流。在此示例中使用的 Infineon IPB039N10N3 的柵極處所觀察到的電容(稱為Ciss)可能超過(guò)8400 pF。在波形圖中開(kāi)關(guān)處的放大圖中，可以看到柵極電流達(dá)到了約3.2 A的峰值。對(duì)于快速開(kāi)關(guān)的功率MOSFET來(lái)說(shuō)，這并不罕見(jiàn)，這也是為什么單獨(dú)使用微控制器來(lái)開(kāi)關(guān)它們不太適合，即使在低邊開(kāi)關(guān)電路中也是如此。

雖然盡可能快速地打開(kāi) MOSFET 以將其迅速?gòu)年P(guān)斷狀態(tài)移至最低電阻導(dǎo)通狀態(tài)是可取的，但這也可能在某些應(yīng)用中引發(fā)問(wèn)題。例如，如果 MOSFET 正在為大容性負(fù)載供電，那么開(kāi)啟時(shí)的入流電流可能會(huì)很大。像 LTC7400 這樣的 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器提供了兩個(gè)控制柵極的引腳，一個(gè)用于打開(kāi)(TGUP)，一個(gè)用于關(guān)閉(TGDN)。這允許分別定義打開(kāi)和關(guān)閉的速率。通過(guò)向TGUP輸出添加一個(gè)小的RC網(wǎng)絡(luò)(100 k?/47 nF)，可以減慢打開(kāi)速率并限制入流電流。額外的10 ?電阻有助于限制振蕩產(chǎn)生。如果需要調(diào)整關(guān)閉速率，可以向TGDN路徑添加電阻。