MOS管寄生參數(shù)的影響和其驅(qū)動(dòng)電路要點(diǎn)
發(fā)布時(shí)間:2019-06-17 來源:朱玉龍 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】我們?cè)趹?yīng)用MOS管和設(shè)計(jì)MOS管驅(qū)動(dòng)的時(shí)候,有很多寄生參數(shù),其中最影響MOS管開關(guān)性能的是源邊感抗。寄生的源邊感抗主要有兩種來源,第一個(gè)就是晶圓DIE和封裝之間的Bonding線的感抗,另外一個(gè)就是源邊引腳到地的PCB走線的感抗(地是作為驅(qū)動(dòng)電路的旁路電容和電源網(wǎng)絡(luò)濾波網(wǎng)的返回路徑)。在某些情況下,加入測量電流的小電阻也可能產(chǎn)生額外的感抗。
我們分析一下源邊感抗帶來的影響:
1.使得MOS管的開啟延遲和關(guān)斷延遲增加
由于存在源邊電感,在開啟和關(guān)段初期,電流的變化被拽了,使得充電和放電的時(shí)間變長了。同時(shí)源感抗和等效輸入電容之間會(huì)發(fā)生諧振(這個(gè)諧振是由于驅(qū)動(dòng)電壓的快速變壓形成的,也是我們?cè)贕端看到震蕩尖峰的原因),我們加入的門電阻Rg和內(nèi)部的柵極電阻Rm都會(huì)抑制這個(gè)震蕩(震蕩的Q值非常高)。
我們需要加入的優(yōu)化電阻的值可以通過上述的公式選取,如果電阻過大則會(huì)引起G端電壓的過沖(優(yōu)點(diǎn)是加快了開啟的過程),電阻過小則會(huì)使得開啟過程變得很慢,加大了開啟的時(shí)間(雖然G端電壓會(huì)被抑制)。
園感抗另外一個(gè)影響是阻礙Id的變化,當(dāng)開啟的時(shí)候,初始時(shí)di/dt偏大,因此在原感抗上產(chǎn)生了較大壓降,從而使得源點(diǎn)點(diǎn)位抬高,使得Vg電壓大部分加在電感上面,因此使得G點(diǎn)的電壓變化減小,進(jìn)而形成了一種平衡(負(fù)反饋系統(tǒng))。
另外一個(gè)重要的寄生參數(shù)是漏極的感抗,主要是有內(nèi)部的封裝電感以及連接的電感所組成。
在開啟狀態(tài)的時(shí)候Ld起到了很好的作用(Subber吸收的作用),開啟的時(shí)候由于Ld的作用,有效的限制了di/dt/(同時(shí)減少了開啟的功耗)。在關(guān)斷的時(shí)候,由于Ld的作用,Vds電壓形成明顯的下沖(負(fù)壓)并顯著的增加了關(guān)斷時(shí)候的功耗。
下面談一下驅(qū)動(dòng)(直連或耦合的)的一些重要特性和典型環(huán)節(jié):
直連電路最大挑戰(zhàn)是優(yōu)化布局
實(shí)際上驅(qū)動(dòng)器和MOS管一般離開很遠(yuǎn),因此在源級(jí)到返回路徑的環(huán)路上存在很大的感抗,即使我們考慮使用地平面,那么我們?nèi)耘f需要一段很粗的PCB線連接源級(jí)和地平面。
另外一個(gè)問題是大部分的集成芯片的輸出電流都比較小,因?yàn)橛捎诳刂祁l率較高,晶圓大小受到限制。同時(shí)內(nèi)部功耗很高也導(dǎo)致了IC的成本較高,因此我們需要一些擴(kuò)展分立的電路。
旁路電容的大小
由于開啟的瞬間,MOS管需要吸取大量的電流,因此旁路電容需要盡可能的貼近驅(qū)動(dòng)器電源端。
有兩個(gè)電流需要我們?nèi)タ紤]:第一個(gè)是驅(qū)動(dòng)器靜態(tài)電流,它收到輸入狀態(tài)的影響。他可以產(chǎn)生一個(gè)和占空比相關(guān)的紋波。
另外一個(gè)是G極電流,MOS管開通的時(shí)候,充電電流時(shí)將旁路電流的能量傳輸至MOS管輸入電容上。其紋波大小可用公式來表明,最后兩個(gè)可合在一起。
驅(qū)動(dòng)器保護(hù)
如果驅(qū)動(dòng)器輸出級(jí)為晶體管,那么我們還需要適當(dāng)?shù)谋Wo(hù)來防止反向電流。一般為了成本考慮,我們采用NPN的輸出級(jí)電路。NPN管子只能承受單向電流,高邊的管子輸出電流,低邊的管子吸收電流。在開啟和關(guān)閉的時(shí)候,無可避免的源感抗和輸入電容之間的振蕩使得電流需要上下兩個(gè)方向都有通路,為了提供一條方向通路,低電壓的肖特基二極管可以用來保護(hù)驅(qū)動(dòng)器的輸出級(jí),這里注意這兩個(gè)管子并不能保護(hù)MOS管的輸入級(jí)(離MOS管較遠(yuǎn)),因此二極管需要離驅(qū)動(dòng)器引腳非常近。
晶體管的圖騰柱結(jié)構(gòu)
這是最便宜和有效地驅(qū)動(dòng)方式,此電路需要盡量考慮MOS管,這樣可以使得開啟時(shí)大電流環(huán)路盡可能小,并且此電路需要專門的旁路電容。Rgate是可選的,Rb可以根據(jù)晶體管的放大倍數(shù)來選擇。兩個(gè)BE之間的PN結(jié)有效的實(shí)現(xiàn)了反壓時(shí)候的相互保護(hù),并能有效的把電壓嵌位在VCC+Vbe,GND-Vbe之間。
加速器件
MOS管開通的時(shí)候,開啟的速度主要取決于二極管的反向特性。
因此MOS管關(guān)斷的時(shí)間需要我們?nèi)?yōu)化,放電曲線取決于Rgate,Rgate越小則關(guān)斷越快。下面有好幾個(gè)方案:
1.二極管關(guān)斷電路
這是最簡單的加速電路。Rgate調(diào)整著MOS管的開啟速度,當(dāng)關(guān)斷的時(shí)候,由二極管短路電阻,此時(shí)G極電流最小為:Imin=Vf / Rgate 。
此電路的優(yōu)點(diǎn)是大大加速了關(guān)斷的速度,但是它僅在電壓高的時(shí)候工作,且電流仍舊流向驅(qū)動(dòng)器。
2.PNP關(guān)斷電路
這是最流行和通用的電路,利用PNP的管子,在關(guān)斷期間,源極和柵極被短路了。二極管提供了開啟時(shí)候的電流通路(并且有保護(hù)PNP管子eb免受反向電壓的影響),Rgate限制了開啟的速度。
電路的最大的好處是放電電流的尖峰被限制在最小的環(huán)路中,電流并不返回至驅(qū)動(dòng)器,因此也不會(huì)造成地彈的現(xiàn)象,驅(qū)動(dòng)器的功率也小了一半,三極管的存在減小了回路電感。
仔細(xì)看這個(gè)電路其實(shí)是圖騰柱結(jié)構(gòu)的簡化,電路的唯一的缺點(diǎn)是柵極電壓并不釋放到0V,而是存在EC極的壓差。
3.NPN關(guān)斷電路
優(yōu)點(diǎn)和上面的PNP管子相同,缺點(diǎn)是加入了一個(gè)反向器,加入反向器勢(shì)必會(huì)造成延遲。
4.NMOS關(guān)斷電路
這個(gè)電路可以使得MOS管關(guān)斷非???,并且柵極電壓完全釋放至零電壓。不過小NMOS管子需要一個(gè)方向電壓來驅(qū)動(dòng)。 問題也存在,NMOS的Coss電容和主MOS管的CISS合成變成等效的電容了。
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