功率MOSFET驅(qū)動技術(shù)詳解

功率MOSFET具有導(dǎo)通電阻低、負載電流大的優(yōu)點，因而非常適合用作開關(guān)電源(switch-mode powersupplies，SMPS)的整流組件，不過，在選用MOSFET時有一些注意事項。功率MOSFET和雙極型晶體管不同，它的柵極電容比較大，在導(dǎo)通之前要先對該電容充電，當(dāng)電容電壓超過閾值電壓(VGS-TH)時MOSFET才開始導(dǎo)通。因此，柵極驅(qū)動器的負載能力必須足夠大，以保證在系統(tǒng)要求的時間內(nèi)完成對等效柵極電容(CEI)的充電。在計算柵極驅(qū)動電流時，最常犯的一個錯誤就是將MOSFET的輸入電容(CISS)和CEI混為一談，于是會使用下面這個公式去計算峰值柵極電流。

　　I = C(dv/dt)

　　實際上，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)指標計算。

　　QG是MOSFET柵極電容的一部分，計算公式如下：

　　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?？梢钥吹?，為了保證MOSFET導(dǎo)通，用來對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，柵極電荷除以導(dǎo)通時間等于所需的驅(qū)動電流(在規(guī)定的時間內(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)定時間內(nèi)導(dǎo)通所需柵極驅(qū)動電流

　　圖1

　　以往的SMPS控制器中直接集成了驅(qū)動器，這對于某些產(chǎn)品而言非常實用，但是，由于這種驅(qū)動器的輸出峰值電流一般小于1A，所以應(yīng)用范圍比較有限。另外，驅(qū)動器發(fā)出的熱還會造成電壓基準的漂移。

　　隨著市場對“智能型”電源設(shè)備的呼聲日漸強烈，人們研制出了功能更加完善的SMPS控制器。這些新型控制器全部采用精細的CMOS工藝，供電電壓低于12V，集成的MOSFET驅(qū)動器同時可作為電平變換器使用，用來將TTL電平轉(zhuǎn)換為MOSFET驅(qū)動電平。以TC4427A為例，該器件的輸入電壓范圍(VIL =0.8V，VIH = 2.4V)和輸出電壓范圍(與最大電源電壓相等，可達18V)滿足端到端(rail-torail)輸出的要求?？规i死能力是一項非常重要的指標，因為MOSFET一般都連接著感性電路，會產(chǎn)生比較強的反向沖擊電流。TC4427型MOSFET驅(qū)動器的輸出端可以經(jīng)受高達0.5A的反向電流而不損壞，性能不受絲毫影響。

　　另外一個需要注意的問題是對瞬間短路電流的承受能力，對于高頻SMPS尤其如此。瞬間短路電流的產(chǎn)生通常是由于驅(qū)動電平脈沖的上升或下降過程太長，或者傳輸延時過大，這時高壓側(cè)和低壓側(cè)的MOSFET在很短的時間里處于同時導(dǎo)通的狀態(tài)，在電源和地之間形成了短路。瞬間短路電流會顯著降低電源的效率，使用專用的MOSFET驅(qū)動器可以從兩個方面改善這個問題：

　　1.MOSFET柵極驅(qū)動電平的上升時間和下降時間必須相等，并且盡可能縮短。TC4427型驅(qū)動器在配接1000pF負載的情況下，脈沖上升時間tR和下降時間tF大約是25ns。其他一些輸出峰值電流更大的驅(qū)動器的這兩項指標還可以更短。

　　圖2