功率MOSFET驅(qū)動(dòng)技術(shù)詳解

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關(guān)電源(switch-mode powersupplies，SMPS)的整流組件，不過，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)電容電壓超過閾值電壓(VGS-TH)時(shí)MOSFET才開始導(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，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，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

　　圖1

　　以往的SMPS控制器中直接集成了驅(qū)動(dòng)器，這對(duì)于某些產(chǎn)品而言非常實(shí)用，但是，由于這種驅(qū)動(dòng)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(dòng)器發(fā)出的熱還會(huì)造成電壓基準(zhǔn)的漂移。

　　隨著市場對(duì)“智能型”電源設(shè)備的呼聲日漸強(qiáng)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(xì)的CMOS工藝，供電電壓低于12V，集成的MOSFET驅(qū)動(dòng)器同時(shí)可作為電平變換器使用，用來將TTL電平轉(zhuǎn)換為MOSFET驅(qū)動(dòng)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(dá)18V)滿足端到端(rail-torail)輸出的要求?？规i死能力是一項(xiàng)非常重要的指標(biāo)，因?yàn)镸OSFET一般都連接著感性電路，會(huì)產(chǎn)生比較強(qiáng)的反向沖擊電流。TC4427型MOSFET驅(qū)動(dòng)器的輸出端可以經(jīng)受高達(dá)0.5A的反向電流而不損壞，性能不受絲毫影響。

　　另外一個(gè)需要注意的問題是對(duì)瞬間短路電流的承受能力，對(duì)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(dòng)電平脈沖的上升或下降過程太長，或者傳輸延時(shí)過大，這時(shí)高壓側(cè)和低壓側(cè)的MOSFET在很短的時(shí)間里處于同時(shí)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(huì)顯著降低電源的效率，使用專用的MOSFET驅(qū)動(dòng)器可以從兩個(gè)方面改善這個(gè)問題：

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

　　圖2