基于大功率開關(guān)電源中功率MOSFET的驅(qū)動(dòng)技術(shù)

 1.MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)電平的上升時(shí)間和下降時(shí)間功率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 power supplies，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-to-rail)輸出的要求。

抗鎖死能力是一項(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：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

2.驅(qū)動(dòng)脈沖的傳播延時(shí)必需很短(與開關(guān)頻率匹配)，才能保證高壓側(cè)和低壓側(cè)的MOSFET具有相等的導(dǎo)通延遲和截止延遲。例如，TC4427A型驅(qū)動(dòng)器的脈沖上升沿和下降沿的傳播延遲均小于2ns(如圖2)。這兩項(xiàng)指標(biāo)會(huì)因電壓和溫度不同而變化。Microchip公司的產(chǎn)品在這項(xiàng)指標(biāo)上已經(jīng)躋身領(lǐng)先位置(同類產(chǎn)品此項(xiàng)指標(biāo)至少要大4倍，集成在SMPS控制器中的驅(qū)動(dòng)器這項(xiàng)指標(biāo)更不理想)。

以上這些問題(直接關(guān)系到成本和可靠性)在獨(dú)立的、專用的驅(qū)動(dòng)器中都已得到了比較好的處理，但是在集成型器件或傳統(tǒng)的分立器件電路中卻遠(yuǎn)未如此。

典型應(yīng)用

便攜式計(jì)算機(jī)電源

圖3為一個(gè)高效率同步升壓變換器的電路，其輸入電壓范圍是5V至30V，可以與AC/DC整流器(14V/30V)相連，也可以用電池供電(7.2V至10.8V)。

圖3

圖3中的TC1411N是一種低壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器，TC1411N的輸出峰值電流為1A，由于使用+5V供電，可以降低因柵極過充電引起的截止延時(shí)。TC4431是高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器，輸出峰值電流可達(dá)1.5A。用這兩種器件驅(qū)動(dòng)的MOSFET可以承受持續(xù)30ns、大小為10A的漏極電流。

臺(tái)式電腦電源

圖4為一種臺(tái)式電腦的電源電路，其中的同步降壓變換器一般用于CPU的供電，其輸出電流一般不低于6A。這種電路可以提供大小可調(diào)的電壓，而目前常見的分立器件電源卻做不到。

圖4的電路要比圖3簡單些，TC4428A在這里用作高壓側(cè)和低壓側(cè)的驅(qū)動(dòng)器，并且共享電源VDD;為了降低成本，電路中使用了N溝道MOSFET?！　C4428A的輸出能力較強(qiáng)，用它驅(qū)MOSFET可以承受持續(xù)25ns、大小為10A的漏極電流。

圖4

功率MOSFET以其導(dǎo)通電阻低和負(fù)載電流大的突出優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為SMPS控制器中開關(guān)組件的最佳選擇，專用MOSFET驅(qū)動(dòng)器的出現(xiàn)又為優(yōu)化SMPS控制器帶來了契機(jī)。那些與SMPS控制器集成在一起的驅(qū)動(dòng)器只適用于電路簡單、輸出電流小的產(chǎn)品;而那些用分立的有源或無源器件搭成的驅(qū)動(dòng)電路既不能滿足對(duì)高性能的要求，也無法獲得專用單片式驅(qū)動(dòng)器件的成本優(yōu)勢。專用驅(qū)動(dòng)器的脈沖上升延時(shí)、下降延時(shí)和傳播延遲都很短暫，電路種類也非常齊全，可以滿足各類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)需要。