基于大功率開(kāi)關(guān)電源中功率MOSFET的驅動(dòng)技術(shù)

1.MOSFET柵極驅動(dòng)電平的上升時(shí)間和下降時(shí)間功率MOSFET具有導通電阻低、負載電流大的優(yōu)點(diǎn)，因而非常適合用作開(kāi)關(guān)電源(switch-mode power supplies，SMPS)的整流組件，不過(guò)，在選用MOSFET時(shí)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，在導通之前要先對該電容充電，當電容電壓超過(guò)閾值電壓(VGS-TH)時(shí)MOSFET才開(kāi)始導通。因此，柵極驅動(dòng)器的負載能力必須足夠大，以保證在系統要求的時(shí)間內完成對等效柵極電容(CEI)的充電。

在計算柵極驅動(dòng)電流時(shí)，最常犯的一個(gè)錯誤就是將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(mǎn)后的過(guò)充電荷

典型的MOSFET曲線(xiàn)如圖1所示，很多MOSFET廠(chǎng)商都提供這種曲線(xiàn)?？梢钥吹?，為了保證MOSFET導通，用來(lái)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，柵極電荷除以導通時(shí)間等于所需的驅動(dòng)電流(在規定的時(shí)間內導通)。

用公式表示如下：

QG = (CEI)(VGS)

IG = QG/t導通

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在規定時(shí)間內導通所需柵極驅動(dòng)電流

圖1

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

隨著(zhù)市場(chǎng)對“智能型”電源設備的呼聲日漸強烈，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驅動(dòng)器同時(shí)可作為電平變換器使用，用來(lái)將TTL電平轉換為MOSFET驅動(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18V)滿(mǎn)足端到端(rail-to-rail)輸出的要求。

抗鎖死能力是一項非常重要的指標，因為MOSFET一般都連接著(zhù)感性電路，會(huì )產(chǎn)生比較強的反向沖擊電流。TC4427型MOSFET驅動(dòng)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(gè)需要注意的問(wèn)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)生通常是由于驅動(dòng)電平脈沖的上升或下降過(guò)程太長(cháng)，或者傳輸延時(shí)過(guò)大，這時(shí)高壓側和低壓側的MOSFET在很短的時(shí)間里處于同時(shí)導通的狀態(tài)，在電源和地之間形成了短路。瞬間短路電流會(huì )顯著(zhù)降低電源的效率，使用專(zhuān)用的MOSFET驅動(dòng)器可以從兩個(gè)方面改善這個(gè)問(wèn)題：必須相等，并且盡可能縮短。TC4427型驅動(dòng)器在配接1000pF負載的情況下，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動(dòng)器的這兩項指標還可以更短。

圖2

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

以上這些問(wèn)題(直接關(guān)系到成本和可靠性)在獨立的、專(zhuān)用的驅動(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的分立器件電路中卻遠未如此。

典型應用

便攜式計算機電源

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是一種低壓側驅動(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(guò)充電引起的截止延時(shí)。TC4431是高壓側驅動(dòng)器，輸出峰值電流可達1.5A。用這兩種器件驅動(dòng)的MOSFET可以承受持續30ns、大小為10A的漏極電流。

臺式電腦電源

圖4為一種臺式電腦的電源電路，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的電壓，而目前常見(jiàn)的分立器件電源卻做不到。

圖4的電路要比圖3簡(jiǎn)單些，TC4428A在這里用作高壓側和低壓側的驅動(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，用它驅MOSFET可以承受持續25ns、大小為10A的漏極電流。

圖4

功率MOSFET以其導通電阻低和負載電流大的突出優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為SMPS控制器中開(kāi)關(guān)組件的最佳選擇，專(zhuān)用MOSFET驅動(dòng)器的出現又為優(yōu)化SMPS控制器帶來(lái)了契機。那些與SMPS控制器集成在一起的驅動(dòng)器只適用于電路簡(jiǎn)單、輸出電流小的產(chǎn)品;而那些用分立的有源或無(wú)源器件搭成的驅動(dòng)電路既不能滿(mǎn)足對高性能的要求，也無(wú)法獲得專(zhuān)用單片式驅動(dòng)器件的成本優(yōu)勢。專(zhuān)用驅動(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(lèi)也非常齊全，可以滿(mǎn)足各類(lèi)產(chǎn)品的設計需要。