?干貨|MOS管及其外圍電路設計分享-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2020-11-18
1.柵極驅動部分
MOS管及其外圍電路設計：常用的mos管驅動電路結構如圖1所示，驅動信號經過圖騰柱放大后，經過一個驅動電阻Rg給mos管驅動。其中Lk是驅動回路的感抗，一般包含mos管引腳的感抗，PCB走線的感抗等。
在現在很多的應用中，用于放大驅動信號的圖騰柱本身也是封裝在專門的驅動芯片中。本文要回答的問題就是對于一個確定的功率管，如何合理地設計其對應的驅動電路(如驅動電阻阻值的計算，驅動芯片的選型等等)。
注1：圖中的Rpd為mos管柵源極的下拉電阻，其作用是為了給mos管柵極積累的電荷提供泄放回路，一般取值在10k~幾十k這一數量級。由于該電阻阻值較大，對于mos管的開關瞬態工作情況基本沒有影響，因此在后文分析mos的開關瞬態時，均忽略Rpd的影響。
注2：Cgd，Cgs，Cds為mos管的三個寄生電容，在考慮mos管開關瞬態時，這三個電容的影響至關重要。
驅動電阻的下限值
驅動電阻下限值的計算原則為：驅動電阻必須在驅動回路中提供足夠的阻尼，來阻尼mos開通瞬間驅動電流的震蕩。
當mos開通瞬間，Vcc通過驅動電阻給Cgs充電，如圖2所示(忽略Rpd的影響)。根據圖2，可以寫出回路在s域內對應的方程:
式(4)給出了驅動電阻Rg的下限值，式(4)中Cgs為mos管gs的寄生電容，其值可以在mos管對應的datasheet中查到。
而Lk是驅動回路的感抗，一般包含mos管引腳的感抗，PCB走線的感抗，驅動芯片引腳的感抗等，其精確的數值往往難以確定，但數量級一般在幾十nH左右。
因此在實際設計時，一般先根據式(4)計算出Rg下限值的一個大概范圍，然后再通過實際實驗，以驅動電流不發生震蕩作為臨界條件，得出Rg下限值。
圖2 mos開通時的驅動電流
驅動電阻的上限值
驅動電阻上限值的計算原則為：防止mos管關斷時產生很大的dV/dt使得mos管再次誤開通。
當mos管關斷時，其DS之間的電壓從0上升到Vds(off)，因此有很大的dV/dt，根據公式：i=CdV/dt，該dV/dt會在Cgd上產生較大的電流igd，如圖3所示。
圖3 mos關斷時的對應電流
該電流igd會流過驅動電阻Rg，在mos管GS之間又引入一個電壓，當該電壓高于mos管的門檻電壓Vth時，mos管會誤開通，為了防止mos管誤開通，應當滿足：
式(6)給出了驅動電阻Rg的上限值，式(6)中Cgd為mos管gd的寄生電容，Vth為mos管的門檻電壓，均可以在對應的datasheet中查到，dV/dt則可以根據電路實際工作時mos的DS電壓和mos管關斷時DS電壓上升時間(該時間一般在datasheet中也能查到)求得。
從上面的分析可以看到，在mos管關斷時，為了防止誤開通，應當盡量減小關斷時驅動回路的阻抗。基于這一思想，下面再給出兩種很常用的改進型電路，可以有效地避免關斷時mos的誤開通問題。
圖4給出的改進電路1是在驅動電阻上反并聯了一個二極管，當mos關斷時，關斷電流就會流經二極管Doff，這樣mos管gs的電壓就為二極管的導通壓降，一般為0.7V，遠小于mos的門檻電壓(一般為2.5V以上)，有效地避免了mos的誤開通。
圖5給出的改進電路2是在驅動電路上加入了一個開通二極管Don和關斷三級管Qoff。當mos關斷時，Qoff打開，關斷電流就會流經該三極管Qoff，這樣mos管gs的電壓就被鉗位至地電平附近，從而有效地避免了mos的誤開通。
驅動電阻阻值的選擇
根據1.1節和1.2節的分析，就可以求得mos管驅動電阻的上限值和下限值，一般來說，mos管驅動電阻的取值范圍在5~100歐姆之間，那么在這個范圍內如何進一步優化阻值的選取呢？
這就要從損耗方面來考慮，當驅動電阻阻值越大時，mos管開通關斷時間越長(如圖6所示)，在開關時刻電壓電流交疊時間久越大，造成的開關損耗就越大(如圖7所示)。所以在保證驅動電阻能提供足夠的阻尼，防止驅動電流震蕩的前提下，驅動電阻應該越小越好。
R7作用：防靜電影響MOS，管子的DG,GS之間分別有結電容, DS之間電壓會給電容充電,這樣G極積累的靜電電壓就會抬高直到mos管導通，電壓高時可能會損壞管子. 同時為結電容提供泄放通道，可以加快MOS開關速度。 阻值一般為幾千左右。
R6和D3作用：在MOS關斷時，這個回路快速放掉柵極結電容的電荷，柵極電位快速下降，因此可以加快MOS開關速度。另外，高頻時， MOSFET的輸入阻抗將降低，而且在某個頻率范圍內將變成負阻，會發生振蕩，這個電阻可以減少震蕩。R6阻值一般較小，幾歐到幾十歐左右。
C11，R8和d5作用：MOS有分布電感，關斷時會有反峰電壓。Rc部分用于吸收尖波，這個設計給這個反峰提供了釋放回路。D5是為了防止高電壓擊穿mos。經實驗，去掉該回路后波形有很大的震蕩。
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