電阻在MOS管電路中的注意事項(xiàng)及參考選擇方法

　　MOS管驅(qū)動電阻怎么選擇，給定頻率，MOS管的Qg和上升沿怎么計(jì)算用多大電阻

　　首先得知道輸入電容大小和驅(qū)動電壓大小，等效為電阻和電容串聯(lián)電路，求出電容充電電壓表達(dá)式，得出電阻和電容電壓關(guān)系圖

　　MOS管的開關(guān)時間要考慮的是Qg的，而不是有Ciss，Coss決定，看下面的Data.一個MOS可能有很大的

　　輸入電容，但是并不代表其導(dǎo)通需要的電荷量Qg就大，

　　Ciss（輸入電容）和Qg是有一定的關(guān)系，但是還要考慮MOS的跨導(dǎo)y.

　　MOSFET柵極驅(qū)動的優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　1 概述

　　MOS管的驅(qū)動對其工作效果起著決定性的作用。設(shè)計(jì)師既要考慮減少開關(guān)損耗，又要求驅(qū)動波形較好即振蕩小、過沖小、EMI小。這兩方面往往是互相矛盾的，需要尋求一個平衡點(diǎn)，即驅(qū)動電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)。驅(qū)動電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)包含兩部分內(nèi)容：一是最優(yōu)的驅(qū)動電流、電壓的波形；二是最優(yōu)的驅(qū)動電壓、電流的大小。在進(jìn)行驅(qū)動電路優(yōu)化設(shè)計(jì)之前，必須先清楚MOS管的模型、MOS管的開關(guān)過程、MOS管的柵極電荷以及MOS管的輸入輸出電容、跨接電容、等效電容等參數(shù)對驅(qū)動的影響。

　　2 MOS管的模型

　　MOS管的等效電路模型及寄生參數(shù)如圖1所示。圖1中各部分的物理意義為：

　　（1）LG和LG代表封裝端到實(shí)際的柵極線路的電感和電阻。

　　（2）C1代表從柵極到源端N+間的電容，它的值是由結(jié)構(gòu)所固定的。

　　（3）C2+C4代表從柵極到源極P區(qū)間的電容。C2是電介質(zhì)電容，共值是固定的。而C4是由源極到漏極的耗盡區(qū)的大小決定，并隨柵極電壓的大小而改變。當(dāng)柵極電壓從0升到開啟電壓UGS（th）時，C4使整個柵源電容增加10%～15%。

　　（4）C3+C5是由一個固定大小的電介質(zhì)電容和一個可變電容構(gòu)成，當(dāng)漏極電壓改變極性時，其可變電容值變得相當(dāng)大。

　　（5）C6是隨漏極電壓變換的漏源電容。

　　MOS管輸入電容（Ciss）、跨接電容（Crss）、輸出電容（Coss）和柵源電容、柵漏電容、漏源電容間的關(guān)系如下：

　　3 MOS管的開通過程

　　開關(guān)管的開關(guān)模式電路如圖2所示，二極管可是外接的或MOS管固有的。開關(guān)管在開通時的二極管電壓、電流波形如圖3所示。在圖3的階段1開關(guān)管關(guān)斷，開關(guān)電流為零，此時二極管電流和電感電流相等；在階段2開關(guān)導(dǎo)通，開關(guān)電流上升，同時二極管電流下降。開關(guān)電流上升的斜率和二極管電流下降的斜率的絕對值相同，符號相反；在階段3開關(guān)電流繼續(xù)上升，二極管電流繼續(xù)下降，并且二極管電流符號改變，由正轉(zhuǎn)到負(fù)；在階段4，二極管從負(fù)的反向最大電流IRRM開始減小，它們斜率的絕對值相等；在階段5開關(guān)管完全開通，二極管的反向恢復(fù)完成，開關(guān)管電流等于電感電流。

　　圖4是存儲電荷高或低的兩種二極管電流、電壓波形。從圖中可以看出存儲電荷少時，反向電壓的斜率大，并且會產(chǎn)生有害的振動。而前置電流低則存儲電荷少，即在空載或輕載時是最壞條件。所以進(jìn)行優(yōu)化驅(qū)動電路設(shè)計(jì)時應(yīng)著重考慮前置電流低的情況，即空載或輕載的情況，應(yīng)使這時二極管產(chǎn)生的振動在可接受范圍內(nèi)。

　　4 柵極電荷QG和驅(qū)動效果的關(guān)系

　　柵極電荷QG是使柵極電壓從0升到10V所需的柵極電荷，它可以表示為驅(qū)動電流值與開通時間之積或柵極電容值與柵極電壓之積。現(xiàn)在大部分MOS管的柵極電荷QG值從幾十納庫侖到一、兩百納庫侖。

　　柵極電荷QG包含了兩個部分：柵極到源極電荷QGS；柵極到漏極電荷QGD—即“Miller”電荷。QGS是使柵極電壓從0升到門限值（約3V）所需電荷；QGD是漏極電壓下降時克服“Miller”效應(yīng)所需電荷，這存在于UGS曲線比較平坦的第二段（如圖5所示），此時柵極電壓不變、柵極電荷積聚而漏極電壓急聚下降，也就是在這時候需要驅(qū)動尖峰電流限制，這由芯睡內(nèi)部完成或外接電阻完成。實(shí)際的QG還可以略大，以減小等效RON，但是太大也無益，所以10V到12V的驅(qū)動電壓是比較合理的。這還包含一個重要的事實(shí)：需要一個高的尖峰電流以減小MOS管損耗和轉(zhuǎn)換時間。

　　重要是的對于IC來說，MOS管的平均電容負(fù)荷并不是MOS管的輸入電容Ciss，而是等效輸入電容Ceff（Ceff=QG/UGS），即整個0《UGS《UGS（th）的等效電容，而Ciss只是UGS=0時的等效電容。

　　漏極電流在QG波形的QGD階段出現(xiàn)，該段漏極電壓依然很高，MOS管的損耗該段最大，并隨UDS的減小而減小。QGD的大部分用來減小UDS從關(guān)斷電壓到UGS（th）產(chǎn)生的“Miller”效應(yīng)。QG波形第三段的等效負(fù)載電容是：

　　5 優(yōu)化柵極驅(qū)動設(shè)計(jì)

　　在大多數(shù)的開關(guān)功率應(yīng)用電路中，當(dāng)柵極被驅(qū)動，開關(guān)導(dǎo)通時漏極電流上升的速度是漏極電壓下降速度的幾倍，這將造成功率損耗增加。為了解決問題可以增加?xùn)艠O驅(qū)動電流，但增加?xùn)艠O驅(qū)動上升斜率又將帶來過沖、振蕩、EMI等問題。優(yōu)化柵極驅(qū)動設(shè)計(jì)，正是在互相矛盾的要求中尋求一個平衡點(diǎn)，而這個平衡點(diǎn)就是開關(guān)導(dǎo)通時漏極電流上升的速度和漏極電壓下降速度相等這樣一種波形，理想的驅(qū)動波形如圖6所示。

　　圖6的UGS波形包括了這樣幾部分：UGS第一段是快速上升到門限電壓；UGS第二段是比較緩的上升速度以減慢漏極電流的上升速度，但此時的UGS也必須滿足所需的漏極電流值；UGS第四段快速上升使漏極電壓快速下降；UGS第五段是充電到最后的值。當(dāng)然，要得到完全一樣的驅(qū)動波形是很困難的，但是可以得到一個大概的驅(qū)動電流波形，其上升時間等于理想的漏極電壓下降時間或漏極電流上升的時間，并且具有足夠的尖峰值來充電開關(guān)期間的較大等效電容。該柵極尖峰電流IP的計(jì)算是：電荷必須完全滿足開關(guān)時期的寄生電容所需。

　　UG（th））

　　6 應(yīng)用實(shí)例

　　在筆者設(shè)計(jì)的48V50A電路中采用雙晶體管正激式變換電路，其開關(guān)管采用IXFH24N50，其參數(shù)為：

　　根據(jù)如前所述，驅(qū)動電壓、電流的理想波形不應(yīng)該是一條直線，而應(yīng)該是如圖6所示的波形。實(shí)驗(yàn)波形見圖7。

　　7 結(jié)論

　　本文詳細(xì)介紹了MOS管的電路模型、開關(guān)過程、輸入輸出電容、等效電容、電荷存儲等對MOS管驅(qū)動波形的影響，及根據(jù)這些參數(shù)對驅(qū)動波形的影響進(jìn)行的驅(qū)動波形的優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例，取得了較好的實(shí)際效果。

　　影響MOSFET開關(guān)速度除了其本身固有Tr，Tf外，還有一個重要的參數(shù)：Qg （柵極總靜電荷容量）。該參數(shù)與柵極驅(qū)動電路的輸出內(nèi)阻共同構(gòu)成了一個時間參數(shù)，影響著MOSFET的性能（你主板的MOSFET的柵極驅(qū)動電路就集成在IRU3055這塊PWM控制芯片內(nèi)）; r6 @0 k‘ S/ l3 }4 u， r/ W

　　廠家給出的Tr，Tf值，是在柵極驅(qū)動內(nèi)阻小到可以忽略的情況下測出的，實(shí)際應(yīng)用中就不一樣了，特別是柵極驅(qū)動集成在PWM芯片中的電路，從PWM到MOSFET柵極的布線的寬度，長度，都會深刻影響MOSFET的性能。如果PWM的輸出內(nèi)阻本來就不低，加上MOS管的Qg又大，那么不論其Tr，Tf如何優(yōu)秀，都可能會大大增加上升和下降的時間

　　偶認(rèn)為，BUCK同步變換器中，高側(cè)MOS管的Qg比RDS等其他參數(shù)更重要，另外，柵極驅(qū)動內(nèi)阻與Qg的配合也很重要，一定 程度上就是由它的充電時間決定高側(cè)MOSFET的開關(guān)速度和損耗。。

　　看從哪個角度出發(fā)。電荷瀉放慢，說明時間常數(shù)大。時間常數(shù)是Ciss與Rgs的乘積。柵源極絕緣電阻大，說明制造工藝控制較好，材料、芯片和管殼封裝的表面雜質(zhì)少，漏電少。時間常數(shù)大，柵源極等效輸入電容也大。柵源極等效輸入電容，與管芯尺寸成正比并與管芯設(shè)計(jì)有關(guān)。通常，管芯尺寸大，Ron（導(dǎo)通電阻）小、跨導(dǎo)（增益）大。柵源極等效電容大，會增加開關(guān)時間、降低開關(guān)性能、降低工作速度、增加功率損耗。Ciss與電荷注入率成正比，可能還與外加電壓有關(guān)并具有非線性等。以上，均是在相同條件下的對比。從應(yīng)用角度出發(fā)，同等價(jià)格，多數(shù)設(shè)計(jì)希望選用3個等效電容（包括Ciss）小的器件。Ciss=Cgd+Cgs，充放電時間上也有先后，先是Cgs充滿，然后是Cgd.。

　　泄放電阻和柵極電阻有什么區(qū)別？

　　場效應(yīng)管柵極與源極之間加一個電阻，這個電阻起到什么作用？

　　一是為場效應(yīng)管提供偏置電壓;二是起到瀉放電阻的作用：保護(hù)柵極G-源極S;

　　第一個作用好理解，這里解釋一下第二個作用的原理——保護(hù)柵極G-源極S：場效應(yīng)管的G-S極間的電阻值是很大的，這樣只要有少量的靜電就能使他的G-S極間的等效電容兩端產(chǎn)生很高的電壓，如果不及時把這些少量的靜電瀉放掉，他兩端的高壓就有可能使場效應(yīng)管產(chǎn)生誤動作，甚至有可能擊穿其G-S極;這時柵極與源極之間加的電阻就能把上述的靜電瀉放掉，從而起到了保護(hù)場效應(yīng)管的作用。

　　看一個具體的例子：MOS管在開關(guān)狀態(tài)工作時，Q1、Q2是輪流導(dǎo)通，MOS管柵極在反復(fù)充、放電狀態(tài)，如果在此時關(guān)閉電源，MOS管的柵極就有兩種狀態(tài)：一種是放電狀態(tài)，柵極等效電容沒有電荷存儲;另一個是充電狀態(tài)，柵極等效電容正好處于電荷充滿狀態(tài)，如下圖a所示。雖然電源切斷，此時Q1、Q2也都處于斷開狀態(tài)，電荷沒有釋放的回路，但MOS管柵極的電場仍然存在（能保持很長時間），建立導(dǎo)電溝道的條件并沒有消失。這樣在再次開機(jī)瞬間，由于激勵信號還沒有建立，而開機(jī)瞬間MOS管的漏極電源（V1）隨機(jī)提供，在導(dǎo)電溝道的作用下，MOS管立刻產(chǎn)生不受控的巨大漏極電流Id，引起MOS管燒壞。為了避免此現(xiàn)象產(chǎn)生，在MOS管的柵極對源極并接一只泄放電阻R1，如下圖b所示，關(guān)機(jī)后柵極存儲的電荷通過R1迅速釋放，此電阻的阻值不可太大，以保證電荷的迅速釋放，一般在五千歐至數(shù)十千歐左右。

　　灌流電路主要是針對MOS管在作為開關(guān)營運(yùn)用時其容性的輸入特性，引起“開”、“關(guān)”動作滯后而設(shè)置的電路，當(dāng)MOS管作為其他用途，例如線性放大等應(yīng)用時，就沒有必要設(shè)置灌流電路。