針對應(yīng)用選擇正確的MOSFET驅(qū)動器

針對應(yīng)用選擇正確的MOSFET驅(qū)動器

　目前，現(xiàn)有的MOSFET技術(shù)和硅工藝種類繁多，這使得選擇合適的MOSFET驅(qū)動器成了一個富有挑戰(zhàn)性的過程。

　　從功能上講，MOSFET驅(qū)動器將邏輯信號轉(zhuǎn)變成較高的電壓和電流，以很短的響應(yīng)時間驅(qū)動MOSFET柵極的開和關(guān)。例如，使用MOSFET驅(qū)動器可以將一個5V、低電流的單片機輸出信號轉(zhuǎn)變成一個18V、幾安培的驅(qū)動信號來作為功率MOSFET的輸入。針對應(yīng)用選擇正確的MOSFET驅(qū)動器，需要對與MOSFET柵極電荷和工作頻率相關(guān)的功耗有透徹的理解。例如，不管柵極電壓的轉(zhuǎn)變快或慢，MOSFET柵極充電或放電時所需的能量是相同的。

　　MOSFET驅(qū)動器的功耗性能由以下三個關(guān)鍵因素決定：

　　1 MOSFET柵極電容的充電和放電引起的功耗；

　　2 MOSFET驅(qū)動器靜態(tài)電流引起的功耗；

　　3 MOSFET驅(qū)動器內(nèi)的交越導(dǎo)通（直通）電流引起的功耗。

　　其中，由MOSFET柵極電容的充電和放電引起的功耗是最重要的，特別是當(dāng)開關(guān)頻率較低時。功耗由式(1)計算得出。

Pc=Cg×Vdd2×F????????????? (1)

　　其中，Cg是MOSFET的柵極電容；Vdd是MOSFET驅(qū)動器的工作電壓（V）；F是開關(guān)頻率。

　　峰值驅(qū)動電流的重要性

　　除了功耗，設(shè)計人員必須理解MOSFET驅(qū)動器要求的峰值驅(qū)動電流和相關(guān)的開關(guān)時間。在某一應(yīng)用中，MOSFET驅(qū)動器和MOSFET的匹配由該應(yīng)用要求的功率MOSFET的開關(guān)速度決定。在任何應(yīng)用中，最理想的上升或下降時間基于多方面的要求，如電磁干擾（EMI）、開關(guān)損耗、引線/電路感應(yīng)系數(shù)和開關(guān)頻率。柵極電容、轉(zhuǎn)變時間和MOSFET驅(qū)動器的額定電流之間的關(guān)系由式(2)表示：

dT=[dV×C]/I?????????????? (2)

　　其中，dT是開／關(guān)時間；dV是柵極電壓；C是柵極電容；I是MOSFET峰值驅(qū)動電流。

　　MOSFET柵極總電容完全可以由柵極總電荷（QG）決定。柵極電荷QG由式(3)得出：

QG=C×V?????????????????? (3)

　　最后得出I=QG/dT。在這種方法中，假定電流是恒定的。有一個不錯的經(jīng)驗是：電流的平均值等于MOSFET驅(qū)動器額定峰值電流的二分之一。

　　MOSFET驅(qū)動器的功率由驅(qū)動器的輸出峰值電流驅(qū)動能力決定。額定峰值電流通常是相對最大偏壓而言的。這就是說，如果使用的MOSFET驅(qū)動器的偏壓較低，那么它的峰值電流驅(qū)動能力也將被削弱。

　　例如，所需的MOSFET峰值驅(qū)動電流可通過以下供應(yīng)商數(shù)據(jù)手冊中的設(shè)計參數(shù)計算得出。MOSFET柵極電荷為20nC（Q），MOSFET柵極電壓為12V（dV），開/關(guān)時間為40ns（dT），可得I=0.5A。

　　設(shè)計人員還可采用另外一種方法來選擇合適的MOSFET驅(qū)動器，即時間恒定法。在這種方法中，用到了MOSFET驅(qū)動器電阻、任何一個外部柵極電阻和集中電容。

Tcharge=((Rdriver+Rgate)×Ctotal)×TC? (4)

　　這里，Rdriver是輸出驅(qū)動器級的導(dǎo)通電阻（RDS-ON）；Rgate是驅(qū)動器和MOSFET柵極間任何一個外部柵極電阻；Ctotal是柵極總電容；TC是時間常數(shù)的值。例如，Qtotal=68nC，Vgate=10V，Tcharge=50nsec，TC=3，Rgate=0Ω，Rdriver=(Tcharge/TC×Ctotal)-Rgate，可得Rdriver=2.45Ω。

　　當(dāng)式(4)表示一個R-C時間常數(shù)時，采用TC為3意味著充電后，電容充電量達到充電電壓的95%。在柵極電壓達到6V時，大多數(shù)的MOSFET完全處于“開”的狀態(tài)?；诖?，TC值為1時（即充電量達到充電電壓的63%時）可能就滿足應(yīng)用需求了，并且允許使用額定電流更低的驅(qū)動器IC。

　　電機控制應(yīng)用中的MOSFET驅(qū)動器選擇

　　讓我們來設(shè)計一個示例，即為電機控制應(yīng)用選擇一個MOSFET驅(qū)動器，在電機控制應(yīng)用中，電機的速度和旋轉(zhuǎn)方向是變化的。該應(yīng)用要求用于電機的電壓是可調(diào)的。通常，電機類型、功率開關(guān)拓?fù)浜凸β书_關(guān)元件將指定必需的柵極驅(qū)動電路以實現(xiàn)這種要求。

　　第一步是為該應(yīng)用選擇正確的功率開關(guān)元件，它由被驅(qū)動電機的額定功率來決定。一個需要考慮的重要參數(shù)是啟動電流值，它的值最高可以達到穩(wěn)態(tài)工作電流值的3倍。

　在電機驅(qū)動應(yīng)用中，主要有兩種功率開關(guān)元件可供選擇——MOSFET和IGBT。如果選擇MOSFET，那么就可以得出柵極驅(qū)動應(yīng)用中MOSFET驅(qū)動器的額定功率。

　　如圖1所示，器件的輸入級把輸入的低電壓信號轉(zhuǎn)化成電壓覆蓋全范圍（GND到Vdd）的信號。MOSFET Q1和Q2代表的是MOSFET驅(qū)動器的上拉和下拉輸出驅(qū)動器級。將MOSFET驅(qū)動器的輸出級看作MOSFET的一個推挽對，就容易理解它是如何工作的。

圖1 MOSFET驅(qū)動器示例的電路框圖

　　對于同相驅(qū)動器，當(dāng)輸入信號變?yōu)楦邞B(tài)時，Q1和Q2共同的柵極信號被拉低。該柵極節(jié)點的電壓從Vdd轉(zhuǎn)變到GND所需的時間通常少于10ns。這種快速轉(zhuǎn)變抑制了在Q1和Q2之間產(chǎn)生交越導(dǎo)通的時間，并且使Q1迅速地達到其完全增強態(tài)，以盡快實現(xiàn)峰值電流。除圖1的示例外，還有其他的MOSFET驅(qū)動器電路結(jié)構(gòu)。

　　當(dāng)電機被驅(qū)動時，功率開關(guān)元件和柵極驅(qū)動電路是已知的，可以根據(jù)上面的公式(4)或公式(5)來選擇MOSFET。

　　使用電子數(shù)據(jù)表選擇MOSFET驅(qū)動器

　　當(dāng)選定MOSFET后，可以使用由供應(yīng)商提供的電子數(shù)據(jù)表來選擇一個合適的MOSFET驅(qū)動器，這種便于使用的工具能快速地確定MOSFET驅(qū)動器所需峰值電流。

　　首先，選擇一個MOSFET，并將它的數(shù)據(jù)手冊放在手邊?，F(xiàn)在，在正確的框中填入輸入條件的值，例如MOSFET的源漏電壓（Vds）、MOSFET的柵源電壓（Vgs）、MOSFET驅(qū)動器電壓（Vdd）、開關(guān)頻率、占空比、預(yù)估的上升時間（tr）和柵極總電荷（QG）。于是就能計算出MOSFET驅(qū)動器的峰值輸出電流IPK。根據(jù)IPK的值就能確定合適的、具有成本效益的MOSFET驅(qū)動器。選定MOSFET驅(qū)動器后，工具能夠計算出器件的功耗和允許的最大工作環(huán)境溫度，此處假定熱損耗不計。