MOS的減速加速電路設計

SCD-16---MOS的加速與減速

引言：在開始講解MOS的減速加速電路之前，我們還是先來回顧MOS開啟與關閉的根本機制。以NMOS為例，開啟NMOS本質是對G極進行充電，至Cgs電荷充滿，G極才會達到控制端電平值或者開啟閾值，關斷NMOS時，GS電荷需要泄放，至電荷泄放完畢，G極才會達到GND或者關斷閾值（傳送門：MOS-1：MOS的寄生模型。對于PMOS，這個過程則反過來，對G極充電關斷，G極放電開啟。

第二點，需要理解MOS的開啟與關斷是一個動態(tài)的過程，持續(xù)關斷或者開啟期間視作穩(wěn)態(tài)，控制端與G極電平相同，但開啟與關斷瞬間，控制端與G極的電平不同，G極的電平變化始終慢于控制端的電平變化，因此電平不同就會導致G極電流的流動，或流入G極或流出G極。

所以減速加速NMOS的根本機制就是：快速開啟NMOS--->增大流入G極的電流；減速開啟NMOS--->減小流入G極的電流；快速關斷NMOS--->加速釋放G極電荷；減速關斷NMOS--->減速釋放G極電荷（PMOS是一個逆過程）。

1.柵極電阻

因為柵極電阻直接控制了柵極電流的大小，所以開關速度隨柵極電阻值大小而變化。

增加柵極電阻值會減慢MOSFET的開關速度，并增加其開關損耗。降低柵極電阻值會增加MOSFET的開關速度，但由于導線雜散電感等因素的影響，可能導致在其漏極和源極端子之間施加浪涌電壓，因此有必要選擇最佳的柵極電阻。

不同的柵極電阻可以用于MOSFET的不同的開啟/關閉速度要求，圖16-1是如何使用不同的柵極電阻來開啟和關閉的一個示例。

圖16-1：驅動和關閉NMOS的不同路徑

開啟NMOS時，電流經過R1從控制端流向G極，關閉NMOS時，電流經過R2從G極流向控制端，此時調整R1和R2的值就可以實現(xiàn)開啟和關閉的某一個要求的速度差。

圖16-2：柵極電阻的更多配置

圖16-2示例了柵極電阻的另外兩種用法，圖16-2左導通時柵極電阻器：R1和R2并聯(lián)，關斷時的柵電阻器：R2，這樣可以做到開啟較快，關斷較慢；圖16-2右導通時柵極電阻：R1，關斷時的柵極電阻：R1和R2并聯(lián)，這樣可以做到開啟較慢，關斷較快。

2.加速關斷二極管

對于NMOS，關斷電流比較大時，能使MOSFET輸入電容放電速度更快，從而降低關斷損耗。大的放電電流可以通過選擇的低輸出阻抗的MOSFET或電壓器件來實現(xiàn)，最常用的就是如圖16-3的加速二極管。

圖16-3：加速二極管的使用示例

柵極關斷時，電流在電阻R1上產生的壓降大于二極管D1的導通壓降，這時二極管會導通，從而將電阻進行旁路，隨著電流的減小，二極管在電路中的作用越來越小。該電路作用會顯著的減小MOSFET關斷的延遲時間，但是這個電路有一定的缺點，那就是柵極的電流仍然需要流過IC內部的輸出驅動阻抗。

3.PNP加速關斷驅動電路

上面兩節(jié)相對于無柵極電阻的開關速度還是偏慢，更快的關斷方式則是主動“汲取”或者“灌入”電流。如圖16-4使用PNP加速NMOS關斷，開啟時電流通過二極管D，關斷時則利用PNP三極管主動從G極汲取電流。

圖16-4：PNP加速NMOS關斷

圖16-5展示了PNP加速NMOS關斷的動態(tài)過程電流流向。左圖在控制端從低電平往高電平切換時，Vbe＞0，Q2關斷，充電電流從二極管D流入，Q1開啟；右圖在控制端從高電平往低電平切換時，G極電平不會瞬間變化，此時Vbe＜-0.7V，Q2導通，Q2快速將電荷從G極汲取走，使G極電平快速下降，達到Q1快速關斷的目的。

圖16-5：PNP加速NMOS關斷的動態(tài)過程

PNP加速關斷電路是目前應用最多的電路，在加速三極管的作用下可以實現(xiàn)瞬間的柵源短路，從而達到最短的放電時間。之所以加二極管，一方面是保護三極管基極，另一方面是為導通電流提供回路及偏置。

該電路的優(yōu)點為可以近似達到推拉的效果，加速效果明顯。缺點是柵極由于經過兩個PN節(jié)，不能使柵極真正的達到0V（GND），但電壓很低，不影響NMOS的完全關斷。

4.NPN加速關斷驅動電路

圖16-6是使用NPN加速PMOS關斷的電路，關斷時電流通過二極管D，導通時則利用NPN三極管主動往G極灌入電流。

圖16-6：NPN加速PMOS關斷

圖16-7展示了NPN加速PMOS關斷的動態(tài)過程電流流向。左圖在控制端從高電平往低電平切換時，Vbe＜0，Q1關斷，放電電流從二極管D流出，Q2開啟；右圖在控制端從低電平往高電平切換時，G極電平不會瞬間變化，此時Vbe＞0.7V，Q1導通，Q1快速將電荷從G極灌入，使G極電平快速上升，達到Q2快速關斷的目的。

圖16-7：NPN加速PMOS關斷的動態(tài)過程

小結：

1：關于基極電阻的大小選擇，這在前面其實已經提到過，不建議使用K級別的電阻，常用阻值在3.3Ω/10Ω/33歐姆等等。除非有很明確的需求，根據歐姆定律計算出基極電流，然后匹配充電時間。

2：而使用PNP和NPN的加速，使用小信號三極管即可，其參數取決于MOS的開啟關斷閾值，控制端的電平高低，ID基本都可以滿足G極要求。

3：減速加速在高頻信號調理，大功率多相電源時使用比較多。

4：以上幾種電路使用Pspice進行仿真，可以直觀的得到性能差異（后續(xù)會有Pspice仿真章節(jié)補充此項）。