《電子技術(shù)應(yīng)用》
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大功率開關(guān)電源中功率MOSFET的驅(qū)動技術(shù)
摘要: 功率MOSFET具有導(dǎo)通電阻低、負(fù)載電流大的優(yōu)點,因而非常適合用作開關(guān)電源(switch-modepowersupplies,SMPS)的整流組件,不過,在選用MOSFET時有一些注意事項。
Abstract:
Key words :

  功率MOSFET具有導(dǎo)通電阻低、負(fù)載電流大的優(yōu)點,因而非常適合用作開關(guān)電源(switch-mode power supplies,SMPS)的整流組件,不過,在選用MOSFET時有一些注意事項。

  功率MOSFET和雙極型晶體管不同,它的柵極電容比較大,在導(dǎo)通之前要先對該電容充電,當(dāng)電容電壓超過閾值電壓(VGS-TH)時MOSFET才開始導(dǎo)通。因此,柵極驅(qū)動器的負(fù)載能力必須足夠大,以保證在系統(tǒng)要求的時間內(nèi)完成對等效柵極電容(CEI)的充電。

  在計算柵極驅(qū)動電流時,最常犯的一個錯誤就是將MOSFET的輸入電容(CISS)和CEI混為一談,于是會使用下面這個公式去計算峰值柵極電流。

  I = C(dv/dt)

  實際上,CEI的值比CISS高很多,必須要根據(jù)MOSFET生產(chǎn)商提供的柵極電荷(QG)指標(biāo)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電容充滿后的過充電荷

  典型的MOSFET曲線如圖1所示,很多MOSFET廠商都提供這種曲線。可以看到,為了保證MOSFET導(dǎo)通,用來對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(dǎo)通時間等于所需的驅(qū)動電流(在規(guī)定的時間內(nèi)導(dǎo)通)。

  用公式表示如下:

  QG = (CEI)(VGS)

  IG = QG/t導(dǎo)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(guī)定時間內(nèi)導(dǎo)通所需柵極驅(qū)動電流

  

  圖1

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

  隨著市場對“智能型”電源設(shè)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(xì)的CMOS工藝,供電電壓低于12V,集成的MOSFET驅(qū)動器同時可作為電平變換器使用,用來將TTL電平轉(zhuǎn)換為MOSFET驅(qū)動電平。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(dá)18V)滿足端到端(rail-to-rail)輸出的要求。

  抗鎖死能力是一項非常重要的指標(biāo),因為MOSFET一般都連接著感性電路,會產(chǎn)生比較強的反向沖擊電流。TC4427型MOSFET驅(qū)動器的輸出端可以經(jīng)受高達(dá)0.5A的反向電流而不損壞,性能不受絲毫影響。

  另外一個需要注意的問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(qū)動電平脈沖的上升或下降過程太長,或者傳輸延時過大,這時高壓側(cè)和低壓側(cè)的MOSFET在很短的時間里處于同時導(dǎo)通的狀態(tài),在電源和地之間形成了短路。瞬間短路電流會顯著降低電源的效率,使用專用的MOSFET驅(qū)動器可以從兩個方面改善這個問題:

  1.MOSFET柵極驅(qū)動電平的上升時間和下降時間必須相等,并且盡可能縮短。TC4427型驅(qū)動器在配接1000pF負(fù)載的情況下,脈沖上升時間tR和下降時間tF大約是25ns。其他一些輸出峰值電流更大的驅(qū)動器的這兩項指標(biāo)還可以更短。

  

  圖2

  2.驅(qū)動脈沖的傳播延時必需很短(與開關(guān)頻率匹配),才能保證高壓側(cè)和低壓側(cè)的MOSFET具有相等的導(dǎo)通延遲和截止延遲。例如,TC4427A型驅(qū)動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(biāo)會因電壓和溫度不同而變化。Microchip公司的產(chǎn)品在這項指標(biāo)上已經(jīng)躋身領(lǐng)先位置(同類產(chǎn)品此項指標(biāo)至少要大4倍,集成在SMPS控制器中的驅(qū)動器這項指標(biāo)更不理想)。

  以上這些問題(直接關(guān)系到成本和可靠性)在獨立的、專用的驅(qū)動器中都已得到了比較好的處理,但是在集成型器件或傳統(tǒng)的分立器件電路中卻遠(yuǎn)未如此。

  典型應(yīng)用

  便攜式計算機電源

  圖3為一個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(cè)驅(qū)動器,TC1411N的輸出峰值電流為1A,由于使用+5V供電,可以降低因柵極過充電引起的截止延時。TC4431是高壓側(cè)驅(qū)動器,輸出峰值電流可達(dá)1.5A。用這兩種器件驅(qū)動的MOSFET可以承受持續(xù)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(diào)的電壓,而目前常見的分立器件電源卻做不到。

  圖4的電路要比圖3簡單些,TC4428A在這里用作高壓側(cè)和低壓側(cè)的驅(qū)動器,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(qū)MOSFET可以承受持續(xù)25ns、大小為10A的漏極電流。

  

  圖4

  功率MOSFET以其導(dǎo)通電阻低和負(fù)載電流大的突出優(yōu)點,已經(jīng)成為SMPS控制器中開關(guān)組件的最佳選擇,專用MOSFET驅(qū)動器的出現(xiàn)又為優(yōu)化SMPS控制器帶來了契機。那些與SMPS控制器集成在一起的驅(qū)動器只適用于電路簡單、輸出電流小的產(chǎn)品;而那些用分立的有源或無源器件搭成的驅(qū)動電路既不能滿足對高性能的要求,也無法獲得專用單片式驅(qū)動器件的成本優(yōu)勢。專用驅(qū)動器的脈沖上升延時、下降延時和傳播延遲都很短暫,電路種類也非常齊全,可以滿足各類產(chǎn)品的設(shè)計需要。

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