基于大功率開關電源中功率MOSFET的驅(qū)動技術

1.MOSFET柵極驅(qū)動電平的上升時間和下降時間功率MOSFET具有導通電阻低、負載電流大的優(yōu)點，因而非常適合用作開關電源(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，在導通之前要先對該電容充電，當電容電壓超過閾值電壓(VGS-TH)時MOSFET才開始導通。因此，柵極驅(qū)動器的負載能力必須足夠大，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?？梢钥吹剑瑸榱吮ＷCMOSFET導通，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，柵極電荷除以導通時間等于所需的驅(qū)動電流(在規(guī)定的時間內(nèi)導通)。

用公式表示如下：

QG = (CEI)(VGS)

IG = QG/t導通

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的漂移。

隨著市場對“智能型”電源設備的呼聲日漸強烈，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，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：必須相等，并且盡可能縮短。TC4427型驅(qū)動器在配接1000pF負載的情況下，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)。這兩項指標會因電壓和溫度不同而變化。Microchip公司的產(chǎn)品在這項指標上已經(jīng)躋身領先位置(同類產(chǎn)品此項指標至少要大4倍，集成在SMPS控制器中的驅(qū)動器這項指標更不理想)。

以上這些問題(直接關系到成本和可靠性)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未如此。

典型應用

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。　　TC4428A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以其導通電阻低和負載電流大的突出優(yōu)點，已經(jīng)成為SMPS控制器中開關組件的最佳選擇，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)品的設計需要。