Mosfet驅(qū)動電路開發(fā)進階之路

常見的MOS管驅(qū)動方式有非隔離的直接驅(qū)動、自舉驅(qū)動，和有隔離的變壓器驅(qū)動、光耦隔離驅(qū)動等。在常用的開關電源拓撲結(jié)構(gòu)中，像Buck、全橋、半橋等，采用NMOS作為開關管，其中有的管子S端不接地，電位隨著MOS管的導通狀態(tài)而變化，而驅(qū)動MOS管的柵極信號是基于S端電位的，MOS管的開啟電壓在4.5V左右，為了保證管子完全打開，一般驅(qū)動電壓要大于10V，取12-15V左右為宜。所以要保證MOS管能正常工作，G極電壓要隨S端電位變化而時刻變化，且GS間電壓要能達到穩(wěn)定的12V。

若采用直接驅(qū)動方式，電平是基于電路的地，當S端電位一抬高，G端電位不變，MOS管無法正常工作；這時可以選擇一個電容，負端接在S端，正端保持一個12V穩(wěn)定電源，通過這個電容給G端充電，則可以實現(xiàn)GS端有個穩(wěn)定的12V電壓。這就好比水位，電容是個水缸，飄在河上，S端電位好比河水的水位，電路的地好比海平面，一般都以海平面為基準，河水水位隨天氣變化會有高低變化，而水缸的水位不管河水如何變化，它與河水的水位高度差始終不變。這種驅(qū)動方式就叫做自舉驅(qū)動，儲能的電容稱為自舉電容，S端電位可稱作“懸浮地”。如下圖1所示，其中C5為自舉電容，一般取幾uF到100uF之間。

但圖1所示電路是不完整的，通過自舉電容給前面驅(qū)動供電，但是誰給自舉電容充電呢？假設電路正常工作，只有兩個位置電壓比較穩(wěn)定，一個是輸入電壓30V，一個輸出電壓12V。若長期用輸入電源充電，有18V（30-12）壓差，若采用限流電阻大，則30V經(jīng)過限流電阻給電容充電速度慢，電流小不足以啟動驅(qū)動部分；選擇限流電阻小，損耗很大，而輸出電壓12V與自舉電容所需電壓一致，且在電路正常工作時，能提供較大的充電電流維持自舉電容電壓穩(wěn)定。

輸出電壓能直接接到自舉電容上嗎？答案是否定的，分析電路工作過程，當MOS管關閉期間，由于二極管的鉗位作用，S端電位位-0.7V，則G端電位小于等于11.3V，這樣輸出可以對自舉電容實現(xiàn)充電；當MOS導通，S端電位近似為30V，此時G端電位大于輸出電壓，如果直接相連的話就會出現(xiàn)自舉電容對輸出充電，很快會放完，導致下個周期無法啟動驅(qū)動，這是不被允許的，所以充電有方向，這里需要接一個快恢二極管。

接下來再分析電路工作過程：當電源一上電，會發(fā)現(xiàn)電路無法啟動，因為自舉電容沒有電壓，沒有驅(qū)動就沒有輸出，所以開機時需要輸入電源先給自舉電容充電，當充至12V時再給前面驅(qū)動電路供電。由于有18V的壓差，為減小損耗，這里可以選擇一個20k左右的限流電阻，這樣給自舉電容大約1mA左右的小電流緩慢充電，這樣做的另一個好處就是實現(xiàn)了電路的軟啟動，減小應力。但是充電電流只有1mA，前面有三角波發(fā)生器、電平可調(diào)電路以及驅(qū)動電路所需電流至少有幾十mA，直接充會發(fā)現(xiàn)永遠充不滿自舉電容，因為充電電流不夠，這時可以設計這么一個開關，當?shù)谝淮紊想姇r，30V輸入電源以1mA電流給自舉電容充電，此時這個開關關閉，不給后面電路供電，當自舉電容的電壓充至12V時，才打開開關，自舉電容給驅(qū)動供電，使電路有一定的輸出，輸出電壓又給自舉電容及時補充能量，使其能正常工作。所以這個開關的目的是第一次上電使電容充電至12V，之后便一直處于開通狀態(tài)即可。

沿著這個思路，首先選擇開關管，由于是接在電源端，所以這里選擇P管，要想充到12V左右導通，可以選擇一個11V的穩(wěn)壓二極管串在b和地之間。為了限流，加一個限流電阻。但是由于存在著這個穩(wěn)壓二極管，當自舉電容的電壓稍有降低，比如降到11V，則開關管就關斷了，而輸出電壓升到12V需要一段時間，沒有達到比自舉電容高的電位，就無法給自舉電容充電，電路就無法繼續(xù)工作。而造成這個的關鍵就是11V的穩(wěn)壓二極管，如果當開關打開后，就把這個二極管短路，那么就可以解決這個問題，所以這里也需要一個開關，而且是短接到地，選擇N管，具體如圖2所示。圖中Q5為PNP，Q4為NPN，開機一上電，Q5關閉，30V經(jīng)過R5給C5充電，充至12V左右，Q5導通，則其集電極電位達到11.3V，利用這點電位，去驅(qū)動Q4導通，這樣就可以實現(xiàn)Q4短路D4，這樣即使自舉電容降低到6V依然可以使Q5導通，繼續(xù)輸出電流維持驅(qū)動電路工作，從而帶動整個電路工作。

圖2 自舉電容充電電路

至此，Buck電路的自舉驅(qū)動電路部分就設計完成了。自舉驅(qū)動由于其電路簡單，在很多地方有廣泛應用，特別是Buck、橋式電路中。但在實際設計中，從電路的簡潔性、可靠性角度考慮，更多的是選擇集成芯片。相應的集成芯片也很多，比如IR公司的IR21XX系列，常用IR2104，IR2110，還有TI公司的，如下圖3所示型號

圖為3 TI公司自舉驅(qū)動芯片部分型號

根據(jù)數(shù)據(jù)手冊，選擇合適的集成芯片來完成電路設計。

學完感覺自己的知識力量要上天