大功率MOSFET驅動技術詳解

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)要求的時間內完成對等效柵極電容（CEI）的充電。

在計算柵極驅動電流時，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?，為了保證MOSFET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動電流（在規(guī)定的時間內導通）。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)定時間內導通所需柵極驅動電流

圖1

以往的SMPS控制器中直接集成了驅動器，這對于某些產品而言非常實用，但是，由于這種驅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驅動器同時可作為電平變換器使用，用來將TTL電平轉換為MOSFET驅動電平。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，會產生比較強的反向沖擊電流。TC4427型MOSFET驅動器的輸出端可以經受高達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。瞬間短路電流的產生通常是由于驅動電平脈沖的上升或下降過程太長，或者傳輸延時過大，這時高壓側和低壓側的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驅動器可以從兩個方面改善這個問題：

1．MOSFET柵極驅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動器的這兩項指標還可以更短。

圖1

以往的SMPS控制器中直接集成了驅動器，這對于某些產品而言非常實用，但是，由于這種驅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驅動器同時可作為電平變換器使用，用來將TTL電平轉換為MOSFET驅動電平。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，會產生比較強的反向沖擊電流。TC4427型MOSFET驅動器的輸出端可以經受高達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。瞬間短路電流的產生通常是由于驅動電平脈沖的上升或下降過程太長，或者傳輸延時過大，這時高壓側和低壓側的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驅動器可以從兩個方面改善這個問題：

1．MOSFET柵極驅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動器的這兩項指標還可以更短。

圖2

2．驅動脈沖的傳播延時必需很短（與開關頻率匹配），才能保證高壓側和低壓側的MOSFET具有相等的導通延遲和截止延遲。例如，TC4427A型驅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公司的產品在這項指標上已經躋身領先位置（同類產品此項指標至少要大4倍，集成在SMPS控制器中的驅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是一種低壓側驅動器，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是高壓側驅動器，輸出峰值電流可達1.5A。用這兩種器件驅動的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在這里用作高壓側和低壓側的驅動器，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，已經成為SMPS控制器中開關組件的最佳選擇，專用MOSFET驅動器的出現(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動器只適用于電路簡單、輸出電流小的產品；而那些用分立的有源或無源器件搭成的驅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動器件的成本優(yōu)勢。專用驅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，可以滿足各類產品的設計需要。