如何用分立元件做MOS驅(qū)動電路？

對于硬件開發(fā)，往往有上手比較棘手的兩個地方，一個是MOS驅(qū)動，另一個是運放設(shè)計。MOS驅(qū)動常常用于電機驅(qū)動、三相逆變以及其他大功率場合，而運放設(shè)計就是如何準確的采集電路流過的電流，其實兩個電路在實際中都是相互相成，有MOS驅(qū)動往往就有運放設(shè)計，而這一期主要總結(jié)下我自己設(shè)計的驅(qū)動板中，用分立元件搭建的MOS驅(qū)動調(diào)試中遇到的問題、自己的分析以及解決方法。

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如何用分立元件做MOS驅(qū)動電路

圖1 分立元件MOS驅(qū)動電路

如圖1所示，這是用三極管、二極管、電阻、電容分立元件搭建的MOS驅(qū)動電路。分析情況如下：

當VH為高電平，Q4就會導通是的Q1的基極為低電平，同時使得Q1導通，VCC-10V電壓通過二極管D1、三極管Q1、二極管D2、電阻R1驅(qū)動MOS管Q2的G極；

當VH為低電平，Q4就不會導通，所以Q1的基極沒有電流流過也處于截止狀態(tài)，所以VCC-10V電壓不會通過三極管Q1，那么沒有電壓驅(qū)動MOS管Q2的G極，由于MOS管Q2內(nèi)部寄生電容和電容C2的存在，G極處存在累計電荷，要通過三極管Q3和電阻R5釋放掉；

當VL為低電平，Q7基極有電流流過，所以Q5的集電極和發(fā)射極導通，導致Q5基極也流過電流，所以VCC-10V電壓通過三極管Q5、二極管D3、電阻R7對MOS管的G極進行驅(qū)動；

當VL為高電平，Q7基極無電流流過，所以三極管Q7不會導通，那么導致Q5的發(fā)射極和基極處于等電位，Q5的基極也無電流流過，Q5也處于截止狀態(tài)，同理三極管Q8和電阻R12組成放電電路對G極電荷進行放電。

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分析驅(qū)動電路自舉電容的作用

這里面有個元件可能剛上手分析的時候，弄不懂作用，是哪個呢？是電容C1。由于電容上的電壓不能突變，這里利用電容這個特性來更好的驅(qū)動MOS管的G極，這里你肯定有所疑問，那么沒有這個電容就不能驅(qū)動嗎？答案：不能。

在分析電容C1的作用時，首先需要明白，MOS管導通的條件是：

G極對地電壓還是GS之間的電壓差？

由于MOS驅(qū)動是G極電壓和S極電壓的電位差，所以當MOS管導通時，VAAA電壓直接加到MOS管的S極，（這里假設(shè)VAAA電壓為12V，G極對地驅(qū)動電壓為10V）所以MOS管的GS電壓差為：10V-12V=-2V，由于GS之間為負電壓，對于N溝道的MOS管，會導致DS之間處于截止狀態(tài)，所以需要一個電壓來抬高G極之間的電壓，當然有種方法是直接用高電壓電源直接驅(qū)動G極，但是通過MOS管的G極耐壓都是非常有限的，那么這個時候電容的作用就體現(xiàn)出來了，當MOS管導通會使得S極電壓為VAAA，由于電容的一端與MOS的S極連接，所以這一端電容電壓瞬間為VAAA，由于電容上電壓不能突變的特性，使得電容另一端電壓也增加了VAAA，所以電容另一端的電壓約等于VAAA+VCC-10V，如圖2所示，這里用了二極管D1來隔離電容C1上電壓和VCC-10V，這樣的做法使得MOS管導通后，G極驅(qū)動電壓克服了S極電壓抬高的原因。

圖2 驅(qū)動電路中自舉電容電壓的變化

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實際調(diào)試中一些問題分析以及解決方法

圖3 BLDC驅(qū)動電路

如圖3所示，這是利用六個MOS驅(qū)動三相電機的方案圖，這里采用H-PWM_L-ON的方式進行各個橋臂驅(qū)動（上橋給PWM進行驅(qū)動，下橋給導通信號驅(qū)動），要使得UV導通，那么要給MOS管Q17PWM信號，同時使得MOS管Q21導通。

圖4 驅(qū)動電路MOS管G極對地電壓波形

如圖4所示，這是測得MOS管Q17的G極對地電壓，圖中波形有明顯的尖峰，同時在實驗時MOS管容易發(fā)熱，就可以分析是MOS驅(qū)動電路沒有配置好。觀察波形發(fā)現(xiàn)，這個波形不是超調(diào)類導致的，所以判斷是MOS驅(qū)動連接的電阻過大導致驅(qū)動電流過小導致，這里將電路中電阻改為50Ω、15Ω、0Ω進行實驗，如下圖所示。

圖5 三種驅(qū)動電阻變化后波形

如圖5、6所示，將驅(qū)動電阻從100、50、15、0變化發(fā)現(xiàn)，驅(qū)動波形雖然有略微變化，但是驅(qū)動波形上升速度還是比較慢，這種上升比較慢的波形蠻像電容充電波形，這時檢查MOS管的G極有無電容，檢查發(fā)現(xiàn)有兩個電容：一個是與G極直接連接的電容C2、另一個是相間電容C4，如下圖所示：

圖6 影響MOS管G極驅(qū)動波形電容

如圖6所示，有可能是電容C2和C4的影響，所以將兩個電容同時去掉后，再進行實驗后，波形如下所示：

圖7 去掉電容后波形

如圖7所示，將兩個電容去掉后，驅(qū)動波形明顯上升速度有所提高，但是為什么下降電壓會到負值？主要是電機內(nèi)部電感的存在，電流不能馬上突變到0，需要通過下橋進行續(xù)流。

圖8 U+V-導通時電流走向

如圖8所示，這是U上橋和V下橋?qū)〞r電流走向圖，其中電流內(nèi)部電感的電壓為左正右負。

圖9 U+不導通時電流續(xù)流走向

如圖8所示，這是U上橋不導通和V下橋?qū)〞r電流續(xù)流走向圖，其中電流內(nèi)部電感的電壓為左負右正。由于分立元件驅(qū)動電路中G極通過電壓和三極管和U相直接連接，沒有進行隔離，所以G極電壓可以下降到負電壓，這是正常的。實驗中是測量G極對地電壓，這是錯誤的，實際是測GS之間的電壓，如下圖所示：

圖10 GS之間電壓波形

如圖10所示，這是將MOS管驅(qū)動電阻換為50Ω，G極電容去掉，并測量GS之間的電壓波形，還是比較好的驅(qū)動波形，實際驅(qū)動電機，也沒有明顯的發(fā)燙。