Mosfet驅(qū)動(dòng)電路開發(fā)進(jìn)階之路

常見的MOS管驅(qū)動(dòng)方式有非隔離的直接驅(qū)動(dòng)、自舉驅(qū)動(dòng)，和有隔離的變壓器驅(qū)動(dòng)、光耦隔離驅(qū)動(dòng)等。在常用的開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，像Buck、全橋、半橋等，采用NMOS作為開關(guān)管，其中有的管子S端不接地，電位隨著MOS管的導(dǎo)通狀態(tài)而變化，而驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(shí)刻變化，且GS間電壓要能達(dá)到穩(wěn)定的12V。

若采用直接驅(qū)動(dòng)方式，電平是基于電路的地，當(dāng)S端電位一抬高，G端電位不變，MOS管無法正常工作；這時(shí)可以選擇一個(gè)電容，負(fù)端接在S端，正端保持一個(gè)12V穩(wěn)定電源，通過這個(gè)電容給G端充電，則可以實(shí)現(xiàn)GS端有個(gè)穩(wěn)定的12V電壓。這就好比水位，電容是個(gè)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(zhǔn)，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(dòng)方式就叫做自舉驅(qū)動(dòng)，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u(yù)F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(dòng)供電，但是誰給自舉電容充電呢？假設(shè)電路正常工作，只有兩個(gè)位置電壓比較穩(wěn)定，一個(gè)是輸入電壓30V，一個(gè)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(dòng)驅(qū)動(dòng)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(shí)，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(dāng)MOS管關(guān)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(shí)現(xiàn)充電；當(dāng)MOS導(dǎo)通，S端電位近似為30V，此時(shí)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(dǎo)致下個(gè)周期無法啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)，這是不被允許的，所以充電有方向，這里需要接一個(gè)快恢二極管。

接下來再分析電路工作過程：當(dāng)電源一上電，會發(fā)現(xiàn)電路無法啟動(dòng)，因?yàn)樽耘e電容沒有電壓，沒有驅(qū)動(dòng)就沒有輸出，所以開機(jī)時(shí)需要輸入電源先給自舉電容充電，當(dāng)充至12V時(shí)再給前面驅(qū)動(dòng)電路供電。由于有18V的壓差，為減小損耗，這里可以選擇一個(gè)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(gè)好處就是實(shí)現(xiàn)了電路的軟啟動(dòng)，減小應(yīng)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(dòng)電路所需電流至少有幾十mA，直接充會發(fā)現(xiàn)永遠(yuǎn)充不滿自舉電容，因?yàn)槌潆婋娏鞑粔?，這時(shí)可以設(shè)計(jì)這么一個(gè)開關(guān)，當(dāng)?shù)谝淮紊想姇r(shí)，30V輸入電源以1mA電流給自舉電容充電，此時(shí)這個(gè)開關(guān)關(guān)閉，不給后面電路供電，當(dāng)自舉電容的電壓充至12V時(shí)，才打開開關(guān)，自舉電容給驅(qū)動(dòng)供電，使電路有一定的輸出，輸出電壓又給自舉電容及時(shí)補(bǔ)充能量，使其能正常工作。所以這個(gè)開關(guān)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(gè)思路，首先選擇開關(guān)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(dǎo)通，可以選擇一個(gè)11V的穩(wěn)壓二極管串在b和地之間。為了限流，加一個(gè)限流電阻。但是由于存在著這個(gè)穩(wěn)壓二極管，當(dāng)自舉電容的電壓稍有降低，比如降到11V，則開關(guān)管就關(guān)斷了，而輸出電壓升到12V需要一段時(shí)間，沒有達(dá)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(gè)的關(guān)鍵就是11V的穩(wěn)壓二極管，如果當(dāng)開關(guān)打開后，就把這個(gè)二極管短路，那么就可以解決這個(gè)問題，所以這里也需要一個(gè)開關(guān)，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(jī)一上電，Q5關(guān)閉，30V經(jīng)過R5給C5充電，充至12V左右，Q5導(dǎo)通，則其集電極電位達(dá)到11.3V，利用這點(diǎn)電位，去驅(qū)動(dòng)Q4導(dǎo)通，這樣就可以實(shí)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(dǎo)通，繼續(xù)輸出電流維持驅(qū)動(dòng)電路工作，從而帶動(dòng)整個(gè)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(dòng)電路部分就設(shè)計(jì)完成了。自舉驅(qū)動(dòng)由于其電路簡單，在很多地方有廣泛應(yīng)用，特別是Buck、橋式電路中。但在實(shí)際設(shè)計(jì)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(yīng)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(dòng)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(shè)計(jì)。

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