[集成电路]初学者对MOSFET驱动电路应用实例

 MOSFET驱动器是一款高频高电压栅极驱动器，可利用一个同步 DC/DC 转换器和高达 100V 的电源电压来驱动两个 N 沟道 MOSFET。强大的驱动能力降低了具高栅极电容MOSFET中的开关损耗。针对两个与电源无关的输入进行配置。高压侧输入逻辑信号在内部被电平移位至自举电源，此电源可以在高出地电位达 114V 的电压条件下运行。

    在电源系统中，MOSFET驱动器一般仅用于将PWM控制IC的输出信号转换为高速的大电流信号，以便以最快的速度打开和关闭MOSFET。由于驱动器IC与MOSFET的位置相邻，所以就需要增加智能保护功能以增强电源的可靠性。

    应用实例：

    1.主要参数及特性

    MOSFET是由电压控制型器件，输入栅极电压VG控制着漏极电流ID，即一定条件下，漏极电流ID取决于栅极电压VG。极限参数有：漏源电压 VDS、栅源电压VGS、漏极电流ID，功耗PD。在使用中不能超过极限值，否则会损坏器件。主要电特性有：开启电压VGS(Th)；栅极电压为零时的IDSS电流；在一定的VGS条件下的导通电阻RDS(ON)。

    2.基于开关电源IC3843驱动电路

    HS70N06VGS一般3.1V就可以完全开启,也有很低的导通电阻RDS(ON),像3843这类内部带图腾柱驱动电路的IC一般都可以很轻松的驱动它.栅极电阻的选择范围也比较大,一般可以从几欧到几百欧.

    3.基于MCU图腾驱动电路

     MCU的工作电压都比较低(一般都在5.5V以下),不能直接驱动HS80N75或者说驱动能力很差.所以我们一般选择增加外部图腾驱动电路.

    利用智能MOSFET驱动器提升数字控制电源性能    

    UCD9110或UCD9501等新上市的数字电源控制器需要具备新型的智能型集成MOSFET驱动器的支持。电源设计人员仍然对数字电源控制技术心存疑虑。他们经常将PC的蓝屏现象归咎于软件冲突。当然，这种争议会阻碍数字控制电源以及查找控制器故障期间功率级保护策略的推广。这推动了不依赖数字电源控制器信号的具备功率级内部保护功能的MOSFET驱动器的发展。

图1：数字电源的典型实施方案。

    图1是数字控制电源的典型实施方案。图中左侧数字电源控制器通常的工作电压为3.3V。由于控制器设计中采用了数字低电压处理方法，出于对稳定性及噪声的考虑，不能直接使用该数字控制器驱动MOSFET。控制器与功率级之间的接口由MOSFET驱动器提供。通常由MOSFET驱动器接收PWM或数字控制器的输出信号，然后将其转换为适于高效开、关MOSFET的高电流信号。如果控制器信号受到干扰或出错，则普通MOSFET驱动器将无法提供任何保护功能。TI推出的UCD7K系列MOSFET驱动器将能够保护功率级免受因干扰驱动信号而导致的重大故障。MOSFET驱动器内置的超高速电流感应比较器提供了功率级保护。图2为相关结构图。

图2：UCD7500 MOSFET驱动器结构图

    大功率电源中MOSFET功率计算

    计算功率耗散

    要确定一个MOSFET场效应管是否适于某一特定应用，需要对其功率耗散进行计算。耗散主要包括阻抗耗散和开关耗散：PDDEVICETOTAL=PDRESISTIVE+PDSWITCHING

    由于MOSFET的功率耗散很大程度上取决于其导通电阻(RDS(ON))，计算RDS(ON)看似是一个很好的着手之处。但MOSFET的导通电阻取决于结温TJ。返过来，TJ又取决于MOSFET中的功率放大器耗散和MOSFET的热阻(ΘJA)。这样，很难确定空间从何处着手。由于在功率耗散计算中的几个条件相互依赖，确定其数值时需要迭代过程。

    同步整流器的耗散

    对于除负载外的所有负载，在开、关过程中，同步整流器的MOSFET的漏源电压通过捕获二极管箝制。因此，同步整流器没有引致开关损耗，使其功率耗散易于计算。需要考虑只是电阻耗散。

    最坏情况下损耗发生在同步整流器负载系数的情况下，即在输入电压为值时。通过使用同步整流器的RDS(ON)HOT和负载系数以及欧姆定律，就可以计算出功率耗散的近似值：PDSYNCHRONOUSRECTIFIER=[ILOAD2×RDS(ON)HOT]×[1> -(VOUT/VIN(MAX))]

    开关MOSFET的耗散

    开关MOSFET电阻损耗的计算与同步整流器的计算相仿，采用其(不同的)负载系数和RDS(ON)HOT：PDRESISTIVE=[ILOAD2×RDS(ON)HOT]×(VOUT/VIN)

    由于它依赖于许多难以定量且通常不在规格参数范围、对开关产生影响的因素，开关MOSFET的开关损耗计算较为困难。在下面的公式中采用粗略的近似值作为评估一个MOSFET的步，并在以后在实验室内对其性能进行验证：PDSWITCHING= (CRSS×VIN2×fSW×ILOAD)/IGATE

    其中CRSS为MOSFET的反向转换电容(一个性能参数)，fSW为开关频率，而IGATE为MOSFET的启动阈值处(栅极充电曲线平直部分的VGS)的MOSFET栅极驱动的吸收电流和的源极电流。

    一旦根据成本(MOSFET的成本是它所属于那一代产品的非常重要的功能)将选择范围缩小到特定的某一代MOSFET，那一代产品中功率耗散的就是具有相等电阻损耗和开关损耗的型号。若采用更小(更快)的器件，则电阻损耗的增加幅度大于开关损耗的减小幅度;而采用更大(RDS(ON)低)的器件中，则开关损耗的增加幅度大于电阻损耗的减小幅度。

    如果VIN是变化的，必须同时计算在VIN(MAX)和VIN(MIN)处的开关MOSFET的功率耗散。MOSFET最坏情况下功率耗散将出现在或输入电压处。耗散为两个函数的和：在VIN(MIN)(较高的负载系数)处达到的电阻耗散，和在VIN(MAX)(由于VIN2的影响)处达到的开关耗散。最理想的选择略等于在VIN极值的耗散，它平衡了VIN范围内的电阻耗散和开关耗散。

    如果在VIN(MIN)处的耗散明显较高，电阻损耗为主。在这种情况下，可以考虑采用较大的开关MOSFET，或并联多个以达到较低的 RDS(ON)值。但如果在VIN(MAX)处的耗散明显较高，则可以考虑减小开关MOSFET的尺寸(如果采用多个器件，或者可以去掉MOSFET)以使其可以更快地开关。