MOS管最顯著的特性是開關特性好,所以被廣泛應用在需要電子開關的電路中,常見的如開關電源和馬達驅動,也有照明調光。
1、低壓應用
當使用5V電源,這時候如果使用傳統的圖騰柱結構,由于三極管的be有0.7V左右的壓降,導致實際最終加在gate上的電壓只有4.3V。這時候,我們選用標稱gate電壓4.5V的MOS管就存在一定的風險。
同樣的問題也發生在使用3V或者其他低壓電源的場合。
2、寬電壓應用
輸入電壓并不是一個固定值,它會隨著時間或者其他因素而變動。這個變動導致PWM電路提供給MOS管的驅動電壓是不穩定的。
為了讓MOS管在高gate電壓下安全,很多MOS管內置了穩壓管強行限制gate電壓的幅值。在這種情況下,當提供的驅動電壓超過穩壓管的電壓,就會引起較大的靜態功耗。
同時,如果簡單的用電阻分壓的原理降低gate電壓,就會出現輸入電壓比較高的時候,MOS管工作良好,而輸入電壓降低的時候gate電壓不足,引起導通不夠徹底,從而增加功耗。
3、雙電壓應用
在一些控制電路中,邏輯部分使用典型的5V或者3.3V數字電壓,而功率部分使用12V甚至更高的電壓。兩個電壓采用共地方式連接。
這就提出一個要求,需要使用一個電路,讓低壓側能夠有效的控制高壓側的MOS管,同時高壓側的MOS管也同樣會面對1和2中提到的問題。
在這三種情況下,圖騰柱結構無法滿足輸出要求,而很多現成的MOS驅動IC,似乎也沒有包含gate電壓限制的結構。
MOS管驅動電路
NMOS PMOS 驅動電路
針對NMOS驅動電路做一個簡單分析:
Vl和Vh分別是低端和高端的電源,兩個電壓可以是相同的,但是Vl不應該超過Vh。
Q1和Q2組成了一個反置的圖騰柱,用來實現隔離,同時確保兩只驅動管Q3和Q4不會同時導通。
R2和R3提供了PWM電壓基準,通過改變這個基準,可以讓電路工作在PWM信號波形比較陡直的位置。
Q3和Q4用來提供驅動電流,由于導通的時候,Q3和Q4相對Vh和GND最低都只有一個Vce的壓降,這個壓降通常只有0.3V左右,大大低于0.7V的Vce。
R5和R6是反饋電阻,用于對gate電壓進行采樣,采樣后的電壓通過Q5對Q1和Q2的基極產生一個強烈的負反饋,從而把gate電壓限制在一個有限的數值。這個數值可以通過R5和R6來調節。
最后,R1提供了對Q3和Q4的基極電流限制,R4提供了對MOS管的gate電流限制,也就是Q3和Q4的Ice的限制。必要的時候可以在R4上面并聯加速電容。
這個電路提供了如下的特性:
1,用低端電壓和PWM驅動高端MOS管。
2,用小幅度的PWM信號驅動高gate電壓需求的MOS管。
3,gate電壓的峰值限制
4,輸入和輸出的電流限制
5,通過使用合適的電阻,可以達到很低的功耗。
6,PWM信號反相。NMOS并不需要這個特性,可以通過前置一個反相器來解決。
自舉升壓電路
自舉升壓電路的原理圖如圖所示。所謂的自舉升壓原理就是,在輸入端IN輸入一個方波信號,利用電容Cboot將A點電壓抬升至高于VDD的電平,這樣就可以在B端輸出一個與輸入信號反相,且高電平高于VDD的方波信號。
當VIN為高電平時,NMOS管N1導通,PMOS管P1截止,C點電位為低電平。同時N2導通,P2的柵極電位為低電平,則P2導通。這就使得此時A點電位約為VDD,電容Cboot兩端電壓UC≈VDD。由于N3導通,P4截止,所以B點的電位為低電平。這段時間稱為預充電周期。
當VIN變為低電平時,NMOS管N1截止,PMOS管P1導通,C點電位為高電平,約為VDD。同時N2、N3截止,P3導通。這使得P2的柵極電位升高,P2截止。此時A點電位等于C點電位加上電容Cboot兩端電壓,約為2VDD。而且P4導通,因此B點輸出高電平,且高于VDD。這段時間稱為自舉升壓周期。
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