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MOS驅(qū)動的幾個特別的應(yīng)用

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MOS驅(qū)動的幾個特別的應(yīng)用

1、低壓應(yīng)用
當(dāng)使用5V電源適配器,這時候如果使用傳統(tǒng)的圖騰柱結(jié)構(gòu),由于三極管的be有0.7V左右的壓降,導(dǎo)致實際后面加在gate上的電壓只有4.3V。這時候,我們選用標(biāo)稱gate電壓4.5V的MOS管就存在一定的風(fēng)險。

同樣的問題也發(fā)生在使用3V或者其他低壓電源適配器的場合。

2、寬電壓應(yīng)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(dǎo)致PWM電路提供給MOS管的驅(qū)動電壓是不穩(wěn)定的。

為了讓MOS管在高gate電壓下安全,很多MOS管內(nèi)置了穩(wěn)壓管強行限制gate電壓的幅值。在這種情況下,當(dāng)提供的驅(qū)動電壓超過穩(wěn)壓管的電壓,就會引起較大的靜態(tài)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(xiàn)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(dǎo)通不夠徹底,從而增加功耗。

3、雙電壓應(yīng)用
在一些控制電路中,邏輯部分使用典型的5V或者3.3V數(shù)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(cè)能夠有效的控制高壓側(cè)的MOS管,同時高壓側(cè)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(jié)構(gòu)無法滿足輸出要求,而很多現(xiàn)成的MOS驅(qū)動IC,似乎也沒有包含gate電壓限制的結(jié)構(gòu)。

 三、相對通用的電路

電路圖如下:

圖1 用于NMOS的驅(qū)動電路

圖2 用于PMOS的驅(qū)動電路

這里只針對NMOS驅(qū)動電路做一個簡單分析:
Vl和Vh分別是低端和高端的電源適配器,兩個電壓可以是相同的,但是Vl不應(yīng)該超過Vh。

Q1和Q2組成了一個反置的圖騰柱,用來實現(xiàn)隔離,同時確保兩只驅(qū)動管Q3和Q4不會同時導(dǎo)通。

R2和R3提供了PWM電壓基準(zhǔn),通過改變這個基準(zhǔn),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(qū)動電流,由于導(dǎo)通的時候,Q3和Q4相對Vh和GND較低都只有一個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(jìn)行采樣,采樣后的電壓通過Q5對Q1和Q2的基極產(chǎn)生一個強烈的負(fù)反饋,從而把gate電壓限制在一個有限的數(shù)值。這個數(shù)值可以通過R5和R6來調(diào)節(jié)。

較后,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(lián)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(qū)動高端MOS管。
2,用小幅度的PWM信號驅(qū)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(dá)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。

在設(shè)計電源適配器時,提高產(chǎn)品性能、延長電池工作時間是設(shè)計人員需要面對的兩個問題。DC-DC轉(zhuǎn)換器具有效率高、輸出電流大、靜態(tài)電流小等優(yōu)點,非常適用于為便攜式設(shè)備供電。目前DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計技術(shù)發(fā)展主要趨勢有:
(1)高頻化技術(shù):隨著開關(guān)頻率的提高,開關(guān)變換器的體積也隨之減小,功率密度也得到大幅提升,動態(tài)響應(yīng)得到改善。小功率DC-DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率將上升到兆赫級。

(2)低輸出電壓技術(shù):隨著半導(dǎo)體**技術(shù)的不斷發(fā)展,微處理器和便攜式電子設(shè)備的工作電壓越來越低,這就要求未來的DC-DC變換器能夠提供低輸出電壓以適應(yīng)微處理器和便攜式電子設(shè)備的要求。

這些技術(shù)的發(fā)展對電源適配器芯片電路的設(shè)計提出了更高的要求。首先,隨著開關(guān)頻率的不斷提高,對于開關(guān)元件的性能提出了很高的要求,同時必須具有相應(yīng)的開關(guān)元件 驅(qū)動電路以保證開關(guān)元件在高達(dá)兆赫級的開關(guān)頻率下正常工作。其次,對于電池供電的便攜式電子設(shè)備來說,電路的工作電壓低(以鋰電池為例,工作電壓 2.5~3.6V),因此,電源適配器芯片的工作電壓較低。

MOS管具有很低的導(dǎo)通電阻,消耗能量較低,在目前流行的高效DC-DC芯片中多采用MOS管作為功率開關(guān)。但是由于MOS管的寄生電容大,一般情況下NMOS開關(guān)管的柵極電容高達(dá)幾十皮法。這對于設(shè)計高工作頻率DC-DC轉(zhuǎn)換器開關(guān)管驅(qū)動電路的設(shè)計提出了更高的要求。

在低電壓ULSI設(shè)計中有多種CMOS、BiCMOS采用自舉升壓結(jié)構(gòu)的邏輯電路和作為大容性負(fù)載的驅(qū)動電路。這些電路能夠在低于1V電壓供電條件下正常 工作,并且能夠在負(fù)載電容1~2pF的條件下工作頻率能夠達(dá)到幾十兆甚至上百兆赫茲。本文正是采用了自舉升壓電路,設(shè)計了一種具有大負(fù)載電容驅(qū)動能力的, 適合于低電壓、高開關(guān)頻率升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動電路。電路基于Samsung AHP615 BiCMOS工藝設(shè)計并經(jīng)過Hspice仿真驗證,在供電電壓1.5V ,負(fù)載電容為60pF時,工作頻率能夠達(dá)到5MHz以上。 
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| 發(fā)布時間:2018.07.17    來源:電源適配器廠家
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