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根据大功率开关电源中功率MOSFET的驱动技能

1.MOSFET栅极驱动电平的上升时间和下降时间功率MOSFET具有导通电阻低、负载电流大的优点,因而非常适合用作开关电源(switch-mode power supplies,S

1.MOSFET栅极驱动电平的上升时刻和下降时刻功率MOSFET具有导通电阻低、负载电流大的长处,因而十分合适用作开关电源(switch-mode power supplies,SMPS)的整流组件,不过,在选用MOSFET时有一些留意事项。

功率MOSFET和双极型晶体管不同,它的栅极电容比较大,在导通之前要先对该电容充电,当电容电压超越阈值电压(VGS-TH)时MOSFET才开端导通。因而,栅极驱动器的负载才干有必要足够大,以确保在体系要求的时刻内完结对等效栅极电容(CEI)的充电。

在核算栅极驱动电流时,最常犯的一个过错便是将MOSFET的输入电容(CISS)和CEI相提并论,所以会运用下面这个公式去核算峰值栅极电流。

I = C(dv/dt)

实际上,CEI的值比CISS高许多,有必要要根据MOSFET生产商供给的栅极电荷(QG)目标核算。

QG是MOSFET栅极电容的一部分,核算公式如下:

QG = QGS + QGD + QOD

其间:

QG–总的栅极电荷

QGS–栅极-源极电荷

QGD–栅极-漏极电荷(Miller)

QOD–Miller电容充溢后的过充电荷

典型的MOSFET曲线如图1所示,许多MOSFET厂商都供给这种曲线。能够看到,为了确保MOSFET导通,用来对CGS充电的VGS要比额定值高一些,而且CGS也要比VTH高。栅极电荷除以VGS等于CEI,栅极电荷除以导通时刻等于所需的驱动电流(在规则的时刻内导通)。

用公式表明如下:

QG = (CEI)(VGS)

IG = QG/t导通

其间:

● QG 总栅极电荷,界说同上。

● CEI 等效栅极电容

● VGS 删-源极间电压

● IG 使MOSFET在规则时刻内导通所需栅极驱动电流

图1

以往的SMPS控制器中直接集成了驱动器,这关于某些产品而言十分有用,可是,因为这种驱动器的输出峰值电流一般小于1A,所以运用规模比较有限。别的,驱动器宣布的热还会形成电压基准的漂移。

跟着商场对“智能型”电源设备的呼声日渐激烈,人们研发出了功用愈加完善的SMPS控制器。这些新式控制器悉数选用精密的CMOS工艺,供电电压低于12V,集成的MOSFET驱动器一起可作为电平变换器运用,用来将TTL电平转换为MOSFET驱动电平。以TC4427A为例,该器材的输入电压规模(VIL = 0.8V,VIH = 2.4V)和输出电压规模(与最大电源电压持平,可达18V)满意端到端(rail-to-rail)输出的要求。

抗锁死才干是一项十分重要的目标,因为MOSFET一般都连接着理性电路,会发生比较强的反向冲击电流。TC4427型MOSFET驱动器的输出端能够饱尝高达0.5A的反向电流而不损坏,功能不受一点点影响。

别的一个需求留意的问题是对瞬间短路电流的接受才干,关于高频SMPS特别如此。瞬间短路电流的发生通常是因为驱动电平脉冲的上升或下降进程太长,或许传输延时过大,这时高压侧和低压侧的MOSFET在很短的时刻里处于一起导通的状况,在电源和地之间形成了短路。瞬间短路电流会明显下降电源的功率,运用专用的MOSFET驱动器能够从两个方面改进这个问题:有必要持平,而且尽可能缩短。TC4427型驱动器在配接1000pF负载的情况下,脉冲上升时刻tR和下降时刻tF大约是25ns。其他一些输出峰值电流更大的驱动器的这两项目标还能够更短。

图2

2.驱动脉冲的传达延时必需很短(与开关频率匹配),才干确保高压侧和低压侧的MOSFET具有持平的导通推迟和截止推迟。例如,TC4427A型驱动器的脉冲上升沿和下降沿的传达推迟均小于2ns(如图2)。这两项目标会因电压和温度不同而改变。Microchip公司的产品在这项目标上现已跻身抢先方位(同类产品此项目标至少要大4倍,集成在SMPS控制器中的驱动器这项目标更不抱负)。

以上这些问题(直接关系到本钱和可靠性)在独立的、专用的驱动器中都已得到了比较好的处理,可是在集成型器材或传统的分立器材电路中却远未如此。

典型运用

便携式核算机电源

图3为一个高功率同步升压变换器的电路,其输入电压规模是5V至30V,能够与AC/DC整流器(14V/30V)相连,也能够用电池供电(7.2V至10.8V)。

图3

图3中的TC1411N是一种低压侧驱动器,TC1411N的输出峰值电流为1A,因为运用+5V供电,能够下降因栅极过充电引起的截止延时。TC4431是高压侧驱动器,输出峰值电流可达1.5A。用这两种器材驱动的MOSFET能够接受继续30ns、巨细为10A的漏极电流。

台式电脑电源

图4为一种台式电脑的电源电路,其间的同步降压变换器一般用于CPU的供电,其输出电流一般不低于6A。这种电路能够供给巨细可调的电压,而现在常见的分立器材电源却做不到。

图4的电路要比图3简略些,TC4428A在这里用作高压侧和低压侧的驱动器,而且同享电源VDD;为了下降本钱,电路中运用了N沟道MOSFET。  TC4428A的输出才干较强,用它驱MOSFET能够接受继续25ns、巨细为10A的漏极电流。

图4

功率MOSFET以其导通电阻低和负载电流大的杰出长处,现已成为SMPS控制器中开关组件的最佳挑选,专用MOSFET驱动器的呈现又为优化SMPS控制器带来了关键。那些与SMPS控制器集成在一起的驱动器只适用于电路简略、输出电流小的产品;而那些用分立的有源或无源器材搭成的驱动电路既不能满意对高功能的要求,也无法取得专用单片式驱动器材的本钱优势。专用驱动器的脉冲上升延时、下降延时和传达推迟都很时间短,电路品种也十分完全,能够满意各类产品的规划需求。

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