深剖:寄生參數與驅動電路如何影響MOS管?
發布時間:2015-05-22 責任編輯:sherry
【導讀】本文主要為大家講解的是我們在應用MOS管和設計MOS管驅動的時候,寄生參數是如何影響MOS管的?還有深度剖析下MOS管驅動電路有哪些要點的?
我們在應用MOS管和設計MOS管驅動的時候,有很多寄生參數,其中最影響MOS管開關性能的是源邊感抗。寄生的源邊感抗主要有兩種來源,第一個就是晶圓DIE和封裝之間的Bonding線的感抗,另外一個就是源邊引腳到地的PCB走線的感抗(地是作為驅動電路的旁路電容和電源網絡濾波網的返回路徑)。在某些情況下,加入測量電流的小電阻也可能產生額外的感抗。
我們分析一下源邊感抗帶來的影響:
1.使得MOS管的開啟延遲和關斷延遲增加
由you於yu存cun在zai源yuan邊bian電dian感gan,在zai開kai啟qi和he關guan段duan初chu期qi,電dian流liu的de變bian化hua被bei拽zhuai了le,使shi得de充chong電dian和he放fang電dian的de時shi間jian變bian長chang了le。同tong時shi源yuan感gan抗kang和he等deng效xiao輸shu入ru電dian容rong之zhi間jian會hui發fa生sheng諧xie振zhen(這個諧振是由於驅動電壓的快速變壓形成的,也是我們在 G端看到震蕩尖峰的原因),我們加入的門電阻Rg和內部的柵極電阻Rm都會抑製這個震蕩(震蕩的Q值非常高)。

我們需要加入的優化電阻的值可以通過上述的公式選取,如果電阻過大則會引起G端電壓的過衝(優點是加快了開啟的過程),電阻過小則會使得開啟過程變得很慢,加大了開啟的時間(雖然G端電壓會被抑製)。
園感抗另外一個影響是阻礙Id的變化,當開啟的時候,初始時di/dt偏大,因此在原感抗上產生了較大壓降,從而使得源點點位抬高,使得Vg電壓大部分加在電感上麵,因此使得G點的電壓變化減小,進而形成了一種平衡(負反饋係統)。
另外一個重要的寄生參數是漏極的感抗,主要是有內部的封裝電感以及連接的電感所組成。
在開啟狀態的時候Ld起到了很好的作用(Subber吸收的作用),開啟的時候由於Ld的作用,有效的限製了di/dt/(同時減少了開啟的功耗)。在關斷的時候,由於Ld的作用,Vds電壓形成明顯的下衝(負壓)並顯著的增加了關斷時候的功耗。
下麵談一下驅動(直連或耦合的)的一些重要特性和典型環節:
直連電路最大挑戰是優化布局
實際上驅動器和MOS管一般離開很遠,因此在源級到返回路徑的環路上存在很大的感抗,即使我們考慮使用地平麵,那麼我們仍舊需要一段很粗的PCB線連接源級和地平麵。

另外一個問題是大部分的集成芯片的輸出電流都比較小,因為由於控製頻率較高,晶圓大小受到限製。同時內部功耗很高也導致了IC的成本較高,因此我們需要一些擴展分立的電路。
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旁路電容的大小
由於開啟的瞬間,MOS管需要吸取大量的電流,因此旁路電容需要盡可能的貼近驅動器電源端。
有兩個電流需要我們去考慮:第一個是驅動器靜態電流,它收到輸入狀態的影響。他可以產生一個和占空比相關的紋波。
另外一個是G極電流,MOS管開通的時候,充電電流時將旁路電流的能量傳輸至MOS管輸入電容上。其紋波大小可用公式來表明,最後兩個可合在一起。
驅動器保護

如果驅動器輸出級為晶體管,那麼我們還需要適當的保護來防止反向電流。一般為了成本考慮,我們采用NPN的輸出級電路。NPN管(guan)子(zi)隻(zhi)能(neng)承(cheng)受(shou)單(dan)向(xiang)電(dian)流(liu),高(gao)邊(bian)的(de)管(guan)子(zi)輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu),低(di)邊(bian)的(de)管(guan)子(zi)吸(xi)收(shou)電(dian)流(liu)。在(zai)開(kai)啟(qi)和(he)關(guan)閉(bi)的(de)時(shi)候(hou),無(wu)可(ke)避(bi)免(mian)的(de)源(yuan)感(gan)抗(kang)和(he)輸(shu)入(ru)電(dian)容(rong)之(zhi)間(jian)的(de)振(zhen)蕩(dang)使(shi)得(de)電(dian)流(liu)需(xu)要(yao)上(shang)下(xia)兩(liang)個(ge)方(fang)向(xiang)都(dou)有(you)通(tong)路(lu),為(wei)了(le)提(ti)供(gong)一(yi)條(tiao)方(fang)向(xiang)通(tong)路(lu),低(di)電(dian)壓(ya)的(de)肖(xiao)特(te)基(ji)二(er)極(ji)管(guan)可(ke)以(yi)用(yong)來(lai)保(bao)護(hu)驅(qu)動(dong)器(qi)的(de)輸(shu)出(chu)級(ji),這(zhe)裏(li)注(zhu)意(yi)這(zhe)兩(liang)個(ge)管(guan)子(zi)並(bing)不(bu)能(neng)保(bao)護(hu)MOS管的輸入級(離MOS管較遠),因此二極管需要離驅動器引腳非常近。
晶體管的圖騰柱結構

這是最便宜和有效地驅動方式,此電路需要盡量考慮MOS管,這樣可以使得開啟時大電流環路盡可能小,並且此電路需要專門的旁路電容。Rgate是可選的,Rb可以根據晶體管的放大倍數來選擇。兩個BE之間的PN結有效的實現了反壓時候的相互保護,並能有效的把電壓嵌位在VCC+Vbe,GND-Vbe之間。
加速器件
MOS管開通的時候,開啟的速度主要取決於二極管的反向特性。
因此MOS管關斷的時間需要我們去優化,放電曲線取決於Rgate,Rgate越小則關斷越快。下麵有好幾個方案:
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1.二極管關斷電路

這是最簡單的加速電路。Rgate調整著MOS管的開啟速度,當關斷的時候,由二極管短路電阻,此時G極電流最小為:Imin=Vf / Rgate 。
此電路的優點是大大加速了關斷的速度,但是它僅在電壓高的時候工作,且電流仍舊流向驅動器。
2.PNP關斷電路

這是最流行和通用的電路,利用PNP的管子,在關斷期間,源極和柵極被短路了。二極管提供了開啟時候的電流通路(並且有保護PNP管子eb免受反向電壓的影響),Rgate限製了開啟的速度。
dianludezuidadehaochushifangdiandianliudejianfengbeixianzhizaizuixiaodehuanluzhong,dianliubingbufanhuizhiqudongqi,yinciyebuhuizaochengdidandexianxiang,qudongqidegonglvyexiaoleyiban,sanjiguandecunzaijianxiaolehuiludiangan。
仔細看這個電路其實是圖騰柱結構的簡化,電路的唯一的缺點是柵極電壓並不釋放到0V,而是存在EC極的壓差。
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3.NPN關斷電路

優點和上麵的PNP管子相同,缺點是加入了一個反向器,加入反向器勢必會造成延遲。
4.NMOS關斷電路

這個電路可以使得MOS管關斷非常快,並且柵極電壓完全釋放至零電壓。不過小NMOS管子需要一個方向電壓來驅動。 問題也存在,NMOS的Coss電容和主MOS管的CISS合成變成等效的電容了。
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