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低側(cè)柵極驅(qū)動器設(shè)計技巧之MOSFET
使用低側(cè)柵極驅(qū)動器驅(qū)動MOSFET在照明、功率轉(zhuǎn)換、電磁閥驅(qū)動、電機控制和其他負(fù)載應(yīng)用的地電壓不穩(wěn)的系統(tǒng)中很常見。柵極驅(qū)動器能設(shè)計為可提供能驅(qū)動所需的高峰值電流。許多HVIC（高電壓IC）設(shè)備用來驅(qū)動半橋拓?fù)鋺?yīng)用，因此包括一個低側(cè)柵極驅(qū)動器。為大多數(shù)應(yīng)用設(shè)計并選擇低端柵極驅(qū)動器很簡單，只需基本了解驅(qū)動它們所需的功率MOSFET管的基本特征和驅(qū)動所需信號即可。盡管照明和阻性發(fā)熱等阻性負(fù)載可能在應(yīng)用中占少數(shù)，但為簡潔性本文以驅(qū)動純阻性負(fù)載為列來做說明。
MOSFET的柵極電荷基本特性
MOSFET的柵極電荷參數(shù)反映了正常工作時區(qū)域的工作狀況。飛兆AN-7502功率MOSFET開關(guān)波形深入解釋了MOSFET在不同應(yīng)用中相對應(yīng)的不同區(qū)域。
在選擇合適大小的柵極驅(qū)動器時，與輸出電流能力的相關(guān)的MOSFET參數(shù)主要包括：
Qg(th) – 達(dá)到閾值電壓所需的柵極電荷
Qgs2 – 從閾值電壓到平臺電壓所需的柵極電荷
Qg(tot) – 達(dá)到*“導(dǎo)通”電壓的總柵極電荷
在圖1a中，Pspice模型中的1mA恒流源用于幫助創(chuàng)建帶阻性負(fù)載時導(dǎo)通期間典型柵極波形（圖1b）的曲線。柵極電荷與顯示的時間軸成正比，比例系數(shù)為0.001。可為良好建模的任何MOSFET輕松創(chuàng)建類似設(shè)備特定的曲線。
在區(qū)域I中，柵極電壓上升至Vth（柵極閾值電壓），然后MOSFET開始導(dǎo)通。區(qū)域I結(jié)束時的柵極電荷為Qg(th)。
在區(qū)域II中，柵極電壓上升至平臺區(qū)，漏極電壓達(dá)到Vdk（漏極膝點電壓）標(biāo)志來到這一區(qū)域，同時漏極電流的上升斜率(dI/dt)顯著減小。在區(qū)域II中，不僅柵極驅(qū)動電路驅(qū)動?xùn)艠O，而且源極電感和漏極至柵極的電容提供負(fù)反饋影響柵極的驅(qū)動。源極電感主要由MOSFET的綁定線（bond wires）和封裝引腳構(gòu)成。實際使用中，此區(qū)域可能表現(xiàn)為高速振鈴。新的無引線MOSFET封裝往往具有更低的寄生電感，因此自電流快速變化帶來的影響也更小。區(qū)域II結(jié)束時的柵極電荷為Qg(th) + Qgs2。
在區(qū)域III或稱柵極平臺區(qū)（米勒平臺）域中，漏極的dV/dt減小。漏極電流的dI/dt也相應(yīng)減小。注意電壓和電流波形中的膝點Vdk和Idk。在區(qū)域III中，柵極電荷增加，但柵極電壓幾乎不變，直到器件達(dá)到*導(dǎo)通狀態(tài)。區(qū)域III結(jié)束時的柵極電荷通常不由制造商標(biāo)出。
在區(qū)域IV中，也就是在柵極平臺區(qū)后，增大柵極電壓將繼續(xù)降低導(dǎo)通電阻Rds（漏極至源極電阻）。在特定柵極電壓和環(huán)境溫度下達(dá)到已知Rds點所需的柵極電荷標(biāo)為Qg(tot)。對于標(biāo)準(zhǔn)柵極器件來說，這通常為10V，而對于邏輯電平器件來說，為4.5至5V。用于特定低電壓開關(guān)應(yīng)用中具有較低閾值的MOSFET的柵極電壓則有所不同。
如Rds（漏極至源極電阻） 和Vth （柵極閾值電壓）等MOSFET的參數(shù)將隨溫度而變化，這在大多數(shù)設(shè)計中都很重要。但是，柵極電荷參數(shù)不那么依賴半導(dǎo)體工藝處理，而更多地與裸片幾何尺寸相關(guān)，因此具有zui小的溫度變化影響。
初始設(shè)計考量
通常，設(shè)計人員需要先確定zui小柵極驅(qū)動輸出要求。柵極驅(qū)動電路必須能夠在一段既定的時間內(nèi)提供所需的Qg(tot)。其次，必須減少區(qū)域II和III上的轉(zhuǎn)換時間以zui大程度地減少開關(guān)損耗。
柵極驅(qū)動器標(biāo)出了多個參數(shù)，以幫助設(shè)計人員根據(jù)這些要求確定驅(qū)動器的大小。在固定容性負(fù)載下，吸入Isink和輸出Isource電流能力在對應(yīng)Vdd/2或中值電壓點時標(biāo)出。同樣標(biāo)有上升和下降時間。在某些情況下，負(fù)載特性可能需要不同的導(dǎo)通和關(guān)斷能力。盡管MOSFET的Vth通常比用于驅(qū)動?xùn)艠O的Vdd小，柵極Rg上的電壓在關(guān)斷期間的柵極平臺區(qū)較低。因此， 許多低側(cè)柵極驅(qū)動器為比高側(cè)驅(qū)動器設(shè)計得有更強的的電流能力來補償Rg上電壓的降低帶來的影響。
額定電流值是柵極驅(qū)動器選擇中的主要參數(shù)。實際上，柵極驅(qū)動器系列通常用額定電流值來區(qū)分。飛兆提供1、2、4和9A的低電壓系列。
第二重要的因素包括在多通道器件中的傳導(dǎo)延遲，傳導(dǎo)匹配柵極驅(qū)動器的輸出驅(qū)動能力也受到裸片和封裝的總熱耗散能力搜限制，同時也受到開關(guān)頻率的影響。
在第2部分中，我們將探討zui常見的低電壓柵極驅(qū)動器電路和一些其他設(shè)計小技巧。