在開始講解MOS的減速加速電路之前,我們還是先來回顧MOS開啟與關(guān)閉的根本機制。以NMOS為例,開啟NMOS本質(zhì)是對G極進行充電,至Cgs電荷充滿,G極才會達到控制端電平值或者開啟閾值,關(guān)斷NMOS時,GS電荷需要泄放,至電荷泄放完畢,G極才會達到GND或者關(guān)斷閾值(傳送門:MOS-1:MOS的寄生模型。對于PMOS,這個過程則反過來,對G極充電關(guān)斷,G極放電開啟。
第二點,需要理解MOS的開啟與關(guān)斷是一個動態(tài)的過程,持續(xù)關(guān)斷或者開啟期間視作穩(wěn)態(tài),控制端與G極電平相同,但開啟與關(guān)斷瞬間,控制端與G極的電平不同,G極的電平變化始終慢于控制端的電平變化,因此電平不同就會導(dǎo)致G極電流的流動,或流入G極或流出G極。
所以減速加速NMOS的根本機制就是:快速開啟NMOS--->增大流入G極的電流;減速開啟NMOS--->減小流入G極的電流;快速關(guān)斷NMOS--->加速釋放G極電荷;減速關(guān)斷NMOS--->減速釋放G極電荷(PMOS是一個逆過程)。
1.柵極電阻
因為柵極電阻直接控制了柵極電流的大小,所以開關(guān)速度隨柵極電阻值大小而變化。
增加?xùn)艠O電阻值會減慢MOSFET的開關(guān)速度,并增加其開關(guān)損耗。降低柵極電阻值會增加MOSFET的開關(guān)速度,但由于導(dǎo)線雜散電感等因素的影響,可能導(dǎo)致在其漏極和源極端子之間施加浪涌電壓,因此有必要選擇最佳的柵極電阻。
不同的柵極電阻可以用于MOSFET的不同的開啟/關(guān)閉速度要求,圖16-1是如何使用不同的柵極電阻來開啟和關(guān)閉的一個示例。
圖16-1:驅(qū)動和關(guān)閉NMOS的不同路徑
開啟NMOS時,電流經(jīng)過R1從控制端流向G極,關(guān)閉NMOS時,電流經(jīng)過R2從G極流向控制端,此時調(diào)整R1和R2的值就可以實現(xiàn)開啟和關(guān)閉的某一個要求的速度差。
圖16-2:柵極電阻的更多配置
圖16-2示例了柵極電阻的另外兩種用法,圖16-2左導(dǎo)通時柵極電阻器:R1和R2并聯(lián),關(guān)斷時的柵電阻器:R2,這樣可以做到開啟較快,關(guān)斷較慢;圖16-2右導(dǎo)通時柵極電阻:R1,關(guān)斷時的柵極電阻:R1和R2并聯(lián),這樣可以做到開啟較慢,關(guān)斷較快。
2.加速關(guān)斷二極管
對于NMOS,關(guān)斷電流比較大時,能使MOSFET輸入電容放電速度更快,從而降低關(guān)斷損耗。大的放電電流可以通過選擇的低輸出阻抗的MOSFET或電壓器件來實現(xiàn),最常用的就是如圖16-3的加速二極管。
圖16-3:加速二極管的使用示例
柵極關(guān)斷時,電流在電阻R1上產(chǎn)生的壓降大于二極管D1的導(dǎo)通壓降,這時二極管會導(dǎo)通,從而將電阻進行旁路,隨著電流的減小,二極管在電路中的作用越來越小。該電路作用會顯著的減小MOSFET關(guān)斷的延遲時間,但是這個電路有一定的缺點,那就是柵極的電流仍然需要流過IC內(nèi)部的輸出驅(qū)動阻抗。
3.PNP加速關(guān)斷驅(qū)動電路
上面兩節(jié)相對于無柵極電阻的開關(guān)速度還是偏慢,更快的關(guān)斷方式則是主動“汲取”或者“灌入”電流。如圖16-4使用PNP加速NMOS關(guān)斷,開啟時電流通過二極管D,關(guān)斷時則利用PNP三極管主動從G極汲取電流。
圖16-4:PNP加速NMOS關(guān)斷
圖16-5展示了PNP加速NMOS關(guān)斷的動態(tài)過程電流流向。左圖在控制端從低電平往高電平切換時,Vbe>0,Q2關(guān)斷,充電電流從二極管D流入,Q1開啟;右圖在控制端從高電平往低電平切換時,G極電平不會瞬間變化,此時Vbe<-0.7V,Q2導(dǎo)通,Q2快速將電荷從G極汲取走,使G極電平快速下降,達到Q1快速關(guān)斷的目的。
圖16-5:PNP加速NMOS關(guān)斷的動態(tài)過程
PNP加速關(guān)斷電路是目前應(yīng)用最多的電路,在加速三極管的作用下可以實現(xiàn)瞬間的柵源短路,從而達到最短的放電時間。之所以加二極管,一方面是保護三極管基極,另一方面是為導(dǎo)通電流提供回路及偏置。
該電路的優(yōu)點為可以近似達到推拉的效果,加速效果明顯。缺點是柵極由于經(jīng)過兩個PN節(jié),不能使柵極真正的達到0V(GND),但電壓很低,不影響NMOS的完全關(guān)斷。
4.NPN加速關(guān)斷驅(qū)動電路
圖16-6是使用NPN加速PMOS關(guān)斷的電路,關(guān)斷時電流通過二極管D,導(dǎo)通時則利用NPN三極管主動往G極灌入電流。
圖16-6:NPN加速PMOS關(guān)斷
圖16-7展示了NPN加速PMOS關(guān)斷的動態(tài)過程電流流向。左圖在控制端從高電平往低電平切換時,Vbe<0,Q1關(guān)斷,放電電流從二極管D流出,Q2開啟;右圖在控制端從低電平往高電平切換時,G極電平不會瞬間變化,此時Vbe>0.7V,Q1導(dǎo)通,Q1快速將電荷從G極灌入,使G極電平快速上升,達到Q2快速關(guān)斷的目的。
圖16-7:NPN加速PMOS關(guān)斷的動態(tài)過程
小結(jié):
1:關(guān)于基極電阻的大小選擇,這在前面其實已經(jīng)提到過,不建議使用K級別的電阻,常用阻值在3.3Ω/10Ω/33歐姆等等。除非有很明確的需求,根據(jù)歐姆定律計算出基極電流,然后匹配充電時間。
2:而使用PNP和NPN的加速,使用小信號三極管即可,其參數(shù)取決于MOS的開啟關(guān)斷閾值,控制端的電平高低,ID基本都可以滿足G極要求。
3:減速加速在高頻信號調(diào)理,大功率多相電源時使用比較多。
4:以上幾種電路使用Pspice進行仿真,可以直觀的得到性能差異(后續(xù)會有Pspice仿真章節(jié)補充此項)。
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