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  • PMOS,NMOS高側與低側驅動對比解析
    • 發(fā)布時間:2022-07-27 18:27:51
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    PMOS,NMOS高側與低側驅動對比解析
    PMOS和NMOS開關應用
    功率MOS管作為常用的半導體開關,其驅動方式有什么特點呢?
    首先,我們認為MOS管是電壓控制型器件,其正常工作時是不需要電流的(開或關的穩(wěn)態(tài)條件下),只要有維持電壓,MOS管即可保持開啟或關閉狀態(tài)??刂齐妷菏亲饔迷贕極和S極的。
    G極一層極薄的二氧化硅絕緣柵是MOS管工作時不需要電流的原因。先在多數MOS管開啟的閾值電壓都比較低,拿常用的AO3400來講,其開啟閾值電壓只需2.5V。當然更高的GS電壓可以降低MOS管自身的導通損耗。
    但是特別注意-GS極電壓的極限值,GS極電壓的極限值,GS極電壓的極限值,重要事情說三遍!GS之間的電壓有限制值,超過規(guī)定值將會導致MOS管的GS擊穿損壞。
    舉個例子,見下圖:
    PMOS NMOS 高側驅動 低側驅動
    上圖中是一個簡單的PMOS開關電路,使用微控制器可以輕易的控制負載的開啟或關斷。當微控制器IO輸出低電平時MOS管關閉,當微控制器輸出高電平時MOS管開啟。
    看樣子這是個簡單好用的電路。是的,在電池供電的應用或者低電壓應用中這個電路沒有問題。那如果將VCC提高的24V或者36V呢?后果可能是MOS管燒糊。
    原因就是GS極的電壓浮動范圍是從VCC一直到GND,這么大的電壓浮動范圍超過了GS極承受的極限值!所以在實際使用時可能還要按需并聯(lián)穩(wěn)壓二極管。
    剛才我們說MOS管是電壓控制型器件,驅動它非常簡單,不需要電流。但是同時驅動MOS管又是不簡單的,為什么呢?
    說簡單是因為沒有考慮開關速度,當我們需要較高的開關速度時,驅動MOS管又變成了一個難題。因為高速開關時較大的dV/dt意味著較大的瞬態(tài)電流(因為開關時需要對GS極的輸入電容充放電)。
    當驅動電路的輸出阻抗較高時,G極電壓上升會變慢,導致開關特性變差。假如我們把MOS驅動的輸出阻抗想象成一個電阻,把MOS管GS極的電荷容量等效成一個電容,如下圖所示:
    PMOS NMOS 高側驅動 低側驅動
    上圖就是一個低通濾波器,這個低通濾波器影響了開關速度的提升。想要改變這個低通濾波器的特性就必須要想辦法改變RC時間常數。
    首先MOS管GS的輸入電容已經確定了,是一個固定值,看來想從電容值上下手是沒有辦法了,那我們能做的就是減小R值,盡可能減小驅動器的輸出阻抗,這樣才能使GS以更快的速度充電或放電完畢。
    關于MOS管的驅動器設計可采用分立元件搭建,如常用的晶體管圖騰柱驅動。若采用IC類集成驅動器可選的常用型號如IR公司的IR2103。
    總之想要獲得較高的開關速度,MOS管的驅動器設計就會相對更復雜,若對開關速度要求較低(KHz級別)那完全可以做到非常簡單。驅動器設計的復雜度或成本與開關速度是成正比的。
    最后我們來看一看應用MOS做開關時,開關位于高側和低側的驅動條件(假設以GS極為10V驅動)。
    A、NMOS低側開關
    PMOS NMOS 高側驅動 低側驅動
    上圖即是一個常用的NMOS低側開關,平時G極被電阻拉至GND電平,處于關閉狀態(tài)。當驅動電壓高于GND時,MOS打開。此處假定GND+10V時開啟。
    B、NMOS高側開關
    PMOS NMOS 高側驅動 低側驅動
    上圖即是一個NMOS高側開關,平時G極被電阻拉至GND電平,處于關閉狀態(tài)。當驅動電壓高于VCC時,MOS打開。此處假定VCC+10V時開啟(NMOS高側驅動需要系統(tǒng)提供一個比VCC電源軌更高的電壓,需要一個正對正的升壓電路)。
    C、PMOS高側開關
    PMOS NMOS 高側驅動 低側驅動
    上圖即是一個PMOS高側開關,平時G極被電阻拉至VCC電平,處于關閉狀態(tài)。當驅動電壓低于VCC時,MOS打開。此處假定VCC-10V時開啟。
    D、PMOS低側開關
    PMOS NMOS 高側驅動 低側驅動
    上圖即是一個PMOS低側開關(應用中一般不會使用,實際意義有限),平時G極被電阻拉至VCC電平,處于關閉狀態(tài)。當驅動電壓低于GND時,MOS打開。
    此處假定GND-10V時開啟。(PMOS低側驅動需要系統(tǒng)提供一個比GND電源軌更低的電壓,需要一個正對負的升壓電路)。
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