MOS管的驱动电路

一、驱动电路的介绍

在电源或者硬件设计中，无论是三极管BJT,还是mos管，都需要驱动电路。这是为什么呢？为何不能直接将脉冲波形加在开关管上？驱动电路的作用主要有以下几点：

• 提供足够的驱动能力。由于驱动信号往往从控制器如DSP,单片机给出，驱动电压和电流不足以使开关管导通，所以需要驱动电路进行驱动能力匹配
• 保证开关管良好的开关状态。在一个电路中，开关管不能太快或者太慢，太快EMI过不了，太慢开关损耗又太大。
• 保证器件的可靠性，避免过压和过流。由于开关器件寄生参数的存在，在导通或者关断时，往往产生很大的电压电流尖峰，这会影响电路的性能和器件的可靠性。

驱动电路一般分为电流驱动型和电压驱动型。
BJT等电流控制型器件需要电流驱动型电路。这种电路需要在BJT导通时提供足够大的持续电流。

而mos管和IGBT等电压驱动型器件，由于输入电阻很大，所以不需要太大的连续驱动电流，但是为保证一定开关速度，峰值电流需要保证。所以电压驱动电路一方面提供足够的驱动电压，另一方面提供一定的峰值电流。

因mos管开关速度高，导通阻抗小，在开关电源中应用广泛，下面对mos管的驱动电路进行详细介绍。

介绍之前，想先简单介绍下mos管的开通过程，关断过程反过来，也就不详细介绍了。
我们知道mos管包含三个寄生电容Cgs,Cgd,Cds，如下图所示：

在mos管的datasheet中，并未给出以上三个电容，而是给出了Ciss,Coss,Crss

Ciss:输入电容，Ciss=Cgs+Cgd
Coss:输出电容，Coss=Cgd+Cds
Crss:反向传输电容，即米勒电容，Crss=Cgd
Cgd随电压是变化的，这就导致了米勒平台的产生。
开通过程包括以下几个阶段:

1. 当Vgs小于Vth时，驱动电压主要给Cgs充电，这是因为此时Cgd承受正压所以容量很小，能存储的电荷也小，所以电荷大部分都跑到Cgs上。
2. 当Vgs>Vth时，mos管开始导通，iD产生，此时Cgd增大，所以驱动电流一部分往Cgd走，当mos完全导通后，iD保持不变，所以Vgs不变，驱动电流大部分往Cgd走，进入米勒平台区。Vds在这个时期一直减小。
3. 当Cgd增加到与Cgs差不多时（在Vds下降到等于此时的Vgs-Vg(th)这个值的时候，此时Cgd有低阻抗通路，相当于与Cgs并联），驱动电压又分别给两者充电，所以Vgs又上升。
   米勒平台的危害主要时增加mos管的交叉损耗，所以时间越短越好。

二、mos驱动电路的分类

1 非隔离驱动

非隔离驱动指的是，控制电路不需要与主电路进行隔离。

1.1 直接驱动

驱动芯片可以与开关管共地，可使用直接驱动电路。
直接驱动电路简化图如下：

Rgs主要是用来给Cgs放电。
Rg是驱动电阻，用来控制开关速度和抑制电流尖峰。
下面分别讨论两个参数对驱动电压的影响。
Rgs的影响
在开机无驱动时，若不加Rgs,mos会误导通，甚至击穿mos。
从下面的仿真可以看到，不加驱动时，Vgs接近4V,而且整个电路上有电流，说明mos管导通。


原因是由于Cgs,Cgd的存在，两者会对输入电压进行分压，分压跟电容成反比，导致Vgs>Vth，所以mos管导通，所以整个回路存在电流。

加上Rgs后，电路不加驱动时，Vgs上不在有电压。Rgs一般选择10-20k，太大，Cgs放电慢，但太小，电阻功耗大。

Rg的影响
电路加驱动时，由于PCB引线或者mos寄生电感的存在，驱动等效电路为LC电路，会产生谐振，所以需要加入Rg来增加阻尼。


对驱动电路进行仿真，发现驱动电阻需要选取合适，太大，驱动能力减弱，太小，起不到阻尼的作用，Rg一般选择5-10Ω。

1.2 自举电路

自举的意思是利用电容电压不能突变的原理，mos管改变开关状态时，能自动将电压抬升起来，从而将高压mos导通。主要应用在mos不能与驱动IC共地的情况下，如buck电路。
下面以buck芯片tps50601进行说明。


自举电路工作过程如下
（1）低压mos导通，Cboot充电，但其上电压g端电压，导致高压mos关闭）

（2）低压mos关断，Cboot电压抬升，但其上电压为Vin+Vboot>Vth，高压mos导通

自举电容需要选取的合适，太大，电荷泵充电时，电流过大，而太小，自举电压维持不住。在buck芯片的datasheet中，Cboot一般选择0.1uF。

2 隔离驱动

考虑到可靠性（高压电路和低压电路之间需要隔离），控制电路需要与主电路隔离。

2.1 变压器隔离

基本变压器隔离电路如下图所示。
C1为隔直电容，其上的平均电压为D*Vin。

但此电路有如下缺点：

• 驱动电压减小，且有负值
• 占空比D越大，驱动电压越小
  
  
  改进的变压器隔离电路如下：
  副边增加了隔直电容和续流二极管。
  
  下面的波形可以看到，mos的Vgs可以很好的跟随驱动波形。
  而且即使D变得很大如0.9，Vgs也不会变得很小
  
  关于设计：
• 变压器按照正激变压器设计，不能让其饱和
• 隔直电容一般选择几百nF
• 续流二极管选择快恢复二极管

2.2 光耦隔离

变压器容易受寄生参数的影响，且易饱和，而光耦隔离就很好的解决了这一问题，但是光耦受自身参数的影响，频率不能做的很高，且在恶劣条件下，寿命和可靠性降低。
下面是光耦驱动的电路，这里不详细介绍了，注意光耦需要足够的驱动电流才能导通。