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關于電源PWM及控制芯片的驅動能力-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2022-06-28 

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關于電源PWM及控制芯片的驅動能力-KIA MOS管


MOSFET應用于不同的開關電源以及電力電子系統,除了部分的應用使用專門的驅動芯片、光耦驅動器或變壓器驅動器,大量的應用通常使用PWM IC或其它控制芯片直接驅動??刂菩酒尿寗幽芰χ苯佑绊懝β蔒OSFET的開關特性,開關損耗以及工作的可靠性。


1、控制芯片內部Totem圖騰柱驅動器

在PWM控制芯片及其它電源控制器的內部,集成了用于驅動功率MOSFET的Totem圖騰柱驅動器,最簡單的圖騰柱驅動器如圖1所示,由一個NPN三極管和一個PNP三極管對管組成,有時候也會用一個N溝道MOSFET的一個P溝道MOSFET對管組成,工作原理相同。


PWM 控制芯片 驅動

(a) 圖騰柱驅動器


PWM 控制芯片 驅動

(b) 圖騰柱的等效電路

圖1: 圖騰柱驅動器及等效電路


圖1(a)的圖騰柱驅動器,當輸入信號為高電平時上管導通,其輸出為高電平,上管通過電源提供輸出電流,通常稱為Source電流(源電流),由于上管導通時有導通壓降,在一定的電流下對應著一定的電阻,因此這個電阻通常稱為上拉電阻Rup。


當圖騰柱驅動器的輸入信號為低電平時下管導通,將MOSFET的G極(柵極)拉到低電位,此時下管灌入電流,通常稱為Sink電流(灌電流),下管導通時有導通壓降,在一定的電流下對應著一定的電阻,因此這個電阻通常稱為下拉電阻Rdown。


等效的簡化電路如圖1(b)所示,包括一個上拉電阻Rup和一個下拉電阻Rdown。在實際的應用中,不同的控制芯片內部圖騰柱驅動器可能采用不同的形式,如圖2所示。UC3842采用二個NPN三極管組成,L6561采用一個NPN三極管和一個N溝道的MOSFET組成。


PWM 控制芯片 驅動

(a) UC3842圖騰柱驅動器


PWM 控制芯片 驅動

(b) L6561圖騰柱驅動器

圖2:控制芯片圖騰柱驅動器結構


理解控制的驅動能力

雖然許多驅動器給出了一定的容性負載條件下的上升、下降延時時間,在實際的應用中,MOSFET具有內部的柵極電阻或外部串聯柵極電阻,同時MSOFET在開關過程中不完全是一個理想的電容,會經過米勒平臺區域,因此,實際的延時時間將會產生非常大的差異,數據表中的延時值只具有相當有限的參考意義。


功率MOSFET在開關過程中,在米勒平臺線性區,由于VGS保持不變,相當于使用恒流源進行驅動,其它的時間段,使用恒壓源進行驅動。VGS電壓變化時,和時間成指數關系改變。


在VGS電壓和時間成指數關系變化的時間段,控制芯片驅動器的電流并不是恒流源,那么對應的上拉、下拉電阻也隨著電流的變化而變化,上拉、下拉電阻不固定,就不容易計算相應的時間以及相應的開關損耗。


很多文獻使用數據表中推薦的上拉、下拉電阻的典型值來計算開關損耗,從上面的分析過程可以知道:不同的芯片、不同的公司,所用的測試條件并不相同,使用數據表中推薦的上拉、下拉電阻的典型值,并不滿足實際應用的條件。


建議根據實際應用過程中米勒平臺的驅動電流值,選擇或計算出相應的上拉、下拉電阻值作為計算開關損耗的基準,使用典型值。因為在開關過程中米勒平臺的時間占主導,使用這個基準所產生的誤差并不大。


然后再用比例系數校核在最大的上拉、下拉電阻值時最大的開關損耗,這樣就可以知道開關損耗波動的范圍,從而保證系統的效率和MOSFET的溫升在設計要求的規范內。


許多公司新一代的芯片有時候并沒有標出上述驅動器的參數,這是因為相比于上一代,為了降低成本,必須降低器件的硅片的面積。在PWM及電源控制器中,相關的數字邏輯、基準運放所占的硅片的面積為必須功能,流過它們的電流也比較小,因此減小硅片面積的空間不大。


內部的圖騰驅動器由于流過較大電流,要占用較大的硅片面積,這一部分對芯片的功能影響不明顯,因此降低成本最直接的方法就是減小內部圖騰驅動器的硅片面積,也就是降低驅動能力,這樣導致上拉、下拉的電阻增加,相應的壓降也會增加。


因此對于沒有標出內部驅動器的驅動參數的芯片,使用時要根據外面驅動的功率MOSFET的特性校核開關過程,要特別小心,必要的時候,使用對管組成外部的圖騰驅動器,以增強驅動的能力。



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