原创 MOSFET驱动器

针对应用选择正确的MOSFET驱动器

　目前，现有的MOSFET技术和硅工艺种类繁多，这使得选择合适的MOSFET驱动器成了一个富有挑战性的过程。

　　从功能上讲，MOSFET驱动器将逻辑信号转变成较高的电压和电流，以很短的响应时间驱动MOSFET栅极的开和关。例如，使用MOSFET驱动器可以将一个5V、低电流的单片机输出信号转变成一个18V、几安培的驱动信号来作为功率MOSFET的输入。针对应用选择正确的MOSFET驱动器，需要对与MOSFET栅极电荷和工作频率相关的功耗有透彻的理解。例如，不管栅极电压的转变快或慢，MOSFET栅极充电或放电时所需的能量是相同的。

　　MOSFET驱动器的功耗性能由以下三个关键因素决定：

　　1 MOSFET栅极电容的充电和放电引起的功耗；

　　2 MOSFET驱动器静态电流引起的功耗；

　　3 MOSFET驱动器内的交越导通（直通）电流引起的功耗。

　　其中，由MOSFET栅极电容的充电和放电引起的功耗是最重要的，特别是当开关频率较低时。功耗由式(1)计算得出。

Pc=Cg×Vdd2×F              (1)

　　其中，Cg是MOSFET的栅极电容；Vdd是MOSFET驱动器的工作电压（V）；F是开关频率。

　　峰值驱动电流的重要性

　　除了功耗，设计人员必须理解MOSFET驱动器要求的峰值驱动电流和相关的开关时间。在某一应用中，MOSFET驱动器和MOSFET的匹配由该应用要求的功率MOSFET的开关速度决定。在任何应用中，最理想的上升或下降时间基于多方面的要求，如电磁干扰（EMI）、开关损耗、引线/电路感应系数和开关频率。栅极电容、转变时间和MOSFET驱动器的额定电流之间的关系由式(2)表示：

dT=[dV×C]/I               (2)

　　其中，dT是开／关时间；dV是栅极电压；C是栅极电容；I是MOSFET峰值驱动电流。

　　MOSFET栅极总电容完全可以由栅极总电荷（QG）决定。栅极电荷QG由式(3)得出：

QG=C×V                   (3)

　　最后得出I=QG/dT。在这种方法中，假定电流是恒定的。有一个不错的经验是：电流的平均值等于MOSFET驱动器额定峰值电流的二分之一。

　　MOSFET驱动器的功率由驱动器的输出峰值电流驱动能力决定。额定峰值电流通常是相对最大偏压而言的。这就是说，如果使用的MOSFET驱动器的偏压较低，那么它的峰值电流驱动能力也将被削弱。

　　例如，所需的MOSFET峰值驱动电流可通过以下供应商数据手册中的设计参数计算得出。MOSFET栅极电荷为20nC（Q），MOSFET栅极电压为12V（dV），开/关时间为40ns（dT），可得I=0.5A。

　　设计人员还可采用另外一种方法来选择合适的MOSFET驱动器，即时间恒定法。在这种方法中，用到了MOSFET驱动器电阻、任何一个外部栅极电阻和集中电容。

Tcharge=((Rdriver+Rgate)×Ctotal)×TC  (4)

　　这里，Rdriver是输出驱动器级的导通电阻（RDS-ON）；Rgate是驱动器和MOSFET栅极间任何一个外部栅极电阻；Ctotal是栅极总电容；TC是时间常数的值。例如，Qtotal=68nC，Vgate=10V，Tcharge=50nsec，TC=3，Rgate=0Ω，Rdriver=(Tcharge/TC×Ctotal)-Rgate，可得Rdriver=2.45Ω。

　　当式(4)表示一个R-C时间常数时，采用TC为3意味着充电后，电容充电量达到充电电压的95%。在栅极电压达到6V时，大多数的MOSFET完全处于“开”的状态。基于此，TC值为1时（即充电量达到充电电压的63%时）可能就满足应用需求了，并且允许使用额定电流更低的驱动器IC。

　　电机控制应用中的MOSFET驱动器选择

　　让我们来设计一个示例，即为电机控制应用选择一个MOSFET驱动器，在电机控制应用中，电机的速度和旋转方向是变化的。该应用要求用于电机的电压是可调的。通常，电机类型、功率开关拓扑和功率开关元件将指定必需的栅极驱动电路以实现这种要求。

　　第一步是为该应用选择正确的功率开关元件，它由被驱动电机的额定功率来决定。一个需要考虑的重要参数是启动电流值，它的值最高可以达到稳态工作电流值的3倍。

　在电机驱动应用中，主要有两种功率开关元件可供选择——MOSFET和IGBT。如果选择MOSFET，那么就可以得出栅极驱动应用中MOSFET驱动器的额定功率。

　　如图1所示，器件的输入级把输入的低电压信号转化成电压覆盖全范围（GND到Vdd）的信号。MOSFET Q1和Q2代表的是MOSFET驱动器的上拉和下拉输出驱动器级。将MOSFET驱动器的输出级看作MOSFET的一个推挽对，就容易理解它是如何工作的。

图1 MOSFET驱动器示例的电路框图

　　对于同相驱动器，当输入信号变为高态时，Q1和Q2共同的栅极信号被拉低。该栅极节点的电压从Vdd转变到GND所需的时间通常少于10ns。这种快速转变抑制了在Q1和Q2之间产生交越导通的时间，并且使Q1迅速地达到其完全增强态，以尽快实现峰值电流。除图1的示例外，还有其他的MOSFET驱动器电路结构。

　　当电机被驱动时，功率开关元件和栅极驱动电路是已知的，可以根据上面的公式(4)或公式(5)来选择MOSFET。

　　使用电子数据表选择MOSFET驱动器

　　当选定MOSFET后，可以使用由供应商提供的电子数据表来选择一个合适的MOSFET驱动器，这种便于使用的工具能快速地确定MOSFET驱动器所需峰值电流。

　　首先，选择一个MOSFET，并将它的数据手册放在手边。现在，在正确的框中填入输入条件的值，例如MOSFET的源漏电压（Vds）、MOSFET的栅源电压（Vgs）、MOSFET驱动器电压（Vdd）、开关频率、占空比、预估的上升时间（tr）和栅极总电荷（QG）。于是就能计算出MOSFET驱动器的峰值输出电流IPK。根据IPK的值就能确定合适的、具有成本效益的MOSFET驱动器。选定MOSFET驱动器后，工具能够计算出器件的功耗和允许的最大工作环境温度，此处假定热损耗不计。