单片机驱动MOS管电路介绍及几个特别应用介绍
0 2023-03-17
在了解5V单片机驱动mos管电路之前,先了解一下单片机驱动mos管电路图及原理,单片机驱动mos管电路主要根据MOS管要驱动什么东西,要只是一个继电器之类的小负载的话直接用51的引脚驱动就可以,要注意电感类负载要加保护二极管和吸收缓冲,最好用N沟道的MOS。


如果驱动的东西(功率)很大,(大电流、大电压的场合),最好要做电气隔离、过流超压保护、温度保护等……此时既要隔离传送控制信号(例如PWM信号),也要给驱动级(MOS管的推动电路)传送电能。常用的信号传送有PC923  PC929 6N137 TL521等至于电能的传送可以用DC-DC模块。如果是做产品的话建议自己搞一个建议的DC-DC,这样可以降低成本。然后MOS管有一种简单的驱动方式:2SC1815+2SA1015,NPN与PNP一个用于MOS开启驱动,一个用于MOS快速关断。



图一:适合开关频率不高的场合,一般低于2KHz。

其中R1=10K,R2、R3大小由V+决定,V+越高,R2、R3越大,以保证电阻及三极管功耗在允许范围,同时保证R2和R3的分压VPP=V+ 减10V,同时V+不能大于40V。
补充:图二:适合高频大功率场合,到达100KHz没问题,同时可以并联多个MOSFET-P管


R2、R3需要满足和图一一样的条件,其实就是图一加了级推挽,这样就可以保证MOSFET管高速开关,上面6P小电容是发射结结电容补偿电容,可以改善三极管高速开关特性。

另外:MOSFET的栅极电容较大,在使用的时候应该把它当成一个容抗负载来看。


MOS管驱动电路
在使用MOS管设计开关电源或者马达驱动电路的时候,大部分人都会考虑MOS的导通电阻,最大电压等,最大电流等,也有很多人仅仅考虑这些因素。这样的电路也许是可以工作的,但并不是优秀的,作为正式的产品设计也是不允许的。

MOS管导通特性
导通的意思是作为开关,相当于开关闭合。
NMOS的特性:Vgs大于一定的值就会导通,适合用于源极接地时的情况(低端驱动),只要栅极电压达到4V或10V就可以了。PMOS的特性:Vgs小于一定的值就会导通,适合用于源极接VCC时的情况(高端驱动)。但是,虽然PMOS可以很方便地用作高端驱动,但由于导通电阻大,价格贵,替换种类少等原因,在高端驱动中,通常还是使用NMOS。
MOS开关管损失
MOS管驱动电路不管是NMOS还是PMOS,导通后都有导通电阻存在,这样电流就会在这个电阻上消耗能量,这部分消耗的能量叫做导通损耗。选择导通电阻小的MOS管会减小导通损耗。现在的小功率MOS管导通电阻一般在几十毫欧左右,几毫欧的也有。

MOS在导通和截止的时候,一定不是在瞬间完成的。MOS两端的电压有一个下降的过程,流过的电流有一个上升的过程,在这段时间内,MOS管的损失是电压和电流的乘积,叫做开关损失。通常开关损失比导通损失大得多,而且开关频率越快,损失也越大。
导通瞬间电压和电流的乘积很大,造成的损失也就很大。缩短开关时间,可以减小每次导通时的损失;降低开关频率,可以减小单位时间内的开关次数。这两种办法都可以减小开关损失。
MOS管驱动
跟双极性晶体管相比,一般认为使MOS管导通不需要电流,只要GS电压高于一定的值,就可以了。这个很容易做到,但是,我们还需要速度。在MOS管的结构中可以看到,在GS,GD之间存在寄生电容,而MOS管的驱动,实际上就是对电容的充放电。对电容的充电需要一个电流,因为对电容充电瞬间可以把电容看成短路,所以瞬间电流会比较大。选择/设计MOS管驱动时第一要注意的是可提供瞬间短路电流的大小。

MOS管驱动电路第二注意的是,普遍用于高端驱动的NMOS,导通时需要是栅极电压大于源极电压。而高端驱动的MOS管导通时源极电压与漏极电压(VCC)相同,所以这时栅极电压要比VCC大4V或10V。如果在同一个系统里,要得到比VCC大的电压,就要专门的升压电路了。很多马达驱动器都集成了电荷泵,要注意的是应该 选择合适的外接电容,以得到足够的短路电流去驱动MOS管。
上边说的4V或10V是常用的MOS管的导通电压,设计时当然需要有一定的余量。而且电压越高,导通速度越快,导通电阻也越小。现在也有导通电压更小的MOS管用在不同的领域里,但在12V汽车电子系统里,一般4V导通就够用了。MOS管的驱动电路及其损失,可以参考Microchip公司的AN799 Matching MOSFET Drivers toMOSFETS。讲述得很详细,所以不打算多写了。
MOS管应用电路

MOS管最显著的特性是开关特性好,所以被广泛应用在需要电子开关的电路中,常见的如开关电源和马达驱动,也有照明调光。


二、现在的MOS驱动,有几个特别的应用:
1、低压应用当使用5V电源,由于三极管的be有0.7V左右的压降,导致实际最终加在gate上的电压只有4.3V。这时候,我们选用标称gate电压4.5V的MOS管就存在一定的风险。同样的问题也发生在使用3V或者其他低压电源的场合。
2、宽电压应用输入电压并不是一个固定值,它会随着时间或者其他因素而变动。这个变动导致PWM电路提供给MOS管的驱动电压是不稳定的。为了让MOS管在高gate电压下安全,很多MOS管内置了稳压管强行限制gate电压的幅值。在这种情况下,当提供的驱动电压超过稳压管的电压,就会引起较大的静态功耗。同时,如果简单的用电阻分压的原理降低gate电压,就会出现输入电压比较高的时候,MOS管工作良好,而输入电压降低的时候gate电压不足,引起导通不够彻底,从而增加功耗。
3、双电压应用在一些控制电路中,逻辑部分使用典型的5V或者3.3V数字电压,而功率部分使用12V甚至更高的电压。两个电压采用共地方式连接。MOS管驱动电路。这就提出一个要求,需要使用一个电路,让低压侧能够有效的控制高压侧的MOS管,同时高压侧的MOS管也同样会面对1和2中提到的问题。


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