Mosfet驱动电路开发进阶之路

“

比起钢铁侠以心脏为核心驱动飞跃

你要怎么起飞呢？

学好驱动知识

You are hero

”

常见的MOS管驱动方式有非隔离的直接驱动、自举驱动，和有隔离的变压器驱动、光耦隔离驱动等。在常用的开关电源拓扑结构中，像Buck、全桥、半桥等，采用NMOS作为开关管，其中有的管子S端不接地，电位随着MOS管的导通状态而变化，而驱动MOS管的栅极信号是基于S端电位的，MOS管的开启电压在4.5V左右，为了保证管子完全打开，一般驱动电压要大于10V，取12-15V左右为宜。所以要保证MOS管能正常工作，G极电压要随S端电位变化而时刻变化，且GS间电压要能达到稳定的12V。

若采用直接驱动方式，电平是基于电路的地，当S端电位一抬高，G端电位不变，MOS管无法正常工作；这时可以选择一个电容，负端接在S端，正端保持一个12V稳定电源，通过这个电容给G端充电，则可以实现GS端有个稳定的12V电压。这就好比水位，电容是个水缸，飘在河上，S端电位好比河水的水位，电路的地好比海平面，一般都以海平面为基准，河水水位随天气变化会有高低变化，而水缸的水位不管河水如何变化，它与河水的水位高度差始终不变。这种驱动方式就叫做自举驱动，储能的电容称为自举电容，S端电位可称作“悬浮地”。如下图1所示，其中C5为自举电容，一般取几uF到100uF之间。

但图1所示电路是不完整的，通过自举电容给前面驱动供电，但是谁给自举电容充电呢？假设电路正常工作，只有两个位置电压比较稳定，一个是输入电压30V，一个输出电压12V。若长期用输入电源充电，有18V（30-12）压差，若采用限流电阻大，则30V经过限流电阻给电容充电速度慢，电流小不足以启动驱动部分；选择限流电阻小，损耗很大，而输出电压12V与自举电容所需电压一致，且在电路正常工作时，能提供较大的充电电流维持自举电容电压稳定。

输出电压能直接接到自举电容上吗？答案是否定的，分析电路工作过程，当MOS管关闭期间，由于二极管的钳位作用，S端电位位-0.7V，则G端电位小于等于11.3V，这样输出可以对自举电容实现充电；当MOS导通，S端电位近似为30V，此时G端电位大于输出电压，如果直接相连的话就会出现自举电容对输出充电，很快会放完，导致下个周期无法启动驱动，这是不被允许的，所以充电有方向，这里需要接一个快恢二极管。

接下来再分析电路工作过程：当电源一上电，会发现电路无法启动，因为自举电容没有电压，没有驱动就没有输出，所以开机时需要输入电源先给自举电容充电，当充至12V时再给前面驱动电路供电。由于有18V的压差，为减小损耗，这里可以选择一个20k左右的限流电阻，这样给自举电容大约1mA左右的小电流缓慢充电，这样做的另一个好处就是实现了电路的软启动，减小应力。但是充电电流只有1mA，前面有三角波发生器、电平可调电路以及驱动电路所需电流至少有几十mA，直接充会发现永远充不满自举电容，因为充电电流不够，这时可以设计这么一个开关，当第一次上电时，30V输入电源以1mA电流给自举电容充电，此时这个开关关闭，不给后面电路供电，当自举电容的电压充至12V时，才打开开关，自举电容给驱动供电，使电路有一定的输出，输出电压又给自举电容及时补充能量，使其能正常工作。所以这个开关的目的是第一次上电使电容充电至12V，之后便一直处于开通状态即可。

沿着这个思路，首先选择开关管，由于是接在电源端，所以这里选择P管，要想充到12V左右导通，可以选择一个11V的稳压二极管串在b和地之间。为了限流，加一个限流电阻。但是由于存在着这个稳压二极管，当自举电容的电压稍有降低，比如降到11V，则开关管就关断了，而输出电压升到12V需要一段时间，没有达到比自举电容高的电位，就无法给自举电容充电，电路就无法继续工作。而造成这个的关键就是11V的稳压二极管，如果当开关打开后，就把这个二极管短路，那么就可以解决这个问题，所以这里也需要一个开关，而且是短接到地，选择N管，具体如图2所示。图中Q5为PNP，Q4为NPN，开机一上电，Q5关闭，30V经过R5给C5充电，充至12V左右，Q5导通，则其集电极电位达到11.3V，利用这点电位，去驱动Q4导通，这样就可以实现Q4短路D4，这样即使自举电容降低到6V依然可以使Q5导通，继续输出电流维持驱动电路工作，从而带动整个电路工作。

图2 自举电容充电电路

至此，Buck电路的自举驱动电路部分就设计完成了。自举驱动由于其电路简单，在很多地方有广泛应用，特别是Buck、桥式电路中。但在实际设计中，从电路的简洁性、可靠性角度考虑，更多的是选择集成芯片。相应的集成芯片也很多，比如IR公司的IR21XX系列，常用IR2104，IR2110，还有TI公司的，如下图3所示型号

图为3 TI公司自举驱动芯片部分型号

根据数据手册，选择合适的集成芯片来完成电路设计。

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