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  • PMOS,NMOS高侧与低侧驱动对比解析
    • 发布时间:2022-07-27 18:27:51
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    PMOS,NMOS高侧与低侧驱动对比解析
    PMOS和NMOS开关应用
    功率MOS管作为常用的半导体开关,其驱动方式有什么特点呢?
    首先,我们认为MOS管是电压控制型器件,其正常工作时是不需要电流的(开或关的稳态条件下),只要有维持电压,MOS管即可保持开启或关闭状态。控制电压是作用在G极和S极的。
    G极一层极薄的二氧化硅绝缘栅是MOS管工作时不需要电流的原因。先在多数MOS管开启的阈值电压都比较低,拿常用的AO3400来讲,其开启阈值电压只需2.5V。当然更高的GS电压可以降低MOS管自身的导通损耗。
    但是特别注意-GS极电压的极限值,GS极电压的极限值,GS极电压的极限值,重要事情说三遍!GS之间的电压有限制值,超过规定值将会导致MOS管的GS击穿损坏。
    举个例子,见下图:
    PMOS NMOS 高侧驱动 低侧驱动
    上图中是一个简单的PMOS开关电路,使用微控制器可以轻易的控制负载的开启或关断。当微控制器IO输出低电平时MOS管关闭,当微控制器输出高电平时MOS管开启。
    看样子这是个简单好用的电路。是的,在电池供电的应用或者低电压应用中这个电路没有问题。那如果将VCC提高的24V或者36V呢?后果可能是MOS管烧糊。
    原因就是GS极的电压浮动范围是从VCC一直到GND,这么大的电压浮动范围超过了GS极承受的极限值!所以在实际使用时可能还要按需并联稳压二极管。
    刚才我们说MOS管是电压控制型器件,驱动它非常简单,不需要电流。但是同时驱动MOS管又是不简单的,为什么呢?
    说简单是因为没有考虑开关速度,当我们需要较高的开关速度时,驱动MOS管又变成了一个难题。因为高速开关时较大的dV/dt意味着较大的瞬态电流(因为开关时需要对GS极的输入电容充放电)。
    当驱动电路的输出阻抗较高时,G极电压上升会变慢,导致开关特性变差。假如我们把MOS驱动的输出阻抗想象成一个电阻,把MOS管GS极的电荷容量等效成一个电容,如下图所示:
    PMOS NMOS 高侧驱动 低侧驱动
    上图就是一个低通滤波器,这个低通滤波器影响了开关速度的提升。想要改变这个低通滤波器的特性就必须要想办法改变RC时间常数。
    首先MOS管GS的输入电容已经确定了,是一个固定值,看来想从电容值上下手是没有办法了,那我们能做的就是减小R值,尽可能减小驱动器的输出阻抗,这样才能使GS以更快的速度充电或放电完毕。
    关于MOS管的驱动器设计可采用分立元件搭建,如常用的晶体管图腾柱驱动。若采用IC类集成驱动器可选的常用型号如IR公司的IR2103。
    总之想要获得较高的开关速度,MOS管的驱动器设计就会相对更复杂,若对开关速度要求较低(KHz级别)那完全可以做到非常简单。驱动器设计的复杂度或成本与开关速度是成正比的。
    最后我们来看一看应用MOS做开关时,开关位于高侧和低侧的驱动条件(假设以GS极为10V驱动)。
    A、NMOS低侧开关
    PMOS NMOS 高侧驱动 低侧驱动
    上图即是一个常用的NMOS低侧开关,平时G极被电阻拉至GND电平,处于关闭状态。当驱动电压高于GND时,MOS打开。此处假定GND+10V时开启。
    B、NMOS高侧开关
    PMOS NMOS 高侧驱动 低侧驱动
    上图即是一个NMOS高侧开关,平时G极被电阻拉至GND电平,处于关闭状态。当驱动电压高于VCC时,MOS打开。此处假定VCC+10V时开启(NMOS高侧驱动需要系统提供一个比VCC电源轨更高的电压,需要一个正对正的升压电路)。
    C、PMOS高侧开关
    PMOS NMOS 高侧驱动 低侧驱动
    上图即是一个PMOS高侧开关,平时G极被电阻拉至VCC电平,处于关闭状态。当驱动电压低于VCC时,MOS打开。此处假定VCC-10V时开启。
    D、PMOS低侧开关
    PMOS NMOS 高侧驱动 低侧驱动
    上图即是一个PMOS低侧开关(应用中一般不会使用,实际意义有限),平时G极被电阻拉至VCC电平,处于关闭状态。当驱动电压低于GND时,MOS打开。
    此处假定GND-10V时开启。(PMOS低侧驱动需要系统提供一个比GND电源轨更低的电压,需要一个正对负的升压电路)。
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