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在学校学的最多的就是MOS管的控制电路,习题给出驱动电压,MOS的阈值电压,然后按照平方律关系的公式,就可以计算出MOS工作在饱和区的漏极电流。现在工程师出一个更简单的电路,直接控制一个MOS,来驱动一个2A的LED灯,并周期性的发光。
这题目出的简单,大学生很快的画出下面的原理图,说用信号发生器控制MOS管的栅极,频率可以按照要求随便设置,肯定符合要求的。
工程师看着这个电路,说这个也不是不行。但是有考虑过MOS开启过程的开关损耗吗。大学生说,这个课本上也没有让我计算的。工程师笑着说,那解下来,我给你分析把,首先,这个MOS管的阈值电压是2.9V,米勒平台电压是3.5V。而信号发生器的驱动电压用的5V,这就会导致MOS工作在饱和区时间比较长,通过仿真可以看到MOS工作在饱和区持续时间是240ns,开关损耗达到10W左右。
一般这种时候,需要做一下电平移位,利用电源VCC的电压。新增三极管控制电路,这样开启速度就变快了,提到39ns。那么是否这个电路就可以使用呢。显然也不可以,这个电路虽然开启速度快,但是Cgs电容放电速度慢,导致关闭慢。
所以要兼顾MOS的开启时刻和关断时刻,这个时候就需要使用推挽电路。改进的推挽电路,尽管在导通时刻的时间增长到112ns,不及上文的单MOS驱动电路。但是很好的平衡了MOS开通时刻和关断时刻的时间,从而使得MOS在整个开和关的周期,平均损耗低。这也是当前驱动MOS较常用的电路。
这个时候,大学生插入一句话,Q1和Q2的位置是否可以互换。毕竟Q1是NPN管,总会存在一个BE结的压降。导致MOS的栅极电压不可能达到20V。
工程师说,你观察的很仔细。但是不能调换,如果换成Q1是PNP三极管,Q2是NPN三极管,还是使用共同的MCU控制信号,那就容易发生Q1和Q2同时导通的风险,导致两个三极管烧毁。如果Q1和Q2分别使用不同的控制信号,那就可以调换,这从控制逻辑性上就增加了复杂性。
随后进一步改进,不使用推挽结构,使用下图的原理图,使用二极管D1取代推挽中的一个PNP三极管,对于电流比较大的OE输出(或者OC输出)后面加这个电路,比加NPN+PNP的两个三极管的推挽更好用。
这种电路的开关时间是90ns,稍微提升了一点。这种电路的工作原理是Q1和Q3是轮流导通。MCU控制信号为正的时候,Q3导通,因为二极管D1,Q1的基极电位比发射极电位低。Q1截止,MOS管M1的栅极的电位被钳位在0V左右, MCU控制信号为0或者负的时候,Q3截止,Q1的基极电位比发射极电位高一个BE结电压,就将D1反向截至,Q1导通,电源VCC电压通过Q1加到R1和M1的栅极。同时放电回路,经过二极管D1,到三极管Q3,相比推挽结构,放电速度也得到了保证。电路的二极管D1使用很巧妙。这种电路,在项目中还专门实测过,开关波形还不错,可以满足要求。这个电路用2个管子实现了电平转换+开关状态的双向有源驱动,实用性很强,现在很多芯片的输出极就是这种电路结构,当然输出极是推挽的也很常见。
讨论了这么几种驱动电路,从简单到复杂,在不同的场景都是可以应用的,是追求开关速度,降低损耗,还是考虑成本,控制逻辑的复杂性。工程应用中,需要在成本,性能,质量中取一个平衡,做一个相对平衡的产品才是对工程师最大的考验。
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