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      關于MOS管寄生參數的影響和其驅動電路要點

      2018年01月31日 11:54 網絡整理 作者: 用戶評論(0

      我們在應用MOS管和設計MOS管驅動的時候,有很多寄生參數,其中最影響MOS管開關性能的是源邊感抗。寄生的源邊感抗主要有兩種來源,第一個就是晶圓DIE和封裝之間的Bonding線的感抗,另外一個就是源邊引腳到地的PCB走線的感抗(地是作為驅動電路的旁路電容和電源網絡濾波網的返回路徑)。在某些情況下,加入測量電流的小電阻也可能產生額外的感抗。

      mos管是什么?

      mos管是金屬(metal)—氧化物(oxide)—半導體(semiconductor)場效應晶體管,或者稱是金屬—絕緣體(insulator)—半導體。MOS管的source和drain是可以對調的,他們都是在P型backgate中形成的N型區。在多數情況下,這個兩個區是一樣的,即使兩端對調也不會影響器件的性能。這樣的器件被認為是對稱的。

      雙極型晶體管把輸入端電流的微小變化放大后,在輸出端輸出N溝道mos管符號一個大的電流變化。雙極型晶體管的增益就定義為輸出輸入電流之比(beta)。另一種晶體管,叫做場效應管(FET),把輸入電壓的變化轉化為輸出電流的變化。FET的增益等于它的transconductance, 定義為輸出電流的變化和輸入電壓變化之比。市面上常有的一般為N溝道和P溝道,詳情參考右側圖片(N溝道耗盡型MOS管)。而P溝道常見的為低壓mos管

      關于MOS管寄生參數的影響和其驅動電路要點

      場效應管通過投影P溝道mos管符號一個電場在一個絕緣層上來影響流過晶體管的電流。事實上沒有電流流過這個絕緣體,所以FET管的GATE電流非常小。最普通的FET用一薄層二氧化硅來作為GATE極下的絕緣體。這種晶體管稱為金屬氧化物半導體(MOS)晶體管,或,金屬氧化物半導體場效應管(MOSFET)。因為MOS管更小更省電,所以他們已經在很多應用場合取代了雙極型晶體管。

      關于MOS管寄生參數的影響和其驅動電路要點

      我們分析一下源邊感抗帶來的影響:

      1.使得MOS管的開啟延遲和關斷延遲增加

      由于存在源邊電感,在開啟和關段初期,電流的變化被拽了,使得充電和放電的時間變長了。同時源感抗和等效輸入電容之間會發生諧振(這個諧振是由于驅動電壓的快速變壓形成的,也是我們在G端看到震蕩尖峰的原因),我們加入的門電阻Rg和內部的柵極電阻Rm都會抑制這個震蕩(震蕩的Q值非常高)。

      關于MOS管寄生參數的影響和其驅動電路要點

      我們需要加入的優化電阻的值可以通過上述的公式選取,如果電阻過大則會引起G端電壓的過沖(優點是加快了開啟的過程),電阻過小則會使得開啟過程變得很慢,加大了開啟的時間(雖然G端電壓會被抑制)。

      園感抗另外一個影響是阻礙Id的變化,當開啟的時候,初始時di/dt偏大,因此在原感抗上產生了較大壓降,從而使得源點點位抬高,使得Vg電壓大部分加在電感上面,因此使得G點的電壓變化減小,進而形成了一種平衡(負反饋系統)。

      另外一個重要的寄生參數是漏極的感抗,主要是有內部的封裝電感以及連接的電感所組成。

      在開啟狀態的時候Ld起到了很好的作用(Subber吸收的作用),開啟的時候由于Ld的作用,有效的限制了di/dt/(同時減少了開啟的功耗)。在關斷的時候,由于Ld的作用,Vds電壓形成明顯的下沖(負壓)并顯著的增加了關斷時候的功耗。

      下面談一下驅動(直連或耦合的)的一些重要特性和典型環節:

      直連電路最大挑戰是優化布局

      實際上驅動器和MOS管一般離開很遠,因此在源級到返回路徑的環路上存在很大的感抗,即使我們考慮使用地平面,那么我們仍舊需要一段很粗的PCB線連接源級和地平面。

      關于MOS管寄生參數的影響和其驅動電路要點

      另外一個問題是大部分的集成芯片的輸出電流都比較小,因為由于控制頻率較高,晶圓大小受到限制。同時內部功耗很高也導致了IC的成本較高,因此我們需要一些擴展分立的電路。

      旁路電容的大小

      由于開啟的瞬間,MOS管需要吸取大量的電流,因此旁路電容需要盡可能的貼近驅動器電源端。

      有兩個電流需要我們去考慮:第一個是驅動器靜態電流,它收到輸入狀態的影響。他可以產生一個和占空比相關的紋波。

      另外一個是G極電流,MOS管開通的時候,充電電流時將旁路電流的能量傳輸至MOS管輸入電容上。其紋波大小可用公式來表明,最后兩個可合在一起。

      驅動器保護

      關于MOS管寄生參數的影響和其驅動電路要點

      如果驅動器輸出級為晶體管,那么我們還需要適當的保護來防止反向電流。一般為了成本考慮,我們采用NPN的輸出級電路。NPN管子只能承受單向電流,高邊的管子輸出電流,低邊的管子吸收電流。在開啟和關閉的時候,無可避免的源感抗和輸入電容之間的振蕩使得電流需要上下兩個方向都有通路,為了提供一條方向通路,低電壓的肖特基二極管可以用來保護驅動器的輸出級,這里注意這兩個管子并不能保護MOS管的輸入級(離MOS管較遠),因此二極管需要離驅動器引腳非常近。

      晶體管的圖騰柱結構

      關于MOS管寄生參數的影響和其驅動電路要點

      這是最便宜和有效地驅動方式,此電路需要盡量考慮MOS管,這樣可以使得開啟時大電流環路盡可能小,并且此電路需要專門的旁路電容。Rgate是可選的,Rb可以根據晶體管的放大倍數來選擇。兩個BE之間的PN結有效的實現了反壓時候的相互保護,并能有效的把電壓嵌位在VCC+Vbe,GND-Vbe之間。

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        • 第 2 頁:加速器件

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