「IRF3205」場效應(yīng)MOS管驅(qū)動(dòng)原理解析(圖) - 壹芯微

型號：IRF3205(110A,55V)

封裝：TO-220/TO-262/TO-263

品牌：壹芯微|類型：場效應(yīng)管MOSFET

多種封裝 尺寸不同 參數(shù)一致 免費(fèi)樣品 歡迎咨詢

下圖為MOS驅(qū)動(dòng)電路的電路圖。驅(qū)動(dòng)電路采用Totem輸出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，上拉驅(qū)動(dòng)管為NMOS管N4、晶體管Q1和PMOS管P5。下拉驅(qū)動(dòng)管為NMOS管N5。圖中CL為負(fù)載電容，Cpar為B點(diǎn)的寄生電容。虛線框內(nèi)的電路為自舉升壓電路。

驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)思想是利用自舉升壓結(jié)構(gòu)將上拉驅(qū)動(dòng)管N4的柵極（B點(diǎn)）電位抬升，使得UB>VDD+VTH ，則NMOS管N4工作在線性區(qū)，使得VDSN4大大減小，最終可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)輸出高電平達(dá)到VDD。而在輸出低電平時(shí)，下拉驅(qū)動(dòng)管本身就工作在線性區(qū)，可以保證輸出低電平位GND。因此無需增加自舉電路也能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

考慮到此驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)用于升壓型DC－DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)管驅(qū)動(dòng)，負(fù)載電容CL很大，一般能達(dá)到幾十皮法，還需要進(jìn)一步增加輸出電流能力，因此增加了晶體管 Q1作為上拉驅(qū)動(dòng)管。這樣在輸入端由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，Q1導(dǎo)通，由N4、Q1同時(shí)提供電流，OUT端電位迅速上升，當(dāng)OUT端電位上升到VDD－VBE時(shí)，Q1截止，N4繼續(xù)提供電流對負(fù)載電容充電，直到OUT端電壓達(dá)到VDD。

在OUT端為高電平期間，A點(diǎn)電位會(huì)由于電容Cboot上的電荷泄漏等原因而下降。這會(huì)使得B點(diǎn)電位下降，N4的導(dǎo)通性下降。同時(shí)由于同樣的原因，OUT端電位也會(huì)有所下降，使輸出高平不能保持在VDD。為了防止這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，又增加了PMOS管P5作為上拉驅(qū)動(dòng)管，用來補(bǔ)充OUT端CL的泄漏電荷，維持OUT端在整個(gè)導(dǎo)通周期內(nèi)為高電平。

驅(qū)動(dòng)電路上升沿分為了三個(gè)部分，分別對應(yīng)三個(gè)上拉驅(qū)動(dòng)管起主導(dǎo)作用的時(shí)期。1階段為Q1、N4共同作用，輸出電壓迅速抬升，2階段為N4起主導(dǎo)作，使輸出電平達(dá)到VDD，3階段為P5起主導(dǎo)作用，維持輸出高電平為VDD。而且還可以縮短上升時(shí)間，下降時(shí)間滿足工作頻率在兆赫茲級以上的要求。

Cboot的最小值可以按照以下方法確定。在預(yù)充電周期內(nèi)，電容Cboot上的電荷為VDDCboot 。

在A點(diǎn)的寄生電容（計(jì)為CA）上的電荷為VDDCA。因此在預(yù)充電周期內(nèi)，A點(diǎn)的總電荷為Q_{A1}=V_{DD}C_{boot}+V_{DD}C_{A}

B點(diǎn)電位為GND，因此在B點(diǎn)的寄生電容Cpar上的電荷為0。

在自舉升壓周期，為了使OUT端電壓達(dá)到VDD，B點(diǎn)電位最低為VB＝VDD+Vthn。因此在B點(diǎn)的寄生電容Cpar上的電荷為 Q_{B}=(V_{DD}+V_{thn})Cpar

忽略MOS管P4源漏兩端壓降，此時(shí) Cboot 上的電荷為 VthnCboot ，A點(diǎn)寄生電容CA的電荷為（VDD+Vthn）CA。A點(diǎn)的總電荷為 QA2=V_{thn}C_{BOOT}+(V_{DD}+V_{thn})C_{A}

同時(shí)根據(jù)電荷守恒又有：Q_{B}=Q_{A}-Q_{A2}

綜合上面等式可得：C_{boot}=\frac{V_{DD}+V_{thn}}{v_{DD}-v_{thn}}Cpar+\frac{v_{thn}}{v_{DD}-v_{thn}}C_{A}=\frac{V_{B}}{v_{DD}-v_{thn}}Cpar+\frac{V_{thn}}{v_{DD}-v_{thn}}C_{A}

從上式中可以看出，Cboot隨輸入電壓變小而變大，并且隨B點(diǎn)電壓VB變大而變大。而B點(diǎn)電壓直接影響N4的導(dǎo)通電阻，也就影響驅(qū)動(dòng)電路的上升時(shí)間。因此在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，Cboot的取值要大于上式的計(jì)算結(jié)果，這樣可以提高B點(diǎn)電壓，降低N4導(dǎo)通電阻，減小驅(qū)動(dòng)電路的上升時(shí)間。

將上式重新整理后得：V_{B}=({V_{DD}-V_{thn})\frac{C_{boot}}{Cpar}-V_{thn}\frac{C_{A}}{Cpar}

從整理后可以看出在自舉升壓周期內(nèi)，A、B兩點(diǎn)的寄生電容使得B點(diǎn)電位降低。在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)為了得到合適的B點(diǎn)電位，除了增加Cboot大小外，要盡量減小A、B兩點(diǎn)的寄生電容。在設(shè)計(jì)時(shí)，預(yù)充電PMOS管P2的尺寸盡可能的取小，以減小寄生電容CA。而對于B點(diǎn)的寄生電容Cpar來說，主要是上拉驅(qū)動(dòng)管N4的柵極寄生電容，MOS管P4、N3的源漏極寄生電容只占一小部分。我們在前面的分析中忽略了P4的源漏電壓，因此設(shè)計(jì)時(shí)就要盡量的加大P4的寬長比，使其在自舉升壓周期內(nèi)的源漏電壓很小可以忽略。但是P4的尺寸以不能太大，要保證P4的源極寄生電容遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于上拉驅(qū)動(dòng)管N4的柵極寄生電容。

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