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MOS管開關(guān)電源-MOS管是怎么控制電源達(dá)到緩啟動(dòng)目的
  • 發(fā)布時(shí)間:2019-11-14 14:43:33
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MOS管開關(guān)電源-MOS管是怎么控制電源達(dá)到緩啟動(dòng)目的電源,MOS管,開關(guān)電源
MOS管開關(guān)電源
MOS管最常見的應(yīng)用可能是電源中的開關(guān)元件,此外,它們對(duì)電源輸出也大有裨益。服務(wù)器和通信設(shè)備等應(yīng)用一般都配置有多個(gè)并行電源,以支持N+1 冗余與持續(xù)工作 (圖1)。各并行電源平均分擔(dān)負(fù)載,確保系統(tǒng)即使在一個(gè)電源出現(xiàn)故障的情況下仍然能夠繼續(xù)工作。
不過(guò),這種架構(gòu)還需要一種方法把并行電源的輸出連接在一起,并保證某個(gè)電源的故障不會(huì)影響到其它的電源。在每個(gè)電源的輸出端,有一個(gè)功率MOS管可以讓眾電源分擔(dān)負(fù)載,同時(shí)各電源又彼此隔離 。起這種作用的MOS管被稱為"ORing"FET,因?yàn)樗鼈儽举|(zhì)上是以 "OR" 邏輯來(lái)連接多個(gè)電源的輸出。
如何用MOS管控制使之達(dá)到電源緩啟動(dòng)的目的
在電信工業(yè)和微波電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域,普遍使用MOS管控制沖擊電流的方達(dá)到電流緩啟動(dòng)的目的。MOS管有導(dǎo)通阻抗Rds_on低和驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單的特點(diǎn),在周圍加上少量元器件就可以構(gòu)成緩慢啟動(dòng)電路。雖然電路比較簡(jiǎn)單,但只有吃透MOS管的相關(guān)開關(guān)特性后才能對(duì)這個(gè)電路有深入的理解。
電源,MOS管,開關(guān)電源
MOSFET的開通過(guò)程
盡管MOSFET在開關(guān)電源、電機(jī)控制等一些電子系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用,但是許多電子工程師并沒(méi)有十分清楚的理解MOSFET開關(guān)過(guò)程,以及MOSFET在開關(guān)過(guò)程中所處的狀態(tài)一般來(lái)說(shuō),電子工程師通常基于柵極電荷理解MOSFET的開通的過(guò)程,如圖1所示此圖在MOSFET數(shù)據(jù)表中可以查到。
電源,MOS管,開關(guān)電源
圖1 AOT460柵極電荷特性
MOSFET的D和S極加電壓為VDD,當(dāng)驅(qū)動(dòng)開通脈沖加到MOSFET的G和S極時(shí),輸入電容Ciss充電,G和S極電壓Vgs線性上升并到達(dá)門檻電壓VGS(th),Vgs上升到VGS(th)之前漏極電流Id≈0A,沒(méi)有漏極電流流過(guò),Vds的電壓保持VDD不變。
當(dāng)Vgs到達(dá)VGS(th)時(shí),漏極開始流過(guò)電流Id,然后Vgs繼續(xù)上升,Id也逐漸上升,Vds仍然保持VDD當(dāng)Vgs到達(dá)米勒平臺(tái)電壓VGS(pl)時(shí),Id也上升到負(fù)載電流最大值ID,Vds的電壓開始從VDD下降。米勒平臺(tái)期間,Id電流維持ID,Vds電壓不斷降低。
米勒平臺(tái)結(jié)束時(shí)刻,Id電流仍然維持ID,Vds電壓降低到一個(gè)較低的值米勒平臺(tái)結(jié)束后,Id電流仍然維持ID,Vds電壓繼續(xù)降低,但此時(shí)降低的斜率很小,因此降低的幅度也很小,最后穩(wěn)定在Vds=Id×Rds(on)因此通常可以認(rèn)為米勒平臺(tái)結(jié)束后MOSFET基本上已經(jīng)導(dǎo)通。
對(duì)于上述的過(guò)程,理解難點(diǎn)在于為什么在米勒平臺(tái)區(qū),Vgs的電壓恒定?驅(qū)動(dòng)電路仍然對(duì)柵極提供驅(qū)動(dòng)電流,仍然對(duì)柵極電容充電,為什么柵極的電壓不上升?而且柵極電荷特性對(duì)于形象的理解MOSFET的開通過(guò)程并不直觀因此,下面將基于漏極導(dǎo)通特性理解MOSFET開通過(guò)程。
MOSFET的漏極導(dǎo)通特性與開關(guān)過(guò)程
MOSFET的漏極導(dǎo)通特性如圖2所示MOSFET與三極管一樣,當(dāng)MOSFET應(yīng)用于放大電路時(shí),通常要使用此曲線研究其放大特性只是三極管使用的基極電流、集電極電流和放大倍數(shù),而MOSFET使用柵極電壓、漏極電流和跨導(dǎo)。
電源,MOS管,開關(guān)電源
圖2 AOT460的漏極導(dǎo)通特性
三極管有三個(gè)工作區(qū):截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū),MOSFET對(duì)應(yīng)是關(guān)斷區(qū)、恒流區(qū)和可變電阻區(qū)注意:MOSFET恒流區(qū)有時(shí)也稱飽和區(qū)或放大區(qū)當(dāng)驅(qū)動(dòng)開通脈沖加到MOSFET的G和S極時(shí),Vgs的電壓逐漸升高時(shí),MOSFET的開通軌跡A-B-C-D如圖3中的路線所示
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圖3 AOT460的開通軌跡
開通前,MOSFET起始工作點(diǎn)位于圖3的右下角A點(diǎn),AOT460的VDD電壓為48V,Vgs的電壓逐漸升高,Id電流為0,Vgs的電壓達(dá)到VGS(th),Id電流從0開始逐漸增大A-B就是Vgs的電壓從VGS(th)增加到VGS(pl)的過(guò)程從A到B點(diǎn)的過(guò)程中,可以非常直觀的發(fā)現(xiàn),此過(guò)程工作于MOSFET的恒流區(qū),也就是Vgs電壓和Id電流自動(dòng)找平衡的過(guò)程,即Vgs電壓的變化伴隨著Id電流相應(yīng)的變化,其變化關(guān)系就是MOSFET的跨導(dǎo):Gfs=Id/Vgs,跨導(dǎo)可以在MOSFET數(shù)據(jù)表中查到。
當(dāng)Id電流達(dá)到負(fù)載的最大允許電流ID時(shí),此時(shí)對(duì)應(yīng)的柵級(jí)電壓Vgs(pl)=Id/gFS由于此時(shí)Id電流恒定,因此柵極Vgs電壓也恒定不變,見圖3中的B-C,此時(shí)MOSFET處于相對(duì)穩(wěn)定的恒流區(qū),工作于放大器的狀態(tài)開通前,Vgd的電壓為Vgs-Vds,為負(fù)壓,進(jìn)入米勒平臺(tái),Vgd的負(fù)電壓絕對(duì)值不斷下降,過(guò)0后轉(zhuǎn)為正電壓驅(qū)動(dòng)電路的電流絕大部分流過(guò)CGD,以掃除米勒電容的電荷,因此柵極的電壓基本維持不變Vds電壓降低到很低的值后,米勒電容的電荷基本上被掃除,即圖3中的C點(diǎn)。
于是,柵極的電壓在驅(qū)動(dòng)電流的充電下又開始升高,如圖3中的C-D,使MOSFET進(jìn)一步完全導(dǎo)通C-D為可變電阻區(qū),相應(yīng)的Vgs電壓對(duì)應(yīng)著一定的Vds電壓Vgs電壓達(dá)到最大值,Vds電壓達(dá)到最小值,由于Id電流為ID恒定,因此Vds的電壓即為ID和MOSFET的導(dǎo)通電阻的乘積基于MOSFET的漏極導(dǎo)通特性曲線可以直觀的理解MOSFET開通時(shí),跨越關(guān)斷區(qū)、恒流區(qū)和可變電阻區(qū)的過(guò)程米勒平臺(tái)即為恒流區(qū),MOSFET工作于放大狀態(tài),Id電流為Vgs電壓和跨導(dǎo)乘積電路原理詳細(xì)說(shuō)明:MOS管是電壓控制器件,其極間電容等效電路如圖4所示。
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圖4. 帶外接電容C2的N型MOS管極間電容等效電路
MOS管的極間電容柵漏電容Cgd、柵源電容Cgs、漏源電容Cds可以由以下公式確定:
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R2由允許沖擊電流決定:
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其中Vmax為最大輸入電壓,Cload為C3和DC/DC電源模塊內(nèi)部電容的總和,Iinrush為允許沖擊電流的幅度。
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圖5 有源沖擊電流限制法電路
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D1是一個(gè)穩(wěn)壓二極管,用來(lái)限制MOS管 Q1的柵源電壓。元器件R1,C1和D2用來(lái)保證MOS管Q1在剛上電時(shí)保持關(guān)斷狀態(tài)。具體情況是:上電后,MOS管的柵極電壓要慢慢上升,當(dāng)柵源電壓Vgs高到一定程度后,二極管D2導(dǎo)通,這樣所有的電荷都給電容C1以時(shí)間常數(shù)R1×C1充電,柵源電壓Vgs以相同的速度上升,直到MOS管Q1導(dǎo)通產(chǎn)生沖擊電流。以下是計(jì)算C1和R1的公式:
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其中Vth為MOS管Q1的最小門檻電壓,VD2為二極管D2的正向?qū)▔航担琕plt為產(chǎn)生Iinrush沖擊電流時(shí)的柵源電壓。Vplt可以在MOS管供應(yīng)商所提供的產(chǎn)品資料里找到。MOS管選擇以下參數(shù)對(duì)于有源沖擊電流限制電路的MOS管選擇非常重要:l 漏極擊穿電壓 Vds   必須選擇Vds比最大輸入電壓Vmax和最大輸入瞬態(tài)電壓還要高的MOS管,對(duì)于通訊系統(tǒng)中用的MOS管,一般選擇Vds≥100V。
柵源電壓Vgs穩(wěn)壓管D1是用來(lái)保護(hù)MOS管Q1的柵極以防止其過(guò)壓擊穿,顯然MOS管Q1的柵源電壓Vgs必須高于穩(wěn)壓管D1的最大反向擊穿電壓。一般MOS管的柵源電壓Vgs為20V,推薦12V的穩(wěn)壓二極管。l 導(dǎo)通電阻Rds_on.MOS管必須能夠耗散導(dǎo)通電阻Rds_on所引起的熱量,熱耗計(jì)算公式為:
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其中Idc為DC/DC電源的最大輸入電流,Idc由以下公式確定:
其中Pout為DC/DC電源的最大輸出功率,Vmin為最小輸入電壓,η為DC/DC電源在輸入電壓為Vmin輸出功率為Pout時(shí)的效率。η可以在DC/DC電源供應(yīng)商所提供的數(shù)據(jù)手冊(cè)里查到。MOS管的Rds_on必須很小,它所引起的壓降和輸入電壓相比才可以忽略。
電源,MOS管,開關(guān)電源
圖6有源沖擊電流限制電路在75V輸入,DC/DC輸出空載時(shí)的波形。
針對(duì)N+1冗余拓?fù)涞牟⑿须娫纯刂频腗OS管
電源,MOS管,開關(guān)電源
在ORing FET應(yīng)用中,MOS管的作用是開關(guān)器件,但是由于服務(wù)器類應(yīng)用中電源不間斷工作,這個(gè)開關(guān)實(shí)際上始終處于導(dǎo)通狀態(tài)。其開關(guān)功能只發(fā)揮在啟動(dòng)和關(guān)斷,以及電源出現(xiàn)故障之時(shí) 。
相比從事以開關(guān)為核心應(yīng)用的設(shè)計(jì)人員,ORing FET應(yīng)用設(shè)計(jì)人員顯然必需關(guān)注MOS管的不同特性。以服務(wù)器為例,在正常工作期間,MOS管只相當(dāng)于一個(gè)導(dǎo)體。因此,ORing FET應(yīng)用設(shè)計(jì)人員最關(guān)心的是最小傳導(dǎo)損耗。
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