MOSFET-驱动器与MOSFET-的匹配设计(AN799)

2006MicrochipTechnologyInc.DS00799B_CN第1页AN799简介当今多种MOSFET技术和硅片制程并存，而且技术进步日新月异。要根据MOSFET的电压/电流或管芯尺寸，对如何将MOSFET驱动器与MOSFET进行匹配进行一般说明，实际上显得颇为困难，甚至不可能。与任何设计决策一样，在为您设计中的MOSFET选择合适的MOSFET驱动器时，需要考虑几个变量。需要考虑的参数至少需要包括输入至输出的传输时延、静态电流、抗闭锁和电流驱动能力。驱动器的功率消耗也影响着封装的决定和驱动器的选择。本应用笔记将详细讨论与MOSFET栅极电荷和工作频率相关的MOSFET驱动器功耗。还将讨论如何根据MOSFET所需的导通和截止时间将MOSFET驱动器的电流驱动能力与MOSFET栅极电荷相匹配。Microchip提供许多不同种类的MOSFET驱动器，它们采用不同的封装，因此可以使设计者为应用中的MOS-FET选择昀合适的MOSFET驱动器。MOSFET驱动器的功耗对MOSFET的栅极进行充电和放电需要同样的能量，无论充放电过程快或慢（栅极电压的上升和下降）。因此，MOSFET驱动器的电流驱动能力并不影响由MOS-FET栅极的容性负载产生的驱动器功耗。MOSFET驱动器的功耗包含三部分：1.由于MOSFET栅极电容充电和放电产生的功耗。公式1：2.由于MOSFET驱动器吸收静态电流而产生的功耗。公式2：3.MOSFET驱动器交越导通（穿通）电流产生的功耗。公式3：从上述公式推导得出，三部分功耗中只有一个与MOSFET栅极电容充电和放电有关。这部分功耗通常是昀高的，特别在很低的开关频率时。为了计算公式1的值，需要知道MOSFET栅极电容。MOSFET栅极电容包含两个电容：栅源电容和栅漏电容（密勒电容）。通常容易犯的错误是将MOSFET的输入电容（CISS）当作MOSFET总栅极电容。确定栅极电容的正确方法是看MOSFET数据手册中的总栅极电容（QG）。这个信息通常显示在任何MOSFET的电气特性表和典型特性曲线中。作者：JamieDunnMicrochipTechnologyInc.PCCGVDD2F××=其中：CG=MOSFET栅极电容VDD=MOSFET驱动器电源电压（V）F=开关频率PQIQHDIQL1D-()×+×()VDD×=其中：IQH=驱动器输入为高电平状态的静态电流D=开关波形的占空比去IQL=驱动器输入为低电平状态的静态电流PSCCFVDD××=其中：CC=交越常数（A*sec）MOSFET驱动器与MOSFET的匹配设计AN799DS00799B_CN第2页2006MicrochipTechnologyInc.表1显示了500V、14A、N沟道MOSFET的栅极电容在数据手册中的典型示例。要留意数据手册表中给出的数值与它们的测试条件有关：栅极电压和漏极电压。这些测试条件影响着栅极电荷的值。图1显示同一个MOSFET在不同栅极电压和漏极电压下栅极电荷的典型特性曲线。应确保用来计算功耗的栅极电荷值也满足应用条件。从图1的曲线中选取VGS=10V的典型值，我们得到总栅极电荷为98nC（VDS=400V）。利用Q=C*V关系式，我们得到栅极电容为9.8nF，这大大高于表1中列出的2.6nF的输入电容。这表明当计算栅极电容值时，总栅极电容值应从总栅极电荷值推导而来。图1：总栅极电荷—栅源电压（500V，14A，N沟道MOSFET）当使用电气特性表中栅极电荷的昀大值来进行昀坏情况设计时，这个值应根据设计中的漏源电压和栅源电压进行调整。利用表1给出的MOSFET信息并以图1为例，在VGS为12V，开关频率F=250kHz和漏源电压为400V时，由MOSFET栅极电容的充放电而产生的MOSFET驱动器的功耗为：通过使用图1的曲线并找到12V时对应的QG值可以得到CG的值。用QG除以12V就得到CG的值。已知QG等于CG*VG，PC公式可重写为：需要特别留意的是，公式中的电压被取了平方。因此，减小栅极驱动电压可以显著减小驱动器的功耗。对于一些MOSFET，栅极驱动电压超过8V至10V并不会进一步减小MOSFET电阻（RDS-ON）。以上述MOSFET为例，10V栅极驱动电压时功耗为：栅极电压减小了16%（从12V减小至10V），而得到的由栅极驱动的功耗减小了28%。进一步可以看到由于栅极电压减小，也降低了交越传导损耗。公式3显示由于MOSFET驱动器交越导通而产生的功耗，通常这也被称为穿通。这是由于输出驱动级的P沟道和N沟道场效应管（FET）在其导通和截止状态之间切换时同时导通而引起的。表1：数据手册中栅极电荷的表示引脚名参数昀小值典型值昀大值单位测试条件QG总栅极电荷——150nCID=14AVDS=400VVGS=10VQGS栅源电荷——20QGD栅漏电荷——80CISS输入电容—2600—pFVGS=0VVDS=25Vf=1.0MHzCOSS输出电容—720—CRSS反向传递电容—340—024681012141618200102030405060708090100110120130140QG,TotalGateCharge(nC)VGS,Gate-to-SourceVoltage(V)VDS=400VVDS=250VVDS=100VPCCGV2F××=PC9.5109-×12()2250103×××=PC342mW=PCQGV×F×=PCQGV×F×=PC98109-×10×250103××=PC245mW=2006MicrochipTechnologyInc.DS00799B_CN第3页AN799交越导通特性在MOSFET驱动器数据手册中显示为“交越能量—电源电压”典型特性曲线。图2给出了这个曲线示例。图2：交越能量—电源电压交越常数的单位通常为安培-秒（A*sec）。这个数值与工作频率相乘得到平均电流值。图2证明了先前讨论的这一点。也就是，当偏置电压增加时，交越常数也增加，因此驱动器的功率消耗（由于交越导通）也增加。反之，减小驱动器电压导致驱动器功耗减小。需要留意的一点是当使用双路驱动器时，交越常数通常表示驱动器两部分的工作。如果只使用了驱动器的一部分，或者驱动器的两部分工作在不同的频率，对于驱动器每部分的计算，只需要采用这个值的一半。以图2所示的信息为例，我们假设这是单输出驱动器，工作VDD为12V，工作频率为250kHz。基于上述曲线，交越常数定为5.2*10-9。对于这个驱动器，在这个电压和频率下工作，其功率消耗相对微不足道。通常，当驱动器的电流驱动能力增加时，由于穿通电流导致的损耗也相应增加。这些损耗可能很大，必须在选择MOSFET驱动器封装时加以考虑。Microchip提供表贴和引脚穿孔的封装，有8引脚MSOP，8引脚DFN和5引脚TO-220封装，便于工程师选择昀适合应用的封装。管芯对栅极电容的影响可以想见，MOSFET管芯的尺寸越大，栅极电荷的影响就越大。只要翻翻任何生产厂家的数据手册就可以证明这一点。在管芯尺寸与栅极电荷关系上，您会发现：管芯尺寸增加，总栅极电荷也增加。随着硅片技术的进步，新MOSFET可能与老器件具有相同的管芯尺寸，却具有较少的总栅极电荷。然而，采用相同硅片技术的MOSFET仍然使用于这个基本准则，即管芯尺寸增加，栅极充电所需的能量也增加。管芯尺寸经常表示为Hex尺寸。下列表2给出了不同MOSFETHex尺寸下典型管芯尺寸和总栅极电容值。表2：MOSFET管芯尺寸的HEX标示和典型电容现在许多供应商也提供“低栅极电荷”版本的MOSFET，可以提供更快的开关时间和更低的栅极充电损耗。这些器件可以使应用工作在更高的速度，而的功率MOSFET的开关损耗更低，并且MOSFET驱动器的栅极电荷损耗也更低。4A•sec186810121416876543210-910-89VDDPSCCF×V×=PS5.2109-×250103××12×=PS15.6mW=MOSFET尺寸管芯尺寸（mm）MOSFET的总电容（pF）Hex00.89x1.09400Hex11.75x2.41750Hex23.40x2.211500Hex34.44x2.793000Hex47.04x4.326000Hex56.45x6.4512000Hex6283x348mil15000Hex7283x348mil16000并联模块可变昀高48,000AN799DS00799B_CN第4页2006MicrochipTechnologyInc.峰值电流驱动的需求针对MOSFET驱动器的讨论主要是考虑内部和外部因素而导致MOSFET驱动器产生功耗。所以必须计算出MOSFET驱动器的功率损耗，进而利用计算值为驱动器选择正确的封装和计算结温。在应用中使MOSFET驱动器与MOSFET匹配主要是根据功率MOSFET导通和截止的速度快慢（栅极电压的上升和下降时间）。任何应用中优化的上升/下降时间取决于很多因素，例如EMI（传导和辐射），开关损耗，引脚/电路的感抗，以及开关频率等。MOSFET导通和截止的速度与MOSFET栅极电容的充电和放电速度有关。MOSFET栅极电容、导通和截止时间MOSFET驱动器的驱动电流的关系可以表示为：前面已知栅极电荷的关系为：上面的公式可重写为：上述公式假设电流（I）使用的是恒流源。如果使用MOSFET驱动器的峰值驱动电流来计算，将会产生一些误差。MOSFET驱动器以驱动器的输出峰值电流驱动能力来表示。这个峰值电流驱动能力通常在两个条件之一下给出。这两个条件为MOSFET驱动器输出短路到地或MOSFET驱动器输出处于某一特定电压值（通常为4V，因为这是MOSFET开始导通并且密勒效应开始起作用时的栅极门限电压）。通常，峰值电流也表示在器件昀大偏置电压下的电流。这意味着如果MOSFET驱动器工作在较低的偏置电压，MOSFET驱动器的峰值电流驱动能力会降低。设计示例：利用下列设计参数，可以计算出MOSFET驱动器的峰值驱动电流：使用前面推导的公式：这个公式得出的峰值驱动电流为0.5A。然而，设计参数中栅极驱动电压为12V。在选择合适的驱动器时，这个参数也应在考虑之中。例如，您选择的驱动器在18V时标称电流为0.5A，则在12V时，其峰值输出电流将小于0.5A。基于这个原因，对于这个特殊的应用，应选择在峰值输出电流为1.0A的驱动器。同时还需要考虑在MOSFET驱动器和功率MOSFET栅极之间使用外部电阻，因为这会减小驱动栅极电容的峰值充电电流。这种驱动的配置如图4所示。dTdVC×[]I----------------------=其中：dT=导通/截止时间dV=栅极电压C=栅极电容（从栅极电荷值）I=峰值驱动电流（对于给定电压值）QCV×=dTQI----=其中：Q=总栅极电荷MOSFET栅极电荷=20nC（Q）MOSFET栅极电压=12V（dV）导通/截至时间=40ns（dT）dTQI----=IQdT------=I20nC40ns-------------=I0.5A=2006MicrochipTechnologyInc.DS00799B_CN第5页AN799MOSFET驱动器栅极驱动典型配置使用MOSFET驱动器时可以采用许多不同的电路配置。很多时候，由于高的峰值电流、驱动电压快的上升/下降时间以及电路板上长走线引起的电感，需要考虑额外的钳位电路。图3至图6显示了经常使用的栅极驱动电路典型配置。图3：典型MOSFET驱动器电路昀理想的MOSFET驱动器电路如图3所示。这种配置常用于升压（boost）、反激式和单开关的正激开关电源拓扑结构中。采用正确的布板技巧和选择合适的偏置电压旁路电容，可以使MOSFET栅极电压得到很好的上升和下降时间。除了在偏置电压增加本地旁路电容外，MOSFET驱动器的良好铺地也很重要。图4：使用电阻限制峰值电流在许多栅极驱动应用中，也可能需要限制栅极驱动的峰值，以降低栅极电压的上升。通常这可以降低由于MOSFET漏极电压的快速上升斜率导致的EMI噪