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[導(dǎo)讀]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)到電流緩啟動的目的。MOS管有導(dǎo)通阻抗Rds_on低和驅(qū)動簡單的特點(diǎn),在周圍加上少量元器件就可以構(gòu)成緩慢啟動

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)到電流緩啟動的目的。MOS管有導(dǎo)通阻抗Rds_on低和驅(qū)動簡單的特點(diǎn),在周圍加上少量元器件就可以構(gòu)成緩慢啟動電路。雖然電路比較簡單,但只有吃透MOS管的相關(guān)開關(guān)特性后才能對這個(gè)電路有深入的理解。


本文首先從MOSFET的開通過程進(jìn)行敘述:
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有十分清楚的理解MOSFET開關(guān)過程,以及MOSFET在開關(guān)過程中所處的狀態(tài)一般來說,電子工程師通?;跂艠O電荷理解MOSFET的開通的過程,如圖1所示此圖在MOSFET數(shù)據(jù)表中可以查到


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,沒有漏極電流流過,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。
米勒平臺期間,Id電流維持ID,Vds電壓不斷降低。
米勒平臺結(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??梢哉J(rèn)為米勒平臺結(jié)束后MOSFET基本上已經(jīng)導(dǎo)通。
對于上述的過程,理解難點(diǎn)在于為什么在米勒平臺區(qū),Vgs的電壓恒定?驅(qū)動電路仍然對柵極提供驅(qū)動電流,仍然對柵極電容充電,為什么柵極的電壓不上升?而且柵極電荷特性對于形象的理解MOSFET的開通過程并不直觀因此,下面將基于漏極導(dǎo)通特性理解MOSFET開通過程。
MOSFET的漏極導(dǎo)通特性與開關(guān)過程。
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)。


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:


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)的過程從A到B點(diǎn)的過程中,可以非常直觀的發(fā)現(xiàn),此過程工作于MOSFET的恒流區(qū),也就是Vgs電壓和Id電流自動找平衡的過程,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)對應(yīng)的柵級電壓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,Vgd的負(fù)電壓絕對值不斷下降,過0后轉(zhuǎn)為正電壓驅(qū)動電路的電流絕大部分流過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)的過程米勒平臺即為恒流區(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)說明:
MOS管是電壓控制器件,其極間電容等效電路如圖4所示。


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:


公式中MOS管的反饋電容Crss,輸入電容Ciss和輸出電容Coss的數(shù)值在MOS管的手冊上可以查到。
電容充放電快慢決定MOS管開通和關(guān)斷的快慢,Vgs首先給Cgs 充電,隨著Vgs的上升,使得MOS管從截止區(qū)進(jìn)入可變電阻區(qū)。進(jìn)入可變電阻區(qū)后,Ids電流增大,但是Vds電壓不變。隨著Vgs的持續(xù)增大,MOS管進(jìn)入米勒平臺區(qū),在米勒平臺區(qū),Vgs維持不變,電荷都給Cgd 充電,Ids不變,Vds持續(xù)降低。在米勒平臺后期,MOS管Vds非常小,MOS進(jìn)入了飽和導(dǎo)通期。為確保MOS管狀態(tài)間轉(zhuǎn)換是線性的和可預(yù)知的,外接電容C2并聯(lián)在Cgd上,如果外接電容C2比MOS管內(nèi)部柵漏電容Cgd大很多,就會減小MOS管內(nèi)部非線性柵漏電容Cgd在狀態(tài)間轉(zhuǎn)換時(shí)的作用,另外可以達(dá)到增大米勒平臺時(shí)間,減緩電壓下降的速度的目的。外接電容C2被用來作為積分器對MOS管的開關(guān)特性進(jìn)行精確控制??刂屏寺O電壓線性度就能精確控制沖擊電流。
電路描述:
圖5所示為基于MOS管的自啟動有源沖擊電流限制法電路。MOS管 Q1放在DC/DC電源模塊的負(fù)電壓輸入端,在上電瞬間,DC/DC電源模塊的第1腳電平和第4腳一樣,然后控制電路按一定的速率將它降到負(fù)電壓,電壓下降的速度由時(shí)間常數(shù)C2*R2決定,這個(gè)斜率決定了最大沖擊電流。
C2可以按以下公式選定:


R2由允許沖擊電流決定:


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。


圖5 有源沖擊電流限制法電路


D1是一個(gè)穩(wěn)壓二極管,用來限制MOS管 Q1的柵源電壓。元器件R1,C1和D2用來保證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:


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?,Vplt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,對于通訊系統(tǒng)中用的MOS管,一般選擇Vds≥100V。
l 柵源電壓Vgs
穩(wěn)壓管D1是用來保護(hù)MOS管Q1的柵極以防止其過壓擊穿,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:


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。


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


設(shè)計(jì)舉例
已知: Vmax=72V
Iinrush=3A
選擇MOS管Q1為IRF540S
選擇二極管D2為BAS21
按公式(4)計(jì)算:C2>>1700pF。選擇 C2=0.01μF;
按公式(5)計(jì)算:R2=252.5kW。選擇 R2=240kW,選擇R3=270W<<R2;
按公式(7)計(jì)算:C1=0.75μF。選擇 C1=1μF;
按公式(8)計(jì)算:R1=499.5W。選擇 R1=1kW
圖6所示為圖5 電路的實(shí)測波形,其中DC/DC電源輸出為空載。

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