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DCDC的高端NMOS的自舉小竅門(mén)分享-KIA MOS管

信息來(lái)源:本站 日期:2022-07-19 

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DCDC的高端NMOS的自舉小竅門(mén)分享-KIA MOS管


NMOS管的主回路電流方向為D極到S極,導通條件為VGS有一定的壓差,即VG-VS>VTH;PMOS管的主回路電流方向為S極到G極,導通條件為VSG有一定的壓差,即VS-VG>VTH。


故一般把NMOS作為下管,S極接地,只要給G極一定電壓即可控制其導通關(guān)斷;把PMOS作為上管,S極接VIN,G極給個(gè)低電壓即可導通。當然NMOS管也可作為上管,但需要增加自舉驅動(dòng)電路。


對于一些拓撲,比如Buck、Boost、Buck-Boost這些用NMOS作為上管的拓撲,就沒(méi)辦法直接用剛才說(shuō)的只給G極一個(gè)電平來(lái)驅動(dòng)。


假如此時(shí)D極接VIN,S極的電壓不定,NMOS管截止時(shí)為低電平,導通時(shí)接近高電平VIN,需要板子上給G極一個(gè)更高的電壓,但此時(shí)板子已無(wú)比VIN更高的電平了,那么就可以采用自舉驅動(dòng)電路。


NMOS 自舉驅動(dòng)電路


如圖為用于驅動(dòng)上MOS管的電容自舉驅動(dòng)電路。該自舉電容通過(guò)二極管接到VCC端,下接上MOS管的S極。當驅動(dòng)電路驅動(dòng)下MOS管導通時(shí),VCC通過(guò)二極管、RBOOT、下MOS管,對CBOOT充電。


充電時(shí)間為下MOS管的導通時(shí)間,我們定為T(mén)off(上MOS管);當下管關(guān)斷后,驅動(dòng)電路導通上MOS管,CBOOT的下端電壓變?yōu)閂IN,由于電容兩端電壓不能突變,所以CBOOT上的電壓自然就被舉了起來(lái)。


這樣驅動(dòng)電壓才能高過(guò)輸入電壓,就能保持上管持續導通,此時(shí)VBOOT的電壓通過(guò)RBOOT和內部電路放電,放電時(shí)間為T(mén)on(上MOS管)。


NMOS 自舉驅動(dòng)電路


自舉電容充電過(guò)程如圖:

下MOS管導通時(shí)開(kāi)始充電,充電電壓對時(shí)間的關(guān)系如公式一所示:


Vcboot_max = V0 + VCC x [1–exp (-Toff/RC)];


充電電流對時(shí)間的關(guān)系如公式二所示:


I = CdU/dT = C x △Vcboot/Toff。


NMOS 自舉驅動(dòng)電路


接下來(lái)看一下其放電過(guò)程:上MOS管導通時(shí)開(kāi)始放電,放電電壓對時(shí)間的關(guān)系如公式三所示:


Vcboot_min = exp [ -Ton/ (Rtotal x C) ] x Vcboot_max


放電電流對時(shí)間的關(guān)系如公式四所示:

I = CdU/dT = C x △Vcboot/Ton

至此我們已經(jīng)掌握自舉驅動(dòng)電路的“竅門(mén)”。


如何正確地選擇合適的電容、電阻呢?

電容的選型主要基于其耐壓值和容量大小。耐壓值要大于等于VCC減去二極管和下MOS管的導通電壓。驅動(dòng)電路上有其他功耗器件由該電容供電,所以要求電容上的電壓下跌最好不要超過(guò)原先值的10%,這樣才能保證驅動(dòng)電壓。


由以上限制和公式三可推出需要Ton <= (Rtotal x C)x ln0.9。由該式可知Ton的最大值與自舉電容和自舉電阻的大小有關(guān)。如果容值太小,其兩端的電壓降會(huì )過(guò)大,會(huì )出現占空比無(wú)法展開(kāi)的情況。


但是容值也不能太大,太大的電容會(huì )導致最小Toff變大,電容充不滿(mǎn)電也會(huì )導致占空比無(wú)法展開(kāi),并且會(huì )導致二極管在充電的時(shí)候沖擊電流過(guò)大。


了解完電容后,自舉電阻該怎么選型呢?

自舉電阻的電壓等于充電電流乘以其阻值,所以其耐壓值要大于最大充電電流乘以其阻值;同樣自舉電阻的阻值會(huì )影響自舉電容充電時(shí)間,也會(huì )影響占空比, R越大,所需充電時(shí)間越長(cháng)。


同時(shí)自舉電阻阻值的增加會(huì )降低上MOS管的驅動(dòng)電壓,增加Cgs的充電時(shí)間,從而降低上MOS管導通時(shí)的電壓電流的變化率和SW波尖峰。


NMOS 自舉驅動(dòng)電路

圖注:自舉電阻為0Ω時(shí),SW的測試波形


將電阻增大到45Ω時(shí),可以明顯看出自舉電阻越大,SW波上升斜率越小,同時(shí)SW的尖峰越小,驗證了前面的結論。


NMOS 自舉驅動(dòng)電路

圖注:電阻增大到45Ω時(shí),SW的測試波形



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