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有效导通关断NMOS管的“窍门”

2021-12-16 16:05:00

开关电源作为电子产品的“心脏”，发挥着提供动力的作用。今天让我们一起来认识下有效导通关断NMOS管的“窍门”。

NMOS管的主回路电流方向为D极到S极，导通条件为VGS有一定的压差，即VG-VS》VTH；PMOS管的主回路电流方向为S极到G极，导通条件为VSG有一定的压差，即VS-VG》VTH。故一般把NMOS作为下管，S极接地，只要给G极一定电压即可控制其导通关断；把PMOS作为上管，S极接VIN，G极给个低电压即可导通。当然NMOS管也可作为上管，但需要增加自举驱动电路。

对于一些拓扑，比如Buck、Boost、Buck-Boost这些用NMOS作为上管的拓扑，就没办法直接用刚才说的只给G极一个电平来驱动。假如此时D极接VIN，S极的电压不定，NMOS管截止时为低电平，导通时接近高电平VIN，需要板子上给G极一个更高的电压，但此时板子已无比VIN更高的电平了，那么就可以采用自举驱动电路。

如图为用于驱动上MOS管的电容自举驱动电路。该自举电容通过二极管接到VCC端，下接上MOS管的S极。当驱动电路驱动下MOS管导通时，VCC通过二极管、RBOOT、下MOS管，对CBOOT充电。充电时间为下MOS管的导通时间，我们定为Toff（上MOS管）；当下管关断后，驱动电路导通上MOS管，CBOOT的下端电压变为VIN，由于电容两端电压不能突变，所以CBOOT上的电压自然就被举了起来。这样驱动电压才能高过输入电压，就能保持上管持续导通，此时VBOOT的电压通过RBOOT和内部电路放电，放电时间为Ton（上MOS管）。

自举电容充电过程如图：

下MOS管导通时开始充电，充电电压对时间的关系如公式一所示：

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

充电电流对时间的关系如公式二所示：

I = CdU/dT = C x △Vcboot/Toff。

接下来看一下其放电过程：上MOS管导通时开始放电，放电电压对时间的关系如公式三所示：

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

放电电流对时间的关系如公式四所示：

I = CdU/dT = C x △Vcboot/Ton

至此我们已经掌握自举驱动电路的“窍门”。

应该如何正确地选择合适的电容、电阻呢？

电容的选型主要基于其耐压值和容量大小。耐压值要大于等于VCC减去二极管和下MOS管的导通电压。驱动电路上有其他功耗器件由该电容供电，所以要求电容上的电压下跌最好不要超过原先值的10%，这样才能保证驱动电压。

由以上限制和公式三可推出需要Ton 《= （Rtotal x C）x ln0.9。由该式可知Ton的最大值与自举电容和自举电阻的大小有关。如果容值太小，其两端的电压降会过大，会出现占空比无法展开的情况。但是容值也不能太大，太大的电容会导致最小Toff变大，电容充不满电也会导致占空比无法展开，并且会导致二极管在充电的时候冲击电流过大。

了解完电容后，自举电阻该怎么选型呢？

自举电阻的电压等于充电电流乘以其阻值，所以其耐压值要大于最大充电电流乘以其阻值；同样自举电阻的阻值会影响自举电容充电时间，也会影响占空比， R越大，所需充电时间越长。同时自举电阻阻值的增加会降低上MOS管的驱动电压，增加Cgs的充电时间，从而降低上MOS管导通时的电压电流的变化率和SW波尖峰。