MOS管驱动电路详解：原理、分类与设计要点

MOS管驱动电路详解：原理、分类与设计要点

MOS管（金属氧化物半导体场效应晶体管）在现代电子设备中广泛应用，特别是在开关电源设计中。为了确保MOS管能够快速、可靠地切换状态，需要专门的驱动电路来提供足够的驱动能力。本文将详细介绍MOS管驱动电路的基本原理、分类以及设计要点，帮助读者更好地理解这一关键电路组件。

一、驱动电路的介绍

在电源或者硬件设计中，无论是三极管BJT还是MOS管，都需要驱动电路。这是为什么呢？为何不能直接将脉冲波形加在开关管上？驱动电路的作用主要有以下几点：

• 提供足够的驱动能力。由于驱动信号往往从控制器如DSP、单片机给出，驱动电压和电流不足以使开关管导通，所以需要驱动电路进行驱动能力匹配
• 保证开关管良好的开关状态。在一个电路中，开关管不能太快或者太慢，太快EMI过不了，太慢开关损耗又太大。
• 保证器件的可靠性，避免过压和过流。由于开关器件寄生参数的存在，在导通或者关断时，往往产生很大的电压电流尖峰，这会影响电路的性能和器件的可靠性。

驱动电路一般分为电流驱动型和电压驱动型。

BJT等电流控制型器件需要电流驱动型电路。这种电路需要在BJT导通时提供足够大的持续电流。

而MOS管和IGBT等电压驱动型器件，由于输入电阻很大，所以不需要太大的连续驱动电流，但是为保证一定开关速度，峰值电流需要保证。所以电压驱动电路一方面提供足够的驱动电压，另一方面提供一定的峰值电流。

因MOS管开关速度高，导通阻抗小，在开关电源中应用广泛，下面对MOS管的驱动电路进行详细介绍。

介绍之前，想先简单介绍下MOS管的开通过程，关断过程反过来，也就不详细介绍了。

我们知道MOS管包含三个寄生电容Cgs、Cgd、Cds，如下图所示：

在MOS管的datasheet中，并未给出以上三个电容，而是给出了Ciss、Coss、Crss

• Ciss：输入电容，Ciss=Cgs+Cgd
• Coss：输出电容，Coss=Cgd+Cds
• Crss：反向传输电容，即米勒电容，Crss=Cgd

Cgd随电压是变化的，这就导致了米勒平台的产生。

开通过程包括以下几个阶段：

1. 当Vgs小于Vth时，驱动电压主要给Cgs充电，这是因为此时Cgd承受正压所以容量很小，能存储的电荷也小，所以电荷大部分都跑到Cgs上。
2. 当Vgs>Vth时，MOS管开始导通，iD产生，此时Cgd增大，所以驱动电流一部分往Cgd走，当MOS完全导通后，iD保持不变，所以Vgs不变，驱动电流大部分往Cgd走，进入米勒平台区。Vds在这个时期一直减小。
3. 当Cgd增加到与Cgs差不多时（在Vds下降到等于此时的Vgs-Vg(th)这个值的时候，此时Cgd有低阻抗通路，相当于与Cgs并联），驱动电压又分别给两者充电，所以Vgs又上升。

米勒平台的危害主要时增加MOS管的交叉损耗，所以时间越短越好。

二、MOS驱动电路的分类

1. 非隔离驱动

非隔离驱动指的是，控制电路不需要与主电路进行隔离。

1.1 直接驱动

驱动芯片可以与开关管共地，可使用直接驱动电路。

直接驱动电路简化图如下：

Rgs主要是用来给Cgs放电。

Rg是驱动电阻，用来控制开关速度和抑制电流尖峰。

下面分别讨论两个参数对驱动电压的影响。

Rgs的影响

在开机无驱动时，若不加Rgs，MOS会误导通，甚至击穿MOS。

从下面的仿真可以看到，不加驱动时，Vgs接近4V，而且整个电路上有电流，说明MOS管导通。

原因是由于Cgs、Cgd的存在，两者会对输入电压进行分压，分压跟电容成反比，导致Vgs>Vth，所以MOS管导通，所以整个回路存在电流。

加上Rgs后，电路不加驱动时，Vgs上不在有电压。Rgs一般选择10-20k，太大，Cgs放电慢，但太小，电阻功耗大。

Rg的影响

电路加驱动时，由于PCB引线或者MOS寄生电感的存在，驱动等效电路为LC电路，会产生谐振，所以需要加入Rg来增加阻尼。

对驱动电路进行仿真，发现驱动电阻需要选取合适，太大，驱动能力减弱，太小，起不到阻尼的作用，Rg一般选择5-10Ω。

1.2 自举电路

自举的意思是利用电容电压不能突变的原理，MOS管改变开关状态时，能自动将电压抬升起来，从而将高压MOS导通。主要应用在MOS不能与驱动IC共地的情况下，如buck电路。

下面以buck芯片tps50601进行说明。

自举电路工作过程如下

（1）低压MOS导通，Cboot充电，但其上电压<Vth，高压MOS不能导通（若导通s端电压为Vin>g端电压，导致高压MOS关闭）

（2）低压MOS关断，Cboot电压抬升，但其上电压为Vin+Vboot>Vth，高压MOS导通

自举电容需要选取的合适，太大，电荷泵充电时，电流过大，而太小，自举电压维持不住。在buck芯片的datasheet中，Cboot一般选择0.1uF。

2. 隔离驱动

考虑到可靠性（高压电路和低压电路之间需要隔离），控制电路需要与主电路隔离。

2.1 变压器隔离

基本变压器隔离电路如下图所示。

C1为隔直电容，其上的平均电压为D*Vin。

但此电路有如下缺点：

• 驱动电压减小，且有负值
• 占空比D越大，驱动电压越小

改进的变压器隔离电路如下：

副边增加了隔直电容和续流二极管。

下面的波形可以看到，MOS的Vgs可以很好的跟随驱动波形。

而且即使D变得很大如0.9，Vgs也不会变得很小

关于设计：

• 变压器按照正激变压器设计，不能让其饱和
• 隔直电容一般选择几百nF
• 续流二极管选择快恢复二极管

2.2 光耦隔离

变压器容易受寄生参数的影响，且易饱和，而光耦隔离就很好的解决了这一问题，但是光耦受自身参数的影响，频率不能做的很高，且在恶劣条件下，寿命和可靠性降低。

下面是光耦驱动的电路，这里不详细介绍了，注意光耦需要足够的驱动电流才能导通。