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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选择最合适的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
最高的,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:Jamie Dunn
Microchip Technology Inc.
PCCGVDD
2F××=
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
PSCC F VDD××=
其中:
CC =交越常数(A*sec)
MOSFET驱动器与MOSFET的匹配设计
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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98 nC(VDS= 400V).利用Q = C * V关
系式,我们得到栅极电容为9.8 nF,这大大高于表1中
列出的2.6 nF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最大值来进行最坏情况
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 = 250 kHz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 最小值 典型值 最大值 单位 测试条件
QG总栅极电荷——150
nC
ID = 14A
VDS = 400V
VGS = 10V
QGS栅源电荷——20
QGD栅漏电荷——80
CISS输入电容— 2600 —
pF
VGS = 0V
VDS = 25V
f = 1.0 MHz
COSS输出电容—720—
CRSS反向传递电容—340—
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
QG, Total Gate Charge (nC)
VGS, Gate-to-Source Voltage (V)
VDS = 400V
VDS = 250V
VDS = 100V
PCCGV2F××=
PC9.5 109-×12()2250 103×××=
PC342mW=
PCQGV×F×=
PCQGV×F×=
PC98 109-×10×250 103××=
PC245mW=
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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250 kHz.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
选择最适合应用的封装.
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
MOSFET Hex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.
4
A sec
186 8 10 12 14 16
8
7
6
5
4
3
2
10-9
10-8
9
VDD
PSCC F×V×=
PS5.2 1 09-×250 103××12×=
PS15.6mW=
MOSFET
尺寸
管芯尺寸
(mm)
MOSFET的总电容
(pF)
Hex 0 0.89 x 1.09 400
Hex 1 1.75 x 2.41 750
Hex 2 3.40 x 2.21 1500
Hex 3 4.44 x 2.79 3000
Hex 4 7.04 x 4.32 6000
Hex 5 6.45 x 6.45 12000
Hex 6 283 x 348 mil 15000
Hex 7 283 x 348 mil 16000
并联模块 可变 最高48,000
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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
时间与 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最
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.
dT
dV C×[]
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×=
dT
Q
I
----=
其中:
Q = 总栅极电荷
MOSFET栅极电荷=20 nC(Q)
MOSFET栅极电压=12V(dV)
导通/截至时间=40 ns(dT)
dT
Q
I
----=
I
Q
dT
------=
I
20nC
40ns
-------------=
I0.5A=
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MOSFET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
最理想的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噪声.
通过改换具有更低峰值电流的MOSFET驱动器或增加
一个串联栅极驱动电阻,如图4所示,就可以减缓
MOSFET栅极电压的上升和下降时间.
图5:当电路板走线长时使用齐纳二极管来
钳位电压
在MOSFET驱动器并没有放置在它所驱动的MOSFET
附近的应用中,驱动器的输出与MOSFET的栅极之间
存在电感,这会导致MOSFET栅极电压振荡而超过VDD
和低于地(GND).如果峰值电压超过MOSFET标称
的最大栅极电压,MOSFET会损坏,进而导致失效.可
以在MOSFET栅极和源极间增加一个齐纳二极管对电
压进行钳位,如图5所示.可能的话,应使MOSFET
驱动器和MOSFET的走线长度尽可能短,以此限制电
感引起的振荡效应.驱动器输出和MOSFET栅极间的
电感也会影响MOSFET驱动器在瞬态条件下将
MOSFET栅极维持在低电平的能力.
1 F
50V
V-
V+
输入
1/2
TC4424
1 F
50V
V-
V+
输入
1/2
TC4424
1/21 F
50V
V-
V+
输入
TC4426
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图6显示了使用栅极驱动变压器的两种不同栅极驱动配
置.栅极驱动变压器可以用在高压或低压的应用中,从
而在控制电路和功率MOSFET之间提供隔离,而这种
隔离是为了满足安全要求,或者是提供高端浮空栅极驱
动.
图6中的电路A和电路B显示了单开关正激应用中使用
的栅极驱动变压器.与MOSFET驱动器输出和栅极驱
动变压器串联的电阻和电容用于平衡栅极驱动变压器的
电压-时间.由于栅极驱动变压器的电压-时间必须平
衡(对任何变压器都一样),在开关周期的截止时间内,
功率MOSFET的栅极被施加了一个负的栅源电压.很
多时候这会引起导通时开关时间延迟.如果不希望发生
这种情况,可以使用B中的电路配置.这个电路使用负
的栅极驱动电压来导通另外一个小信号FET,进而短接
主功率MOSFET的栅源端子,使其完全截止,并使栅
极电压保持在0V.A和B中显示的驱动配置也可以用于
双开关的正激拓扑结构.
图6:栅极驱动变压器应用
VCC
OUT
GND
MOSFET驱动器IC 变压器
绕组
变压器
绕组
VCC
OUT
GND
MOSFET驱动器IC
A) 单开关正激
栅极驱动方案
B) 具有从MOSFET移去负栅极驱动电压电路的
单开关正激栅极驱动方案
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MICROCHIP MOSFET驱动器系列
Microchip提供几个MOSFET驱动器系列,它们是:
TC426是全球最早的CMOS MOSFET驱动器.它是双
输出器件,在18V时提供最高1.5A峰值驱动电流.这
种1.5A驱动器也包含另外两个版本:双路同相TC427
驱动器和一路反相加一路同相的TC428驱动器.
TC4426系列是TC426系列的第二代产品,通过提升工
艺和设计,具有更低的传输时延,与第一代相比,只消
耗一半的功耗.所有器件型号为四位数的驱动器都具有
这些改进性能.
第二代产品的另外一个重要改进是它们的输入信号可以
低于负电源轨(地)达5V.对于控制电路地并没有完
全接至MOSFET的功率地或源极地的系统,这项参数
特别有用.这两个地通常会有些相对移动(地电位的变
化).
TC4426A系列驱动器具有TC4426系列的所有性能改
进,同时具有匹配的传输时延.具有匹配的传输时延时
间和匹配的上升和下降时间,使这个系列驱动器成为看
中占空比完整性应用的理想选择.
TC1426\27\28系列是TC426\27\28系列特别低成本版
本,它们在输入端不具有低于电源轨的保护功能.它们
是大批量OEM生产的佳选.
TC4423\24\25系列双输出驱动器的命名规则与
TC426\27\28 1.5A系列相同,它们具有3A输出能力.
TC4424是双输出同相驱动器,TC4425是一路反相加一
路同相的驱动器.
TC4429是单路反相驱动器(如其前身TC429),
TC4420则为同相驱动器.这个系列驱动器在18V具有
6A驱动能力.TC4429在18V时可以在65 nsec典型值下
驱动10,000 pF的负载.
TC4421(反相)和TC4422(同相)为9A输出,单输
出MOSFET驱动器系列,与TC4420/29 6A MOSFET
驱动器引脚兼容.这为需要6A以上栅极驱动电流能力
的应用提供很好的向上兼容性.TC1410(N),TC1411
(N),TC1412(N),TC1413(N),TC4420/29
和TC4421/22单输出驱动器引脚相互兼容.
下页表3列出了在生产测试条件下不同驱动器的性能.
这些驱动器的特性在其各自的数据手册中均有详细介
绍.该表仅作为参数比较的指南.
TC426\27\28(双输出1.5A)
TC1410\11\12\13(单输出0.5A至3.0A)
TC1426\27\28(双输出1.5A)
TC4426\27\28(双输出1.5A)
TC4426A\27A\28A(双输出1.5A)
TC4403(分立输出1.5A)
TC4404\05(双输出1.5A)
TC4420\29(单输出6.0A)
TC4421\22(单输出9.0A)
TC4431\32(单输出1.5A,30V)
TC4467\68\69(四路输出1.2A)
TC4626\27(单输出1.5A)
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以下系列的功率驱动器采用CMOS制造工艺,可以同时
与低电平控制功能电路和高功率开关器件接口,特别是
与功率MOSFET接口.这些器件也是容性负载的合适
选择,提供1.2A至9A的驱动电流,也提供反相和同相
输出,以及双输入逻辑门.
Microchip还提供未在表3中列出的MOSFET驱动器.
欲了解Microchip完整的MOSFET驱动器型号列表,请
浏览Microchip网站www.microchip.com.
表3:MOSFET驱动器选择表
总结
在实际应用中,将适当的MOSFET驱动器与MOSFET
匹配时需要考虑许多参数.然而,遵循本应用笔记中介
绍的步骤就可以作出正确的选择.表3可以作为通用的
指南来缩小选择的范围.
正如任何电子元件一样,没有一个器件能够适合所有的
应用,因此Microchip提供了不同标称电流,驱动输出
极性和输入逻辑配置的MOSFET驱动器.
器件
型号
峰值驱
动电流
(A)
输出路数和类型
栅极电容
(pF)
上升时间
@标称负载
(nsec)
下降时间
@标称负载
(nsec)
上升边沿
传输时延
(nsec)
下降边沿
传输时延
(nsec)
输入保护
至5V或低
于地
(Gnd)
反相 同相
TC14261.2双路— 1000 35 25 75 75否
TC14271.2 —双路1000 35 25 75 75否
TC14281.2单路 单路1000 35 25 75 75否
TC44261.5双路— 1000 19 19 20 40是
TC44271.5 —双路1000 19 19 20 40是
TC44281.5单路 单路1000 19 19 20 40是
TC4426A1.5双路— 1000 25 25 30 30是
TC4427A1.5 —双路1000 25 25 30 30是
TC4428A1.5单路 单路1000 25 25 30 30是
TC44233.0双路— 1800 23 25 33 38是
TC44243.0 —双路1800 23 25 33 38是
TC44253.0单路 单路1800 23 25 33 38是
TC44206.0 —单路2500 25 25 55 55是
TC44296.0单路— 2500 25 25 55 55是
TC44219.0单路—10,00060603033是
TC44229.0 —单路10,00060603033是
TC44671.2四路或非47015154040是
TC44681.2四路与47015154040是
TC44691.2四路与/反相47015154040是
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08/29/06
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选择最合适的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
最高的,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:Jamie Dunn
Microchip Technology Inc.
PCCGVDD
2F××=
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
PSCC F VDD××=
其中:
CC =交越常数(A*sec)
MOSFET驱动器与MOSFET的匹配设计
AN799
DS00799B_CN 第 2 页 2006 Microchip Technology Inc.
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98 nC(VDS= 400V).利用Q = C * V关
系式,我们得到栅极电容为9.8 nF,这大大高于表1中
列出的2.6 nF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最大值来进行最坏情况
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 = 250 kHz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 最小值 典型值 最大值 单位 测试条件
QG总栅极电荷——150
nC
ID = 14A
VDS = 400V
VGS = 10V
QGS栅源电荷——20
QGD栅漏电荷——80
CISS输入电容— 2600 —
pF
VGS = 0V
VDS = 25V
f = 1.0 MHz
COSS输出电容—720—
CRSS反向传递电容—340—
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
QG, Total Gate Charge (nC)
VGS, Gate-to-Source Voltage (V)
VDS = 400V
VDS = 250V
VDS = 100V
PCCGV2F××=
PC9.5 109-×12()2250 103×××=
PC342mW=
PCQGV×F×=
PCQGV×F×=
PC98 109-×10×250 103××=
PC245mW=
2006 Microchip Technology Inc.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250 kHz.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
选择最适合应用的封装.
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
MOSFET Hex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.
4
A sec
186 8 10 12 14 16
8
7
6
5
4
3
2
10-9
10-8
9
VDD
PSCC F×V×=
PS5.2 1 09-×250 103××12×=
PS15.6mW=
MOSFET
尺寸
管芯尺寸
(mm)
MOSFET的总电容
(pF)
Hex 0 0.89 x 1.09 400
Hex 1 1.75 x 2.41 750
Hex 2 3.40 x 2.21 1500
Hex 3 4.44 x 2.79 3000
Hex 4 7.04 x 4.32 6000
Hex 5 6.45 x 6.45 12000
Hex 6 283 x 348 mil 15000
Hex 7 283 x 348 mil 16000
并联模块 可变 最高48,000
AN799
DS00799B_CN 第 4 页 2006 Microchip Technology Inc.
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
时间与 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最
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.
dT
dV C×[]
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×=
dT
Q
I
----=
其中:
Q = 总栅极电荷
MOSFET栅极电荷=20 nC(Q)
MOSFET栅极电压=12V(dV)
导通/截至时间=40 ns(dT)
dT
Q
I
----=
I
Q
dT
------=
I
20nC
40ns
-------------=
I0.5A=
2006 Microchip Technology Inc.DS00799B_CN第 5 页
AN799
MOSFET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
最理想的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噪声.
通过改换具有更低峰值电流的MOSFET驱动器或增加
一个串联栅极驱动电阻,如图4所示,就可以减缓
MOSFET栅极电压的上升和下降时间.
图5:当电路板走线长时使用齐纳二极管来
钳位电压
在MOSFET驱动器并没有放置在它所驱动的MOSFET
附近的应用中,驱动器的输出与MOSFET的栅极之间
存在电感,这会导致MOSFET栅极电压振荡而超过VDD
和低于地(GND).如果峰值电压超过MOSFET标称
的最大栅极电压,MOSFET会损坏,进而导致失效.可
以在MOSFET栅极和源极间增加一个齐纳二极管对电
压进行钳位,如图5所示.可能的话,应使MOSFET
驱动器和MOSFET的走线长度尽可能短,以此限制电
感引起的振荡效应.驱动器输出和MOSFET栅极间的
电感也会影响MOSFET驱动器在瞬态条件下将
MOSFET栅极维持在低电平的能力.
1 F
50V
V-
V+
输入
1/2
TC4424
1 F
50V
V-
V+
输入
1/2
TC4424
1/21 F
50V
V-
V+
输入
TC4426
AN799
DS00799B_CN 第 6 页 2006 Microchip Technology Inc.
图6显示了使用栅极驱动变压器的两种不同栅极驱动配
置.栅极驱动变压器可以用在高压或低压的应用中,从
而在控制电路和功率MOSFET之间提供隔离,而这种
隔离是为了满足安全要求,或者是提供高端浮空栅极驱
动.
图6中的电路A和电路B显示了单开关正激应用中使用
的栅极驱动变压器.与MOSFET驱动器输出和栅极驱
动变压器串联的电阻和电容用于平衡栅极驱动变压器的
电压-时间.由于栅极驱动变压器的电压-时间必须平
衡(对任何变压器都一样),在开关周期的截止时间内,
功率MOSFET的栅极被施加了一个负的栅源电压.很
多时候这会引起导通时开关时间延迟.如果不希望发生
这种情况,可以使用B中的电路配置.这个电路使用负
的栅极驱动电压来导通另外一个小信号FET,进而短接
主功率MOSFET的栅源端子,使其完全截止,并使栅
极电压保持在0V.A和B中显示的驱动配置也可以用于
双开关的正激拓扑结构.
图6:栅极驱动变压器应用
VCC
OUT
GND
MOSFET驱动器IC 变压器
绕组
变压器
绕组
VCC
OUT
GND
MOSFET驱动器IC
A) 单开关正激
栅极驱动方案
B) 具有从MOSFET移去负栅极驱动电压电路的
单开关正激栅极驱动方案
2006 Microchip Technology Inc.DS00799B_CN第 7 页
AN799
MICROCHIP MOSFET驱动器系列
Microchip提供几个MOSFET驱动器系列,它们是:
TC426是全球最早的CMOS MOSFET驱动器.它是双
输出器件,在18V时提供最高1.5A峰值驱动电流.这
种1.5A驱动器也包含另外两个版本:双路同相TC427
驱动器和一路反相加一路同相的TC428驱动器.
TC4426系列是TC426系列的第二代产品,通过提升工
艺和设计,具有更低的传输时延,与第一代相比,只消
耗一半的功耗.所有器件型号为四位数的驱动器都具有
这些改进性能.
第二代产品的另外一个重要改进是它们的输入信号可以
低于负电源轨(地)达5V.对于控制电路地并没有完
全接至MOSFET的功率地或源极地的系统,这项参数
特别有用.这两个地通常会有些相对移动(地电位的变
化).
TC4426A系列驱动器具有TC4426系列的所有性能改
进,同时具有匹配的传输时延.具有匹配的传输时延时
间和匹配的上升和下降时间,使这个系列驱动器成为看
中占空比完整性应用的理想选择.
TC1426\27\28系列是TC426\27\28系列特别低成本版
本,它们在输入端不具有低于电源轨的保护功能.它们
是大批量OEM生产的佳选.
TC4423\24\25系列双输出驱动器的命名规则与
TC426\27\28 1.5A系列相同,它们具有3A输出能力.
TC4424是双输出同相驱动器,TC4425是一路反相加一
路同相的驱动器.
TC4429是单路反相驱动器(如其前身TC429),
TC4420则为同相驱动器.这个系列驱动器在18V具有
6A驱动能力.TC4429在18V时可以在65 nsec典型值下
驱动10,000 pF的负载.
TC4421(反相)和TC4422(同相)为9A输出,单输
出MOSFET驱动器系列,与TC4420/29 6A MOSFET
驱动器引脚兼容.这为需要6A以上栅极驱动电流能力
的应用提供很好的向上兼容性.TC1410(N),TC1411
(N),TC1412(N),TC1413(N),TC4420/29
和TC4421/22单输出驱动器引脚相互兼容.
下页表3列出了在生产测试条件下不同驱动器的性能.
这些驱动器的特性在其各自的数据手册中均有详细介
绍.该表仅作为参数比较的指南.
TC426\27\28(双输出1.5A)
TC1410\11\12\13(单输出0.5A至3.0A)
TC1426\27\28(双输出1.5A)
TC4426\27\28(双输出1.5A)
TC4426A\27A\28A(双输出1.5A)
TC4403(分立输出1.5A)
TC4404\05(双输出1.5A)
TC4420\29(单输出6.0A)
TC4421\22(单输出9.0A)
TC4431\32(单输出1.5A,30V)
TC4467\68\69(四路输出1.2A)
TC4626\27(单输出1.5A)
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DS00799B_CN 第 8 页 2006 Microchip Technology Inc.
以下系列的功率驱动器采用CMOS制造工艺,可以同时
与低电平控制功能电路和高功率开关器件接口,特别是
与功率MOSFET接口.这些器件也是容性负载的合适
选择,提供1.2A至9A的驱动电流,也提供反相和同相
输出,以及双输入逻辑门.
Microchip还提供未在表3中列出的MOSFET驱动器.
欲了解Microchip完整的MOSFET驱动器型号列表,请
浏览Microchip网站www.microchip.com.
表3:MOSFET驱动器选择表
总结
在实际应用中,将适当的MOSFET驱动器与MOSFET
匹配时需要考虑许多参数.然而,遵循本应用笔记中介
绍的步骤就可以作出正确的选择.表3可以作为通用的
指南来缩小选择的范围.
正如任何电子元件一样,没有一个器件能够适合所有的
应用,因此Microchip提供了不同标称电流,驱动输出
极性和输入逻辑配置的MOSFET驱动器.
器件
型号
峰值驱
动电流
(A)
输出路数和类型
栅极电容
(pF)
上升时间
@标称负载
(nsec)
下降时间
@标称负载
(nsec)
上升边沿
传输时延
(nsec)
下降边沿
传输时延
(nsec)
输入保护
至5V或低
于地
(Gnd)
反相 同相
TC14261.2双路— 1000 35 25 75 75否
TC14271.2 —双路1000 35 25 75 75否
TC14281.2单路 单路1000 35 25 75 75否
TC44261.5双路— 1000 19 19 20 40是
TC44271.5 —双路1000 19 19 20 40是
TC44281.5单路 单路1000 19 19 20 40是
TC4426A1.5双路— 1000 25 25 30 30是
TC4427A1.5 —双路1000 25 25 30 30是
TC4428A1.5单路 单路1000 25 25 30 30是
TC44233.0双路— 1800 23 25 33 38是
TC44243.0 —双路1800 23 25 33 38是
TC44253.0单路 单路1800 23 25 33 38是
TC44206.0 —单路2500 25 25 55 55是
TC44296.0单路— 2500 25 25 55 55是
TC44219.0单路—10,00060603033是
TC44229.0 —单路10,00060603033是
TC44671.2四路或非47015154040是
TC44681.2四路与47015154040是
TC44691.2四路与/反相47015154040是
2006 Microchip Technology Inc.DS00799B_CN第9页
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商标
Microchip的名称和徽标组合,Microchip徽标,Accuron,
dsPIC,KEELOQ,microID,MPLAB,PIC,PICmicro,
PICSTART,PRO MATE,PowerSmart,rfPIC和
SmartShunt均为Microchip Technology Inc. 在美国和其他国
家或地区的注册商标.
AmpLab,FilterLab,Migratable Memory,MXDEV,
MXLAB,SEEVAL,SmartSensor和The Embedded Control
Solutions Company均为Microchip Technology Inc.在美国的
注册商标.
Analog-for-the-Digital Age,Application Maestro,
CodeGuard,dsPICDEM,dsPICDEM.net,dsPICworks,
ECAN,ECONOMONITOR,FanSense,FlexROM,
fuzzyLAB,In-Circuit Serial Programming,ICSP,ICEPIC,
Linear Active Thermistor,Mindi,MiWi,MPASM,
MPLIB,MPLINK,PICkit,PICDEM,PICDEM.net,
PICLAB,PICtail,PowerCal,PowerInfo,PowerMate,
PowerTool,REAL ICE,rfLAB,rfPICDEM,Select Mode,
Smart Serial,SmartTel,Total Endurance,UNI/O,
WiperLock和ZENA均为Microchip Technology Inc.在美国和其
他国家或地区的商标.
SQTP是Microchip Technology Inc. 在美国的服务标记.
在此提及的所有其他商标均为各持有公司所有.
2006, Microchip Technology Inc. 版权所有.
请注意以下有关Microchip器件代码保护功能的要点:
Microchip的产品均达到Microchip数据手册中所述的技术指标.
Microchip确信:在正常使用的情况下,Microchip系列产品是当今市场上同类产品中最安全的产品之一.
目前,仍存在着恶意,甚至是非法破坏代码保护功能的行为.就我们所知,所有这些行为都不是以Microchip数据手册中规定的操
作规范来使用Microchip产品的.这样做的人极可能侵犯了知识产权.
Microchip愿与那些注重代码完整性的客户合作.
Microchip或任何其他半导体厂商均无法保证其代码的安全性.代码保护并不意味着我们保证产品是 "牢不可破"的.
代码保护功能处于持续发展中.Microchip承诺将不断改进产品的代码保护功能.任何试图破坏Microchip代码保护功能的行为均可视
为违反了《数字器件千年版权法案(Digital Millennium Copyright Act)》.如果这种行为导致他人在未经授权的情况下,能访问您的软
件或其他受版权保护的成果,您有权依据该法案提起诉讼,从而制止这种行为.
Microchip位于美国亚利桑那州Chandler和Te m p e,位于俄勒冈州
Gresham及位于加利福尼亚州Mountain View的全球总部,设计中心和
晶圆生产厂均于通过了ISO/TS-16949:2002认证.公司在PICmicro 8
位单片机,KEELOQ 跳码器件,串行EEPROM,单片机外设,非易失
性存储器和模拟产品方面的质量体系流程均符合ISO/TS-16949:2002.
此外,Microchip在开发系统的设计和生产方面的质量体系也已通过了
ISO 9001:2000认证.
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08/29/06
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