单片机开发之寄生电容与驱动电流

‌MOSFET驱动技术‌是指通过特定的电路和方法来控制MOSFET的开关状态，确保其正常工作并减少开关损耗的技术。MOSFET是一种电压控制型器件，其驱动技术主要包括以下几个方面：

‌驱动电流和电压的要求‌：MOSFET虽然主要是电压控制型器件，但由于其内部存在寄生电容，必须提供足够的驱动电流来快速充电或放电这些电容，从而控制MOSFET的开关速度和效率。驱动电压和导通电阻之间的关系表明，较高的驱动电压可以减小导通电阻，从而提高开关速度和降低导通损耗‌12。

‌栅极电荷和驱动能力‌：MOSFET的栅极电容包括栅源电容(Cgs)、栅漏电容(Cgd)和Miller电容(Cgd)。这些电容在开关过程中需要充电和放电，因此驱动电路需要提供足够的电流来快速完成这些过程。驱动能力通常指驱动电路能够提供的最大驱动电流，例如某些驱动芯片标称的1A驱动能力即指其最大输出电流为1A‌23。

‌寄生参数的影响‌：MOSFET的寄生参数如寄生二极管和寄生电容会影响其性能。例如，寄生二极管的反向恢复特性在ZVS(零电压开关)和同步整流等应用中非常重要。寄生电容会导致开关过程中的电压和电流波形发生变化，影响开关速度和效率‌12。

‌驱动电路的设计‌：为了有效驱动MOSFET，需要设计合适的驱动电路。常见的驱动电路包括专用的驱动IC、光耦隔离驱动、变压器隔离驱动等。这些电路通过提供足够的电流和电压来控制MOSFET的开关状态，同时还可以实现电气隔离，提高系统的可靠性和安全性‌23。

‌应用实例‌：MOSFET广泛应用于开关电源、电机控制、功率放大器等领域。在开关电源中，MOSFET作为功率开关管，通过控制其开关状态来调节输出电压和电流。在电机控制中，MOSFET用于驱动电动机，实现速度和力矩的控制。在功率放大器中，MOSFET用于放大信号，提供高功率输出‌12。

1. 驱动电压与导通电阻

MOSFET的驱动电压直接影响其导通电阻和最大导通电流。一般来说，驱动电压越高，MOSFET的导通电阻越小，最大导通电流也越大。因此，在驱动MOSFET时，需要选择合适的驱动电压以确保其正常工作。

2. 寄生电容与驱动电流

MOSFET内部存在寄生电容，包括栅源电容、栅漏电容等。这些寄生电容在MOSFET的开关过程中需要被充放电，因此驱动电路需要提供足够的驱动电流来加速这一过程。较小的驱动电流会导致MOSFET的开关速度变慢，增加开关损耗。

3. 驱动电路类型

3.1 分立器件驱动

在简单的应用中，可以使用分立器件(如晶体管、电阻、电容等)搭建驱动电路。例如，图腾柱电路就是一种常见的分立器件驱动方式，通过两个晶体管交替导通和截止来驱动MOSFET。

在之前的文章中，我们简要探讨了IGBT和MOSFET的结构、材质以及PN结的特性。接下来，我们将深入剖析场效应管的驱动技术。

双极晶体管与MOSFET晶体管在原理上具有相似性。这两种晶体管都依赖于电荷控制来工作，即它们的输出电流与控制电极在半导体中产生的电荷量成正比。当这些器件被用作开关时，需要由低阻抗源提供足够的灌入和拉出电流，以确保控制电荷能够迅速嵌入和脱离。因此，在开关过程中，MOSFET需要以类似于双极晶体管的方式进行“硬”驱动，从而获得可媲美的开关速度。理论上，双极晶体管与MOSFET的开关速度相当，主要受限于电荷载流子在半导体中的传输时间。对于功率器件而言，这一时间通常介于20至200皮秒之间，具体数值取决于器件的尺寸。

MOSFET技术在数字和功率应用领域的广泛普及，主要归功于其相较于双极结晶体管的两大显著优势。首先，MOSFET在高频开关应用中表现出色，其控制电极与导电器件的有效隔离使得驱动更为简便，无需连续导通电流。一旦MOSFET开通，其驱动电流几乎为零，大大减少了控制电荷和存储时间。这解决了导通压降与关断时间之间的设计权衡问题，同时开通状态压降与控制电荷成反比，进一步优化了驱动性能。

另外，MOSFET在电源应用中展现出电阻特性，其漏源端压降与流入半导体的电流呈线性关系，由RDS(on)即导通电阻来表征。不同于p-n结的温度系数，MOSFET的正温度系数约为7%/°C至1%/°C，使得多个并联MOSFET能均匀分配电流，实现自动电流共享。

然而，载流更大的器件会产生更多热量，需要注意漏源电压的均衡。温度升高会导致RDS(on)值增加，进而电流减小、温度降低，直至并联器件电流相近达到平衡。但RDS(on)值与结至环境热阻的初始容差可能引起电流分布的重大误差，需谨慎设计。

接下来，我们将深入探讨MOSFET驱动电路的相关知识。

在电源或硬件设计中，无论是三极管BJT还是mos管，都需要驱动电路来支持其正常工作。驱动电路的作用至关重要，它不仅提供足够的驱动能力，确保开关管能够正常导通，还负责保证开关管在适宜的速度下工作，避免过快或过慢带来的问题。此外，驱动电路还能有效保护器件，避免过压和过流的损害。

驱动电路通常分为电流驱动型和电压驱动型。对于BJT等电流控制型器件，需要电流驱动型电路来提供持续的驱动电流。而对于mos管和IGBT等电压驱动型器件，虽然它们不需要连续的驱动电流，但为了保证开关速度，峰值电流的控制显得尤为重要。因此，电压驱动电路需要同时提供足够的驱动电压和峰值电流。

在实际应用中，电源IC直接驱动是一种常见的驱动方式。但需要注意的是，在MOSFET较大而IC驱动能力不足的情况下，可能会出现驱动过慢、开关损耗过大甚至无法驱动的问题。因此，在进行PCB LAYOUT时，应尽量优化设计，如缩短IC至MOSFET的栅极走线长度、增加走线宽度、将Rg放置在离MOSFET栅极较近的位置等，以减少寄生电感并消除噪音干扰。

电源IC直接驱动是驱动方式中最简单的一种，但在实际应用中，我们需要注意几个关键参数及其影响。首先，应查阅电源IC手册，了解其最大驱动峰值电流，因为不同芯片的驱动能力可能存在显著差异。其次，需要关注MOS管的寄生电容，如CC2的值，这些电容值越小，MOS管导通所需的能量就越小。若CC2值较大，而电源IC的驱动峰值电流不足，则可能导致管子导通速度缓慢，影响使用效果。

推挽驱动是一种能有效解决IC内部驱动能力不足的方法。它不仅延长了导通时间，还加速了关断时间，同时有助于控制毛刺和降低功率损耗。在布局时，应尽量将推挽驱动电路中的两个管子放置在靠近MOSFET栅极的位置，以减少寄生电感并提高电路的抗干扰性。