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MOST驱动

智能车

MOSFET

电机驱动

BJT

和

MOS

管的开关特性

前段时间，以为同学给我说，

他用单片机做了一个简单的

LED

台灯，

用

PWM

的方式

控灯的亮度，但是发现

BJT

总是很烫。

他的电路图如图

所示。

我问他：

时

LED

的发光电流多大，他说十几道二十毫安左右。

我问他电阻多大。

他说

10K

。

于是我

笑笑的说：

“你把电阻改小一点就好了”。

于是他回去一试，用了

的电阻，就没

有问题了。

但是为什么要这么做

一、

BJT

和

MOSFET

的开关特性讨论

在电子设计与制作中，双极性晶体管（

BJT

）和

MOSFET

是用的最多的有源器件。

考虑到多数的情况

（

分立元件

）

下。

这两种器件在

现代电子电路中用作开关器件，而恰好相反的是，我们大多数的教科书却着重于介

绍这两种器件的放大性能。

所以在这我主要讨论一下这两种器件的开关特性和应用。

大多数人的应该有这么一个概念：

BJT

为电流控制器件，

MOSFET

为电压控制器件。

至于为什么这么说。

通过以下的介绍，

你可能会有很清晰的认识。

首先我们讨论

MOS

管的开关的相关理论和基本应用。

关于

MOSFET

的讨论

下面讨论

MOSFET.

很多初学者对于这种器件是相当陌生的。

先为大家介绍我遇到的

一个案例。

曾经有个同学刚刚接触机器人。

他试图用

MOSFET

驱动机器人上的电机。

当时他给我是这样的描述。

不管单片机输入的是

PWM

波还是高电平信号，电机转速

都很慢，并且

MOSFET

很烫，最终烧坏。

当我们看到图

时，我立刻明白，出现上述

问题是因为他对功率

MOSFET

基本上没有概念，

在他看来，

似乎和

BJT

的使用方法一

样。

为了了解

MOSFET

，我们很有必要先掌握一些理论知识。

这里讨论增强型的

MOSFET

。

并以

沟道器件为例。

对于分立增强型的

MOSFET

，衬底一般和源极接到到一起，且

栅极和衬底为氧化层，实际上是一层绝缘体。

所以，栅极之间的电阻非常大，静态

时，几乎所有电流流入栅极。

这一点应该是大多数人都知道的。

如图

所示，

给

MOSFET

的漏源之间加上正偏电压，

当栅源电压

增强到一定值

（即

阈值电压

Vth

）时，开始有电流

流入漏极。

随着

的继续增加，

增大，

上

承受的电压也随之增大。

当

足够大时，

上承受几乎所有的电源电压。

也达

到一定的值而不再增加。

此时

MOSFET

进入线性区，漏源之间有一个较小的压降。

但

需要注意的是，这个压价和

BJT

饱和压降不同，这个压降不是一个固定值，而是漏

源之间的电流

呈正相关（几乎是线性）关系。

这个电压可以这样计算：

VDD

（

）

= Id * Ron

。

其中，

Ron

为导通电阻，使我们在

MOSFET

的数据手册中常见的一个

参数。

它表征着

MOSFET

的套筒损耗。

从上面的分析可以得知。

MOSFET

作为开关时，我们只要在栅源之间加一个足够大的

电压，

MOSFET

就能充分导通。

此时，

MOSFET

上的压降为漏源电流与导通电阻之间的

乘积。

不同功率的

MOSFET

，要求的栅源电压不同。

对于常见的

TO220

，

TO252

封装

的

MOSFET

，通常取值是

10-15V

，对于

SOP8

，和

SOT23

等封装的低压

MOSFET

，这个

值可以取得低一点。

一般的数据手册会给出导通电阻随栅源电压的变化曲线。

我们可以从数据手册中不难看书，在

VGS

较小时，

Ron

并不是一个常数，而是随着

的增加而增大。

原因就在于我们前边提到的，讨论导通电阻

Ron

时，应当使得

MOSFET

充分导通。

漏源电流越大，使得

MOSFET

充分导通将会变得越困难。

因为要

求的栅源电压越高。

所以，当栅源电压不是足够大时，

MOSFET

并没有充分导通，

MOSFET

并没有进入线性区，所以导通电阻也就会同时依赖于漏源电压。

那大家又会问，

如图

所示的电路，

把

MOSFET

改为低阈值的器件是不是就没有问题

了呢？

这也不一定，因为至此，我们还没有涉及

MOSFET

驱动电压应该怎么加的问

题。

前面我们说的栅源之间的电阻大道几乎是绝缘体的电阻。

那么栅源电阻

的取值很

大或者很小应该都没有问题。

而事实上，当对开关速度没有要求是，确实是这样的。

对于一般的

MOSFET

，

的取值从几欧姆到上兆欧姆都是可以正常开启的。

。

图

案例如果不需要

PWM

调速或者

PWM

频率很低时，把

IRF540

换成低阈值的

MOSFET

的

话，或许正常工作时没有问题的。

但是我们应该都清楚。

MOSFET

的栅极和漏极之间都是介质层。

因此栅源和栅漏之间

必然存在一个寄生电容

Cgs

和

Cgd,

沟道未形成时，

漏源之间也有一个寄生电容

Cds

，

所有考虑到寄生电容时，

MOSFET

的等效电路就成了图

的样子了。

但是我们从

MOSFET

的数据手册中一看看不到这

个参数，手册给出的参数一般是

CissCoss

和

Crss

他们与

Cgs

和

Cgd,Cds

的关系如下：

Ciss = Cgs + Cgd（Cds

短路时

）.

Coss = Cds + Cgd

Crss = Cgd

下面看一下这些寄生电容参数是如何影响开关速度的。

如图

所示，当驱动信号

到来的一瞬间，由于

MOSFET

处于关断状态。

此时

Cgs

和

Cgd

上的电压分别为

Ugs

Ugd

-Vdd

Cgs

和

Cgd

上的电荷量分别为

VTgs

，

Vgd

Ugd*Cgd=

Vdd * Cgd .

接下来。

通过

对

Cgs

充电。

Ugs

逐渐升高（这个过程中，

随着

Ugs

升高，

也会伴随着

Cgd

的放电，

但是由于

Vdd

远大于

Ugs

，

Cgd

不会导

致栅电流的明显增加）

当

Ugs

达到阈值电压时，开始有电流通过

MOSFET

（事实上，当

Ugs

还没有达到

阈

值电压的时候，已经有微小电流通过

MOSFET

了），

MOSFET

上承受的压降由原来的

Vdd

开始减小，

Cgd

上的电压也会随之减小。

那么也就伴随着

Cgd

的放电。

由于

Cgd

的电荷量

VTgd = Vdd * Cgd

较大，所以放电的时间较长。

在放电时间期间，栅极

电流基本上用于

Cgd

的放电。

，因此栅源电压的增加变得缓慢。

充电完成后，

通过

继续对

Cgs

和

Cgd

充电（因为此时

MOSFET

已经充分导通，

相当于

Cgs

和

Cgd

并联），直到栅源电压达到

Ui,

开启过程至此完成。

同时，

不难发现，

当

越大，寄生电容的充电时间越长。

显然，

太大时，

MOSFET

不能在短时间内充分导通。

在高速开关应用中，

这个阻值一般去几欧姆

至

几十

欧

姆（像

类功放，开关电源），即使在低速状态下，

也不宜取得太大。

因为过

大的

Rg,

会延长电容的充电时间，

也就是

MOSFET

从关断到充分导通的过度时间。

这

段时间内，

MOSFET

处于饱和状态（放大区），管子将同时承受较大的电压和电流，

从而引起较大的功耗。

但是

如果取得太小或者直接短路的话，在驱动电压到来

得一瞬间，由于寄生电容上的电压为

，前级需要流过一个很大的电流，造成对前

级驱动电路的冲击。

补充内容

（2012-12-7 19:

21）:

部分内容在后面。

由于分次输入。

所以不在一个，界面，给大家带来不便，还请谅

解。

图

1.jpg

（32.04 KB,

下载次数

7）

图

现在我们应该很清楚图

案例中的错误之处了。

第一单片机输出的电压不足以使得

IRF540

这种管子充分导通。

因此图中的管子不是开关，

而更像是一个放大器。

第二

单片机的

I/O

输出

能力不能满足

PWM

情况下导通速度的要求。

即使换成低阈值的

MOSFET,

开启和关断的时间太长，

MOSFET

在这个过渡阶段同样需要承受很大的功耗。

图

所示为高速开关应用中常见的

MOSFET

驱动电路，以一对互补的

BJT

构成射随

器的形式满足驱动电流的要求。

其中

VT1

用于开启式对寄生电容的充电，

VT2

用于

关断时对寄生电容的放电。

有时候，我们需要更快的关断速度，通常在栅极电阻

上并联一个快恢复二极管，这样的话，放电回路经经过这个二极管而不是电阻，这

样一个电路用到前面的情况下就没有问题了。

而在实际应用中，

我们通常还会在

MOSFET

的栅源之间并联一个几千欧姆到上百千欧

姆的电阻，

如图

中的

所示。

这是为了在输入栅源电压不正确的时（前级驱动

电路失效），防止

MOSFET

处于非理性状态。

我们可以做这样一个实验：

连接如

图

所示的电路，我们会发现，即使栅极悬空，

LED

也会发光，这说明，栅源之间出现了高于阈值的电压。

产生这一电压的原因是

寄生电容上的残留电荷，但又不足以使

MOSFET

充分导通。

结果是

MOSFET

工作在放

大区（饱和区），管子承受很大的功耗，从而造成期间的损坏。

这种现象更容易发

生在低阈值的电压的

MOSFET

中。

为了防止这种情况发生，往往通过栅源间并联电阻泄放寄生电容上的残留电荷。

图

2012-12-7 19:

09:

上传

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（45.13 KB）

图

总所周知，

用

MOS

管自己搭建电机驱动，一方面驱动电流大，比如

IRF3205

驱动电

流高达

110A

，在一般情况下，都只是微热。

而像现在驱动能力较强的，

BTN7971

，

在车子跑起来的过程中，一旦制动或者突然反转，都会造成严重的发热。

而且驱动

能力都还达不到，

3205

的电流。

所以分立的

MOS

管，具有明显的有事。

但是参考

几年的比赛规则，如果光电

车，采用

MOS

管，会有多达至少

个的

MOS

管，明

显不是很合理，

会占用很多的空间。

所以建议采用

BTN7971.

浏览完很多车队的

MOS

管驱动电路。

要不就是很模糊。

要不就是不会给出关键部分。

览遍大神杰作之后。

发现最好的

MOS

管驱动。

讲得最详细，开源程度最高的飞思卡尔报告，还要属北科

的。

下面给出北科的资料。

具体部分就请大家自己分析了。

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