電源mos-電源mos管驅(qū)動電路如何選用-詳解分析-KIA MOS管
信息來源:本站 日期:2018-01-10
介紹幾個模塊電源中常用的MOSFET驅(qū)動電路。
圖 1 IC直接驅(qū)動MOSFET
電源IC直接驅(qū)動是我們最常用的驅(qū)動方式,同時也是最簡單的驅(qū)動方式,使用這種驅(qū)動方式,應(yīng)該注意幾個參數(shù)以及這些參數(shù)的影響。第一,查看一下電源IC手冊,其最大驅(qū)動峰值電流,因為不同芯片,驅(qū)動能力很多時候是不一樣的。第二,了解一下MOSFET的寄生電容,如圖1中C1、C2的值。如果C1、C2的值比較大,MOS管導(dǎo)通的需要的能量就比較大,如果電源IC沒有比較大的驅(qū)動峰值電流,那么管子導(dǎo)通的速度就比較慢。如果驅(qū)動能力不足,上升沿可能出現(xiàn)高頻振蕩,即使把圖 1中Rg減小,也不能解決問題! IC驅(qū)動能力、MOS寄生電容大小、MOS管開關(guān)速度等因素,都影響驅(qū)動電阻阻值的選擇,所以Rg并不能無限減小。
如果選擇MOS管寄生電容比較大,電源IC內(nèi)部的驅(qū)動能力又不足時,需要在驅(qū)動電路上增強(qiáng)驅(qū)動能力,常使用圖騰柱電路增加電源IC驅(qū)動能力,其電路如圖 2虛線框所示。
圖 2 圖騰柱驅(qū)動MOS
這種驅(qū)動電路作用在于,提升電流提供能力,迅速完成對于柵極輸入電容電荷的充電過程。這種拓?fù)湓黾恿藢?dǎo)通所需要的時間,但是減少了關(guān)斷時間,開關(guān)管能快速開通且避免上升沿的高頻振蕩。
圖 3 加速M(fèi)OS關(guān)斷
關(guān)斷瞬間驅(qū)動電路能提供一個盡可能低阻抗的通路供MOSFET柵源極間電容電壓快速泄放,保證開關(guān)管能快速關(guān)斷。為使柵源極間電容電壓的快速泄放,常在驅(qū)動電阻上并聯(lián)一個電阻和一個二極管,如圖3所示,其中D1常用的是快恢復(fù)二極管。這使關(guān)斷時間減小,同時減小關(guān)斷時的損耗。Rg2是防止關(guān)斷的時電流過大,把電源IC給燒掉。
圖 4 改進(jìn)型加速M(fèi)OS關(guān)斷
在第二點(diǎn)介紹的圖騰柱電路也有加快關(guān)斷作用。當(dāng)電源IC的驅(qū)動能力足夠時,對圖2中電路改進(jìn)可以加速M(fèi)OS管關(guān)斷時間,得到如圖4所示電路。用三極管來泄放柵源極間電容電壓是比較常見的。如果Q1的發(fā)射極沒有電阻,當(dāng)PNP三極管導(dǎo)通時,柵源極間電容短接,達(dá)到最短時間內(nèi)把電荷放完,最大限度減小關(guān)斷時的交叉損耗。與圖3拓?fù)湎啾容^,還有一個好處,就是柵源極間電容上的電荷泄放時電流不經(jīng)過電源IC,提高了可靠性。
圖 5 隔離驅(qū)動
為了滿足如圖 5所示高端MOS管的驅(qū)動,經(jīng)常會采用變壓器驅(qū)動,有時為了滿足安全隔離也使用變壓器驅(qū)動。其中R1目的是抑制PCB板上寄生的電感與C1形成LC振蕩,C1的目的是隔開直流,通過交流,同時也能防止磁芯飽和。
當(dāng)源極輸出為高電壓的情況時,我們需要采用偏置電路達(dá)到電路工作的目的,既我們以源極為參考點(diǎn),搭建偏置電路,驅(qū)動電壓在兩個電壓之間波動,驅(qū)動電壓偏差由低電壓提供,如下圖6所示。
圖6 源極輸出為高電壓時的驅(qū)動電路
除了以上驅(qū)動電路之外,還有很多其它形式的驅(qū)動電路。對于各種各樣的驅(qū)動電路并沒有一種驅(qū)動電路是最好的,只有結(jié)合具體應(yīng)用,選擇最合適的驅(qū)動。
1)開關(guān)電源變壓器如果用銅帶取代漆包線,其允許通過的電流怎么算?比如說厚度為0.1mm的銅帶,允許通過的電流怎么算?
專家解答:如果開關(guān)電源變壓器用銅帶取代漆包線,銅帶(漆包線)的渦流損耗可以大大將小,工作頻率可以相應(yīng)提高,但直流損耗幾乎不變,銅帶允許通過的電流密度一般還是不要超過4.5A/平方毫米。電流密度等于電流除與以導(dǎo)體的截面積,導(dǎo)體的截面積等于厚(0.1mm)乘以寬(銅帶的寬度)。
2)電源開關(guān)交流回路和整流器的交流回路是最容易產(chǎn)生電磁干擾的嗎?
專家解答:開關(guān)電源產(chǎn)生電磁干擾最嚴(yán)重的地方是開關(guān)變壓器的初、次級線圈組成的電路,但它的干擾會通過感應(yīng)對其它電路產(chǎn)生輻射和傳導(dǎo)干擾,傳導(dǎo)干擾和輻射干擾最嚴(yán)重的地方是電源線,因為電源線很容易成為輻射源的半波振子天線,另外它又與外線路進(jìn)行連接,很容易把干擾信號傳輸給其它設(shè)備。所以在開關(guān)電源的輸入端一定要對電源線進(jìn)行有效隔離。
3)降低變壓器的溫升有什么具體方法?
專家解答:降低變壓溫升的方法一個是降低變壓器磁芯的最大磁通增量(Bm)的取值,因為變壓器磁芯的損耗(磁滯損耗和渦流損耗)與磁通密度的平方成正比;另一個是降低開關(guān)電源的工作頻率,因為變壓器磁芯的損耗(磁滯損耗和渦流損耗)與工作頻率成正比;再一個是降低線圈的損耗,線圈的損耗(主要是渦流損耗),線圈的渦流損耗與集膚效應(yīng)損耗也與工作頻率成正比,降低線圈的直流損耗必須降低導(dǎo)線的電流密度,一般漆包線的電流密度不能超過4.5A/平方毫米。
4)反激式開關(guān)電源的占空比是如何變化的?
專家解答:反激式開關(guān)電源的占空比主要由輸入電壓和開關(guān)電源管的耐壓來決定,當(dāng)輸入電壓變化時占空比也要跟著變化。例如當(dāng)輸入電壓為AC260V時,如果電源開關(guān)管的耐壓為650V,則占空比大為0.306;當(dāng)輸入電壓為AC170V時,占空比大約為0.5;當(dāng)輸入電壓低于AC170V時,占空比大于0.5。但不管輸入電壓這樣變化,開關(guān)電源都會通過改變占空比來大到穩(wěn)定(或改變)輸出電壓的數(shù)值。
5)正激和反激的區(qū)別主要在哪?
專家解答:正激式開關(guān)電源是電源開關(guān)管導(dǎo)通的時候,電源向負(fù)責(zé)提供功率輸出,而關(guān)斷的時候沒有功率輸出。反激式開關(guān)電源正好相反,電源開關(guān)管導(dǎo)通時只向變壓器存儲能量,沒有給負(fù)載提供功率輸出,僅在電源開關(guān)管關(guān)斷時才向負(fù)載提供輸出。正激式開關(guān)電源輸出電壓是取整流輸出電壓的平均值,反激式開關(guān)電源輸出電壓是取整流輸出電壓的半波平均值,兩種電壓輸出的相位正好相反。
6)能具體講講環(huán)路設(shè)計嗎?
專家解答:反饋環(huán)路的增益,既不是越大越好,也不是越小越好。當(dāng)反饋環(huán)路的增益過高時,輸出電壓會圍繞著平均值來回跟蹤,輸出電壓上下波動很厲害,增益越高,波動的幅度就越大,嚴(yán)重時會出現(xiàn)振蕩;當(dāng)反饋環(huán)路的增益過低時,輸出電壓又會不穩(wěn)定,因為電壓跟蹤不到位,會存在一個滯后誤差。
為了使輸出電壓穩(wěn)定,但又不發(fā)生振蕩,一般都把反饋環(huán)路分成三個回路來組成,一個回路用來決定微分增益的大小,另一個回路用來決定積分增益的大小,還有一個是決定直流增益的大小。這樣做的目的是,在誤差信號很小的時候,環(huán)路增益很大,而在誤差小號很大的時候環(huán)路增益又會變小,即誤差放大器的增益是動態(tài)的。仔細(xì)調(diào)節(jié)這三個反饋環(huán)路的增益,就可以實現(xiàn)開關(guān)電源既穩(wěn)定,又不出現(xiàn)振蕩。
7)反激電源開關(guān)MOS如何降到最低?特別是在硬開關(guān)條件下。
專家解答:降低占空比,但占空比太低,電源的工作效率大大降低,電壓調(diào)整范圍也會減小。
8)銅箔損耗占電源損耗比例約為多少?
專家解答:非常小,如果銅箔損耗大,銅箔的溫升會很高,如果超過80度,銅箔的油漆會發(fā)黃。但也只相當(dāng)于一個1~3瓦左右的金屬膜電阻在同樣溫升時的損耗。
9)驅(qū)動波形大小波問題是什么原因引起的??我有款電源,在低壓AC85-120V的時候輸出驅(qū)動都很正常,,當(dāng)電壓變?yōu)?20-150V的時候,驅(qū)動出現(xiàn)大小波,輸出電流明顯下降。當(dāng)電壓再次提升到150V-265V的時候,驅(qū)動波形的頻率完全不對頭了,輸出也不對了。
專家解答:如果你的驅(qū)動電路采用電容或變壓器輸出,會出現(xiàn)這種情況,因為電容或變壓器傳輸波形(信號時),信號中不能含有直流分量,如果含有直流分量,輸出波形將出現(xiàn)嚴(yán)重失真,只有驅(qū)動電路的輸出波形,其占空比為0.5時,輸出波形才不會產(chǎn)生失真,而占空比過大或過小,都會出現(xiàn)失真。
10)想問下關(guān)于整流橋的選擇,不同的功率選怎么樣的整流橋?還有就是我做了一款30W的電源,用了3A700V的整流橋,發(fā)現(xiàn)整流橋很燙,沒幾分鐘溫度就大約有60多度了。這個引起整流橋發(fā)燙的原因有哪些?
專家解答:整流二極管的選擇主要是根據(jù)流過整流二極管的電流大小和耐壓還有工作頻率這三個參數(shù)來決定,進(jìn)行電路參數(shù)設(shè)計時,流過整流二極管的電流一般只能取標(biāo)稱值(25℃時)的三分之一,因為流過整流二極管的工作溫度可能會上升到80℃以上。如果整流二極管的導(dǎo)通和關(guān)斷速度很低,它在電壓反向的情況下還會導(dǎo)通一段時間,即反向電流非常大,這樣整流二極管也會發(fā)熱。你的整流橋發(fā)熱可能屬于后一種情況。
11)反饋環(huán)路設(shè)計 以及 補(bǔ)償 如何入手?還望老師耐心解答。
專家解答:反饋環(huán)路的增益,既不是越大越好,也不是越小越好。當(dāng)反饋環(huán)路的增益過高時,輸出電壓會圍繞著平均值上下波動,增益越高,波動的幅度就越大,嚴(yán)重時會出現(xiàn)振蕩;當(dāng)反饋環(huán)路的增益過低時,輸出電壓又會不穩(wěn)定。為了使輸出電壓穩(wěn)定,但又不發(fā)生振蕩,一般都把反饋環(huán)路分成三個回路來組成,一個回路用來決定微分增益的大小,另一個回路用來決定積分增益的大小,還有一個是決定直流增益的大小。仔細(xì)調(diào)節(jié)這三個反饋環(huán)路的增益,就可以實現(xiàn)開關(guān)電源既穩(wěn)定,又不出現(xiàn)振蕩。
12)最近在做DC TO DC效率有點(diǎn)低,怎樣解決呢?
專家解答:把工作頻率降低,或把電源開關(guān)管換成一個高速開關(guān)管,另外還可以把變壓器的體積加大,把最大磁通密度(Bm)的取值降低,即把開關(guān)變壓器初級線圈的匝數(shù)增加,因為開關(guān)變壓器的磁滯損耗和渦流損耗與工作頻率成正比,與最大磁通密度增量的平方成正比。
13)老師您好,您是怎么計算最小直流電壓的?我看了好幾個版本一直找不到最合適的。
專家解答:這里我不太明白你說的“最小直流電壓”是指哪方面?如果是開關(guān)電源的最小輸入直流電壓,一般可根據(jù)最低輸入交流電壓換算得來,比如,最低輸入交流電壓為AC100V(有效值),則換算為最低直流輸入電壓大約為120V(取平均值),因為整流濾波后最大值為140V,最低值為100V,取平均值就是120V。
如果最小直流電壓為晶體管自激式開關(guān)電源的正反饋電壓,則此電壓最好選為晶管導(dǎo)通時工作電壓的2倍,而留1倍作為可調(diào)整的余量用。如果最小直流電壓為場效應(yīng)管驅(qū)動電路的最小工作電壓,則此工作電壓最低不能小于16V,因為,大功率場效應(yīng)管深度飽和需要的驅(qū)動電壓都在12V以上(最好為20V)。
14)老師您好,我做的反激式變壓器電源輸出側(cè)有毛刺,且毛刺的頻率和原邊開關(guān)頻率一樣,怎么消除毛刺呢?
專家解答:在次級整流與濾波電容之間串了一個小電感,但電感流過直流時不能飽和,這種電感的磁回路不能用封閉式的,必須要留有很大的氣隙。
15)反激式電源開關(guān)頻率如何優(yōu)化選擇? VOR反激電壓如何優(yōu)化設(shè)置,在什么情況下最合適?謝謝!匝比如何 最優(yōu)化計算?謝謝。
專家解答:反激式開關(guān)電源工作頻率的選擇主要與開關(guān)電源的工作效率和體積大小有關(guān),而開關(guān)電源的工作效率又主要與開關(guān)電源管、開關(guān)變壓器的損耗(磁滯損耗和渦流損耗)有關(guān),這兩者的損耗均與頻率成正比。開關(guān)電源管的損耗主要由開通損耗(導(dǎo)通時間損耗)和關(guān)斷損耗(關(guān)斷時間損耗)組成,開關(guān)電源管的導(dǎo)通時間和關(guān)斷時間越長,這兩個損耗就越大。
一般大功率開關(guān)電源管的導(dǎo)通時間和關(guān)斷時間都比小功率開關(guān)電源管的導(dǎo)通時間和關(guān)斷時間長很多,所以大功率開關(guān)電源的工作頻率一般都取得比較低。
在考慮開關(guān)電源的工作效率時,如果從開關(guān)電源的體積和成本等方面考慮,最好選工作效率為80%左右較為合適,此時,開關(guān)電源管的損耗大約占總損耗的50%,開關(guān)變壓器的損耗大約占總損耗的30%,其余電路的損耗大約占總損耗的20%。開關(guān)變壓器的匝數(shù)比與輸入輸出電壓的比值有關(guān),與開關(guān)電源的占空比有關(guān)。
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