針對應用選擇正確的MOSFET驅動器

　目前，現有的MOSFET技術和硅工藝種類繁多，這使得選擇合適的MOSFET驅動器成了一個富有挑戰性的過程。

　　從功能上講，MOSFET驅動器將邏輯信號轉變成較高的電壓和電流，以很短的響應時間驅動MOSFET柵極的開和關。例如，使用MOSFET驅動器可以將一個5V、低電流的單片機輸出信號轉變成一個18V、幾安培的驅動信號來作為功率MOSFET的輸入。針對應用選擇正確的MOSFET驅動器，需要對與MOSFET柵極電荷和工作頻率相關的功耗有透徹的理解。例如，不管柵極電壓的轉變快或慢，MOSFET柵極充電或放電時所需的能量是相同的。

　　MOSFET驅動器的功耗性能由以下三個關鍵因素決定：

　　1 MOSFET柵極電容的充電和放電引起的功耗；

　　2 MOSFET驅動器靜態電流引起的功耗；

　　3 MOSFET驅動器內的交越導通（直通）電流引起的功耗。

　　其中，由MOSFET柵極電容的充電和放電引起的功耗是最重要的，特別是當開關頻率較低時。功耗由式(1)計算得出。

Pc=Cg×Vdd2×F????????????? (1)

　　其中，Cg是MOSFET的柵極電容；Vdd是MOSFET驅動器的工作電壓（V）；F是開關頻率。

　　峰值驅動電流的重要性

　　除了功耗，設計人員必須理解MOSFET驅動器要求的峰值驅動電流和相關的開關時間。在某一應用中，MOSFET驅動器和MOSFET的匹配由該應用要求的功率MOSFET的開關速度決定。在任何應用中，最理想的上升或下降時間基于多方面的要求，如電磁干擾（EMI）、開關損耗、引線/電路感應系數和開關頻率。柵極電容、轉變時間和MOSFET驅動器的額定電流之間的關系由式(2)表示：

dT=[dV×C]/I?????????????? (2)

　　其中，dT是開／關時間；dV是柵極電壓；C是柵極電容；I是MOSFET峰值驅動電流。

　　MOSFET柵極總電容完全可以由柵極總電荷（QG）決定。柵極電荷QG由式(3)得出：

QG=C×V?????????????????? (3)

　　最后得出I=QG/dT。在這種方法中，假定電流是恒定的。有一個不錯的經驗是：電流的平均值等于MOSFET驅動器額定峰值電流的二分之一。

　　MOSFET驅動器的功率由驅動器的輸出峰值電流驅動能力決定。額定峰值電流通常是相對最大偏壓而言的。這就是說，如果使用的MOSFET驅動器的偏壓較低，那么它的峰值電流驅動能力也將被削弱。

　　例如，所需的MOSFET峰值驅動電流可通過以下供應商數據手冊中的設計參數計算得出。MOSFET柵極電荷為20nC（Q），MOSFET柵極電壓為12V（dV），開/關時間為40ns（dT），可得I=0.5A。

　　設計人員還可采用另外一種方法來選擇合適的MOSFET驅動器，即時間恒定法。在這種方法中，用到了MOSFET驅動器電阻、任何一個外部柵極電阻和集中電容。

Tcharge=((Rdriver+Rgate)×Ctotal)×TC? (4)

　　這里，Rdriver是輸出驅動器級的導通電阻（RDS-ON）；Rgate是驅動器和MOSFET柵極間任何一個外部柵極電阻；Ctotal是柵極總電容；TC是時間常數的值。例如，Qtotal=68nC，Vgate=10V，Tcharge=50nsec，TC=3，Rgate=0Ω，Rdriver=(Tcharge/TC×Ctotal)-Rgate，可得Rdriver=2.45Ω。

　　當式(4)表示一個R-C時間常數時，采用TC為3意味著充電后，電容充電量達到充電電壓的95%。在柵極電壓達到6V時，大多數的MOSFET完全處于“開”的狀態。基于此，TC值為1時（即充電量達到充電電壓的63%時）可能就滿足應用需求了，并且允許使用額定電流更低的驅動器IC。

　　電機控制應用中的MOSFET驅動器選擇

　　讓我們來設計一個示例，即為電機控制應用選擇一個MOSFET驅動器，在電機控制應用中，電機的速度和旋轉方向是變化的。該應用要求用于電機的電壓是可調的。通常，電機類型、功率開關拓撲和功率開關元件將指定必需的柵極驅動電路以實現這種要求。

　　第一步是為該應用選擇正確的功率開關元件，它由被驅動電機的額定功率來決定。一個需要考慮的重要參數是啟動電流值，它的值最高可以達到穩態工作電流值的3倍。

　在電機驅動應用中，主要有兩種功率開關元件可供選擇——MOSFET和IGBT。如果選擇MOSFET，那么就可以得出柵極驅動應用中MOSFET驅動器的額定功率。

　　如圖1所示，器件的輸入級把輸入的低電壓信號轉化成電壓覆蓋全范圍（GND到Vdd）的信號。MOSFET Q1和Q2代表的是MOSFET驅動器的上拉和下拉輸出驅動器級。將MOSFET驅動器的輸出級看作MOSFET的一個推挽對，就容易理解它是如何工作的。

圖1 MOSFET驅動器示例的電路框圖

　　對于同相驅動器，當輸入信號變為高態時，Q1和Q2共同的柵極信號被拉低。該柵極節點的電壓從Vdd轉變到GND所需的時間通常少于10ns。這種快速轉變抑制了在Q1和Q2之間產生交越導通的時間，并且使Q1迅速地達到其完全增強態，以盡快實現峰值電流。除圖1的示例外，還有其他的MOSFET驅動器電路結構。

　　當電機被驅動時，功率開關元件和柵極驅動電路是已知的，可以根據上面的公式(4)或公式(5)來選擇MOSFET。

　　使用電子數據表選擇MOSFET驅動器

　　當選定MOSFET后，可以使用由供應商提供的電子數據表來選擇一個合適的MOSFET驅動器，這種便于使用的工具能快速地確定MOSFET驅動器所需峰值電流。

　　首先，選擇一個MOSFET，并將它的數據手冊放在手邊。現在，在正確的框中填入輸入條件的值，例如MOSFET的源漏電壓（Vds）、MOSFET的柵源電壓（Vgs）、MOSFET驅動器電壓（Vdd）、開關頻率、占空比、預估的上升時間（tr）和柵極總電荷（QG）。于是就能計算出MOSFET驅動器的峰值輸出電流IPK。根據IPK的值就能確定合適的、具有成本效益的MOSFET驅動器。選定MOSFET驅動器后，工具能夠計算出器件的功耗和允許的最大工作環境溫度，此處假定熱損耗不計。