對(duì)于開關(guān)電源來(lái)說(shuō)，驅(qū)動(dòng)電路作為控制電路和功率電路的接口，其作用至關(guān)重要，本文就將詳細(xì)探討開關(guān)電源的驅(qū)動(dòng)電路的參數(shù)設(shè)計(jì)以及驅(qū)動(dòng)芯片的選型。

常用的mos管驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)圖騰柱放大后，經(jīng)過(guò)一個(gè)驅(qū)動(dòng)電阻Rg給mos管驅(qū)動(dòng)。其中Lk是驅(qū)動(dòng)回路的感抗，一般包含mos管引腳的感抗，PCB走線的感抗等。在現(xiàn)在很多的應(yīng)用中，用于放大驅(qū)動(dòng)信號(hào)的圖騰柱本身也是封裝在專門的驅(qū)動(dòng)芯片中。本文要回答的問(wèn)題就是對(duì)于一個(gè)確定的功率管，如何合理地設(shè)計(jì)其對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路（如驅(qū)動(dòng)電阻阻值的計(jì)算，驅(qū)動(dòng)芯片的選型等等）。

注1：圖中的Rpd為mos管柵源極的下拉電阻，其作用是為了給mos管柵極積累的電荷提供泄放回路，一般取值在10k~幾十k這一數(shù)量級(jí)。由于該電阻阻值較大，對(duì)于mos管的開關(guān)瞬態(tài)工作情況基本沒(méi)有影響，因此在后文分析mos的開關(guān)瞬態(tài)時(shí)，均忽略Rpd的影響。

注2：Cgd，Cgs，Cds為mos管的三個(gè)寄生電容，在考慮mos管開關(guān)瞬態(tài)時(shí)，這三個(gè)電容的影響至關(guān)重要。

圖1 常用的mos管驅(qū)動(dòng)電路

1、驅(qū)動(dòng)電阻的計(jì)算

1.1、驅(qū)動(dòng)電阻的下限值

驅(qū)動(dòng)電阻下限值的計(jì)算原則為：驅(qū)動(dòng)電阻必須在驅(qū)動(dòng)回路中提供足夠的阻尼，來(lái)阻尼mos開通瞬間驅(qū)動(dòng)電流的震蕩。

當(dāng)mos開通瞬間，Vcc通過(guò)驅(qū)動(dòng)電阻給Cgs充電，如圖2所示（忽略Rpd的影響）。根據(jù)圖2，可以寫出回路在s域內(nèi)對(duì)應(yīng)的方程：

根據(jù)式（1），可以求解出ig，并將其化為典型二階系統(tǒng)的形式：

根據(jù)式（2），可以求解出該二階系統(tǒng)的阻尼比為：

為了保證驅(qū)動(dòng)電流ig不發(fā)生震蕩，該系統(tǒng)的阻尼比必須大于1，則根據(jù)（3）可以求解得到：

式（4）給出了驅(qū)動(dòng)電阻Rg的下限值，式（4）中Cgs為mos管gs的寄生電容，其值可以在mos管對(duì)應(yīng)的datasheet中查到。而Lk是驅(qū)動(dòng)回路的感抗，一般包含mos管引腳的感抗，PCB走線的感抗，驅(qū)動(dòng)芯片引腳的感抗等，其精確的數(shù)值往往難以確定，但數(shù)量級(jí)一般在幾十nH左右。因此在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，一般先根據(jù)式（4）計(jì)算出Rg下限值的一個(gè)大概范圍，然后再通過(guò)實(shí)際實(shí)驗(yàn)，以驅(qū)動(dòng)電流不發(fā)生震蕩作為臨界條件，得出Rg下限值。

圖2 mos開通時(shí)的驅(qū)動(dòng)電流

1.2、驅(qū)動(dòng)電阻的上限值

驅(qū)動(dòng)電阻上限值的計(jì)算原則為：防止mos管關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生很大的dV/dt使得mos管再次誤開通。

當(dāng)mos管關(guān)斷時(shí)，其DS之間的電壓從0上升到Vds（off），因此有很大的dV/dt，根據(jù)公式：i=CdV/dt，該dV/dt會(huì)在Cgd上產(chǎn)生較大的電流igd，如圖3所示。

圖3 mos關(guān)斷時(shí)的對(duì)應(yīng)電流

該電流igd會(huì)流過(guò)驅(qū)動(dòng)電阻Rg，在mos管GS之間又引入一個(gè)電壓，當(dāng)該電壓高于mos管的門檻電壓Vth時(shí)，mos管會(huì)誤開通，為了防止mos管誤開通，應(yīng)當(dāng)滿足：

由上式解得：

式（6）給出了驅(qū)動(dòng)電阻Rg的上限值，式（6）中Cgd為mos管gd的寄生電容，Vth為mos管的門檻電壓，均可以在對(duì)應(yīng)的datasheet中查到，dV/dt則可以根據(jù)電路實(shí)際工作時(shí)mos的DS電壓和mos管關(guān)斷時(shí)DS電壓上升時(shí)間（該時(shí)間一般在datasheet中也能查到）求得。

從上面的分析可以看到，在mos管關(guān)斷時(shí)，為了防止誤開通，應(yīng)當(dāng)盡量減小關(guān)斷時(shí)驅(qū)動(dòng)回路的阻抗?；谶@一思想，下面再給出兩種很常用的改進(jìn)型電路，可以有效地避免關(guān)斷時(shí)mos的誤開通問(wèn)題。

圖4 改進(jìn)電路1

圖4給出的改進(jìn)電路1是在驅(qū)動(dòng)電阻上反并聯(lián)了一個(gè)二極管，當(dāng)mos關(guān)斷時(shí)，關(guān)斷電流就會(huì)流經(jīng)二極管Doff，這樣mos管gs的電壓就為二極管的導(dǎo)通壓降，一般為0.7V，遠(yuǎn)小于mos的門檻電壓（一般為2.5V以上），有效地避免了mos的誤開通。

圖5 改進(jìn)電路2

圖5給出的改進(jìn)電路2是在驅(qū)動(dòng)電路上加入了一個(gè)開通二極管Don和關(guān)斷三級(jí)管Qoff。當(dāng)mos關(guān)斷時(shí)，Qoff打開，關(guān)斷電流就會(huì)流經(jīng)該三極管Qoff，這樣mos管gs的電壓就被鉗位至地電平附近，從而有效地避免了mos的誤開通。

1.3、驅(qū)動(dòng)電阻阻值的選擇

根據(jù)1.1節(jié)和1.2節(jié)的分析，就可以求得mos管驅(qū)動(dòng)電阻的上限值和下限值，一般來(lái)說(shuō)，mos管驅(qū)動(dòng)電阻的取值范圍在5~100歐姆之間，那么在這個(gè)范圍內(nèi)如何進(jìn)一步優(yōu)化阻值的選取呢？這就要從損耗方面來(lái)考慮，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電阻阻值越大時(shí)，mos管開通關(guān)斷時(shí)間越長(zhǎng)（如圖6所示），在開關(guān)時(shí)刻電壓電流交疊時(shí)間久越大，造成的開關(guān)損耗就越大（如圖7所示）。所以在保證驅(qū)動(dòng)電阻能提供足夠的阻尼，防止驅(qū)動(dòng)電流震蕩的前提下，驅(qū)動(dòng)電阻應(yīng)該越小越好。

圖6 mos開關(guān)時(shí)間隨驅(qū)動(dòng)電阻的變化

圖7 mos開關(guān)損耗隨驅(qū)動(dòng)電阻的變化

比如通過(guò)式（4）和式（6）的計(jì)算得到驅(qū)動(dòng)電阻的下限為5歐姆，上限為100歐姆。那么考慮一定的裕量，取驅(qū)動(dòng)電阻為10歐姆時(shí)合適的，而將驅(qū)動(dòng)電阻取得太大（比如50歐姆以上），從損耗的角度來(lái)講，肯定是不合適的。

2、驅(qū)動(dòng)芯片的選型

對(duì)于驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)說(shuō)，選型主要考慮如下技術(shù)參數(shù)：驅(qū)動(dòng)電流，功耗，傳輸延遲時(shí)間等，對(duì)隔離型驅(qū)動(dòng)還要考慮原副邊隔離電壓，瞬態(tài)共模抑制等等(common mode transient immunity)，下面就分別加以介紹。

2.1 最大電流

在mos管開通的時(shí)候，根據(jù)圖2，可以得到mos開通瞬間的驅(qū)動(dòng)電流ig為（忽略Lk的影響）

其中ΔVgs為驅(qū)動(dòng)電壓的擺幅，那么在選擇驅(qū)動(dòng)芯片的時(shí)候，最重要的一點(diǎn)就是驅(qū)動(dòng)芯片能提供的最大電流要超過(guò)式（7）所得出的電流，即驅(qū)動(dòng)芯片要有足夠的“驅(qū)動(dòng)能力”。

2.2 功耗

驅(qū)動(dòng)功率計(jì)算表達(dá)式如下：

其中Qg為柵極充電電荷，可以在datasheet中查到，ΔVgs為驅(qū)動(dòng)電壓的擺幅，fs為mos的開關(guān)頻率，在實(shí)際選擇驅(qū)動(dòng)芯片時(shí)，應(yīng)選擇驅(qū)動(dòng)芯片所能提供的功率大于式（8）所計(jì)算出來(lái)的功率。同時(shí)還要考慮環(huán)境溫度的影響，因?yàn)榇蠖鄶?shù)驅(qū)動(dòng)芯片所能提供的功率都是隨著環(huán)溫的升高而降額的，如圖8所示。

圖8  驅(qū)動(dòng)允許的損耗功率隨著環(huán)溫升高而降額

2.3 傳輸延遲（Propagation Delay）

所謂傳輸延遲，即驅(qū)動(dòng)芯片的輸出上升沿和下降沿都要比起輸入信號(hào)延遲一段時(shí)間，其對(duì)應(yīng)的波形如圖9所示。對(duì)于傳輸延遲來(lái)說(shuō)，我們一般希望有兩點(diǎn)：

1）傳輸延時(shí)的實(shí)際要盡量短。

2）“開通”傳輸延時(shí)和“關(guān)斷”傳輸延時(shí)的一致性要盡量好。

圖9  驅(qū)動(dòng)芯片輸入輸出傳輸延時(shí)

下面就針對(duì)第二點(diǎn)來(lái)說(shuō)一說(shuō)，如果開通和關(guān)斷傳輸延時(shí)不一致會(huì)有什么影響呢？我們以常用的IGBT驅(qū)動(dòng)，光耦M57962為例，給出其傳輸延時(shí)的數(shù)據(jù)，如圖10所示。

圖10  M57962的傳輸延時(shí)數(shù)據(jù)

從圖10可以看到，M57962的的開通傳輸延時(shí)一般為1us，最大為1.5us；關(guān)斷傳輸延時(shí)一般為1us，最大為1.5us。其開通關(guān)斷延時(shí)的一致性很差，這樣就會(huì)對(duì)死區(qū)時(shí)間造成很大的影響。假設(shè)輸入M57962的驅(qū)動(dòng)死區(qū)設(shè)置為1.5us。那么實(shí)際到IGBT的GE級(jí)的驅(qū)動(dòng)死區(qū)時(shí)間最大為2us（下管開通延時(shí)1.5us, 上管關(guān)斷延時(shí)1us），最小僅為1us（下管開通延時(shí)1us, 上管關(guān)斷延時(shí)1.5us）。造成實(shí)際到達(dá)IGBT的GE級(jí)的死區(qū)時(shí)間的不一致。因此在設(shè)計(jì)死區(qū)時(shí)間時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分考慮到驅(qū)動(dòng)芯片本身的傳輸延時(shí)的不一致性，避免因此造成的死區(qū)時(shí)間過(guò)小而導(dǎo)致的橋臂直通。

2.4 原副邊絕緣電壓

對(duì)于隔離型驅(qū)動(dòng)來(lái)說(shuō)（光耦隔離，磁耦隔離）。需要考慮原副邊的絕緣電壓，一般項(xiàng)目中都會(huì)給出絕緣電壓的相關(guān)要求。若沒(méi)有相關(guān)要求，一般可取絕緣電壓為mos電壓定額的兩倍以上。

2.5共模瞬態(tài)抑制等等（common mode transient immunity）

對(duì)于橋式電路來(lái)說(shuō)，同一橋臂上管的源極（也就是下管的漏極）是高頻跳變的，該高頻跳變的dV/dt會(huì)通過(guò)隔離驅(qū)動(dòng)原副邊的寄生電容產(chǎn)生較大的共模電流耦合到原邊，從而對(duì)控制驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生影響，如圖11所示。所以說(shuō)，驅(qū)動(dòng)芯片的共模瞬態(tài)抑制（common mode

transient immunity）也很重要，在實(shí)際選擇驅(qū)動(dòng)芯片時(shí)，驅(qū)動(dòng)芯片的CM transient immunity應(yīng)該大于電路中實(shí)際的dV/dt，越大越好。

圖11 共模瞬態(tài)抑制