大功率开关电源中功率MOSFET的驱动技术

功率MOSFET具有导通电阻低、负载电流大的优点，因而非常适合用作开关电源（switch-mode power
supplies，SMPS）的整流组件，不过，在选用MOSFET时有一些注意事项。
功率MOSFET和双极型晶体管不同，它的栅极电容比较大，在导通之前要先对该电容充电，当电容
电压超过阈值电压（VGS-TH）时MOSFET才开始导通。因此，栅极驱动器的负载能力必须足够大，以保
证在系统要求的时间内完成对等效栅极电容（CEI）的充电。
在计算栅极驱动电流时，最常犯的一个错误就是将MOSFET的输入电容（CISS）和CEI混为一谈，于
是会使用下面这个公式去计算峰值栅极电流。
I = C(dv/dt)
实际上，CEI的值比CISS高很多，必须要根据MOSFET生产商提供的栅极电荷（QG）指标计算。
QG是MOSFET栅极电容的一部分，计算公式如下：
QG = QGS + QGD + QOD
其中：
QG--总的栅极电荷
QGS--栅极-源极电荷
QGD--栅极-漏极电荷（Miller）
QOD--Miller电容充满后的过充电荷
典型的MOSFET曲线如图1所示，很多MOSFET厂商都提供这种曲线。可以看到，为了保证MOSFET导
通，用来对CGS充电的VGS要比额定值高一些，而且CGS也要比VTH高。栅极电荷除以VGS等于CEI，栅极
电荷除以导通时间等于所需的驱动电流（在规定的时间内导通）。
用公式表示如下：
QG = (CEI)(VGS)
IG = QG/t导通
其中：
● QG 总栅极电荷，定义同上。
● CEI 等效栅极电容
● VGS 删-源极间电压
● IG 使MOSFET在规定时间内导通所需栅极驱动电流以往的SMPS控制器中直接集成了驱动器，这对于某些产品而言非常实用，但是，由于这种驱动器
的输出峰值电流一般小于1A，所以应用范围比较有限。另外，驱动器发出的热还会造成电压基准的漂
移。
随着市场对“智能型”电源设备的呼声日渐强烈，人们研制出了功能更加完善的SMPS控制器。这
些新型控制器全部采用精细的CMOS工艺，供电电压低于12V，集成的MOSFET驱动器同时可作为电平变换
器使用，用来将TTL电平转换为MOSFET驱动电平。以TC4427A为例，该器件的输入电压范围（VIL =
0.8V，VIH = 2.4V）和输出电压范围（与最大电源电压相等，可达18V）满足端到端（rail-to-rail）
输出的要求。
抗锁死能力是一项非常重要的指标，因为MOSFET一般都连接着感性电路，会产生比较强的反向冲
击电流。TC4427型MOSFET驱动器的输出端可以经受高达0.5A的反向电流而不损坏，性能不受丝毫影
响。
另外一个需要注意的问题是对瞬间短路电流的承受能力，对于高频SMPS尤其如此。瞬间短路电流的产
生通常是由于驱动电平脉冲的上升或下降过程太长，或者传输延时过大，这时高压侧和低压侧的
MOSFET在很短的时间里处于同时导通的状态，在电源和地之间形成了短路。瞬间短路电流会显着降低
电源的效率，使用专用的MOSFET驱动器可以从两个方面改善这个问题：
1．MOSFET栅极驱动电平的上升时间和下降时间必须相等，并且尽可能缩短。TC4427型驱动器在配
接1000pF负载的情况下，脉冲上升时间tR和下降时间tF大约是25ns。其他一些输出峰值电流更大的驱
动器的这两项指标还可以更短。2．驱动脉冲的传播延时必需很短（与开关频率匹配），才能保证高压侧和低压侧的MOSFET具有相
等的导通延迟和截止延迟。例如，TC4427A型驱动器的脉冲上升沿和下降沿的传播延迟均小于2ns（如
图2）。这两项指标会因电压和温度不同而变化。Microchip公司的产品在这项指标上已经跻身领先位
置（同类产品此项指标至少要大4倍，集成在SMPS控制器中的驱动器这项指标更不理想）。
以上这些问题（直接关系到成本和可靠性）在独立的、专用的驱动器中都已得到了比较好的处
理，但是在集成型器件或传统的分立器件电路中却远未如此。
典型应用
便携式计算机电源
图3为一个高效率同步升压变换器的电路，其输入电压范围是5V至30V，可以与AC/DC整流器
（14V/30V）相连，也可以用电池供电（7.2V至10.8V）。图3中的TC1411N是一种低压侧驱动器，TC1411N的输出峰值电流为1A，由于使用+5V供电，可以降
低因栅极过充电引起的截止延时。TC4431是高压侧驱动器，输出峰值电流可达1.5A。用这两种器件驱
动的MOSFET可以承受持续30ns、大小为10A的漏极电流。
台式电脑电源
图4为一种台式电脑的电源电路，其中的同步降压变换器一般用于CPU的供电，其输出电流一般不低于
6A。这种电路可以提供大小可调的电压，而目前常见的分立器件电源却做不到。
图4的电路要比图3简单些，TC4428A在这里用作高压侧和低压侧的驱动器，并且共享电源VDD；为
了降低成本，电路中使用了N沟道MOSFET。 TC4428A的输出能力较强，用它驱MOSFET可以承受持续
25ns、大小为10A的漏极电流。
图4
功率MOSFET以其导通电阻低和负载电流大的突出优点，已经成为SMPS控制器中开关组件的最佳选
择，专用MOSFET驱动器的出现又为优化SMPS控制器带来了契机。那些与SMPS控制器集成在一起的驱动
器只适用于电路简单、输出电流小的产品；而那些用分立的有源或无源器件搭成的驱动电路既不能满
足对高性能的要求，也无法获得专用单片式驱动器件的成本优势。专用驱动器的脉冲上升延时、下降
延时和传播延迟都很短暂，电路种类也非常齐全，可以满足各类产品的设计需要。