MOS管的防冲击防反接电路

MOS管的反接和抑制冲击

一：原理分析

1. MOS管由于生产工艺等因素，会产生相应的寄生电容，体二极管等。Mos管的寄生电容如图1所示，可以看到其具有三个寄生电容：G和S的电容Cgs；G和D的电容：Cgd，也称为反向传输电容、米勒电容、Crss；D和S的电容Cds。D和S之间的体二极管D1.

 

 

 

 

图 1：MOS管等效模型

寄生电容的数值可以从元器件的datasheet中得到,如图2，图3：

Ciss(输入电容)=Cgs+Cgd…………………………………………………(1)

Coss(输出电容)=Cds+Cgd………………………………………………..(2)

Crss(反向传输阵容)=Cgd……………………….……………………….(3)

 

 

 

图 2：寄生电容值

 

 

 

图 3：寄生电容值的动态变化

1. Mos管的导通过程：以NMOS为例，其各极之间的寄生电容分别为Cds、Cgs、Cgd，如图4所示。NMOS的状态随Vgs逐渐增加而变化，如图5所示。MOS管的导通过程如图6，当Vgs<Vth时，NMOS的DS两极不导通，Vds保持不变，Cgd的电气属性为靠近D极为正极，靠近G极为负极；当Vgs=Vth时，NMOS的DS两极之间开始逐渐导通，Vd逐渐下降，当Vgs=Vds时，Vgd=0V，此时Cgd的电压下降为0；再之后，Vgs>Vds，Vgd>0，此时Vgs用于给Cgd进行反向充电，因此在MOS管开通的过程中，会有一个时间段，G极的驱动电荷用于中和Cgd中的电荷，并继续灌入电荷使其中电荷的极性反向。这个时间段就是米勒平台形成的时间段。故在一段时间内（阶段3），Vgs无法继续上升，Vds下降速度变慢。这就是米勒效应。若我们可以控制Cgd的充电时间，即可控制Vds的下降快慢，从而实现缓启动，由于Cgd’相对Cgd很大，基于i=C*dV/dt的原理，故可以实现NMOS导通时间的可控，其中缓冲电容Cgd>>Ciss,据实际模拟，Cgd最好大于Ciss一个数量级（10^3）。另外从极端情况来说我们也可以通过控制Cgs足够大来达到缓启动的功能，但是通过Cgs控制的话会将开关时间托很长。

 

 

 

 

图 4：MOS等效模型

 

 

 

图 5：MOS转移曲线

 

 

 

 

 

图 6：MOS的开通过程

t0~ t1: 从t0开始，G极给电容Cgs充电，Vgs从0V上升到Vgs(th)时，MOS管都处于截止状态，Vds保持不变，Id为零。Mos处于截止区。

t1~ t2: 从t1后，Vgs大于MOS管开启电压Vgs(th)，MOS管开始导通，Id电流上升,Mos开始进入饱和区。

t2-t3：由于米勒效应，Vgs会持续一段时间不再上升，此时Id已经达到最大，而Vds还在继续下降，直到米勒电容充满电。Vgs在当前阶段会保持不变，形成一个电压平台，称为米勒平台。

t3-t4：米勒电容充满电，Vgs继续上升到外界驱动电压的值，此时MOSFET进入电阻区，Vds彻底降下来，开通结束。

 

二：防冲击防反接电路

T2,R3,R4,SD1组成防反接电路。当电源正接的时候R3,R4,钳位二极管通过钳位将Vgs电压钳位，使Vgs > Vgs(th),Nmos饱和导通。当反接的时候Vgs < Vgs(th),Nmos处于截止区不能导通，起到防反接功能。

T1，C1，C2，D1，R1，R2组成防冲击电流电路。当电路正常导通时如果没有C2和R2，则Vgs>Vgs(th),Pmos会存在瞬间导通的情况,增加C2，R2后，会有一个对C2充电的过程，保证Pmos上电瞬间不导通， D1的作用为防止上电完成后Cch对Pmos的开关速率造成影响，增加二极管Dg进行单向隔离。因此C2,R2,D1可以确保Mos在上电瞬间不会导通，保证Mos在上电瞬间处于关断状态。C1的作用为通过控制C1的值来调整米勒平台的时间。R1,R2的作用为打开Pmos.

 

 

 

图 7：防冲击防反接电路

 

三：具体计算

1. NMOS，PMOS的选择
   1. 确定MOS的Vds,Vgs的值以及Vgs(th)，保证MOS不会烧坏。并可以确定R1,R2,R3,R4以及SD1，D1的值，注意调整R2的值会影响给C2的充电时间。

 

 

 

 

 

 

 

图 8：MOS的选择

 

 

1. 选择MOS的Rds(on)小的mos,一般为mΩ级别的这样在mos上消耗的压降小，尽量保证输出与输入一致。

 

 

 

图 9：MOS的选择

 

 

1. 由于Irush=Cload*dv/dt。由于Cload(负载电容)，dv的值一定，因此我们可以通过增大dt的时间来控制冲击电流。dt由前面的分析可以知道我们可以改变米勒电容来改变Mos导通时间。

C1可以通过mos的输入电容Ciss来确定。C1>>Ciss(即10^3Ciss)。计算Cch的充电电压Vc2=Vgsth(min)-Vd1，其中Vgsth(min)为Pmos的最低开启阈值电压，Vd1为二极管Dg的管压降；计算C2的容值，Vc2=VDD*C1/(C1+C2)所以C2=C1(VDD-Vc2)/Vc2，为保证可靠性，应保证C2>C1*(VDD-Vc2)/Vc2。