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  • MOS驱动电路仿真效果展示及原理
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    2020-04-06 21:56:16

    今天想找找MOS驱动电路到底是怎么用的,然后找了半天,要么找不到,要么找到的是很复杂的电路,看也看不懂。最后不得不综合了课本和B站的视频才好似看懂了原理,然后又用Multsim仿真下看看效果才大致明白了原理到底是什么。

    下面的电路只是用来展示原理的,原件也是在库里随便找的,只能用来展示原理,真的拿来用应该不行。

    MOS管是一种电压控制电流的放大装置,符号用个这个来表示。这是个增强型N沟道MOS管,用它举例的原因是他常用来做电机驱动。

    这个从定义出发来解释就是 如果GS间电压够大了,就可以控制DS间的电压。注意DS间的电压是自己外加的,GS间的电压只起到开关的作用。所以MOS管也称作电子开关。可能有人疑惑为什么用电子开关,用那按来按去的机械开关不香嘛?电子开关好就好在,第一它小巧,第二它能按的次数比机械开关多几百倍
    在这里插入图片描述
    接下来大家看图,这两张图区别就是开关的闭合,如果大家一比较这三个电压表的值和开关闭合的后三表值的变化就明白了,就不用看我在下面猜测原理,当然如果有大佬给我解释下这个原理到底什么,万分感谢。在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

    下面是个人通过电压表的数值变化,对MOS驱动电路的猜测。
    先讲一下这个图的几个元件有什么用?
    1.R2,这样的话开关闭合电压表1的值为12V,再断开后电压表的值仍为12V,因为MOS可以储存能量,所以加一个接地的R2,可以让开关断开后,电压表的值迅速变回接近0的值.
    2.那个D1二极管,这个在仿真的时候没啥用,甚至会增大误差(因为二极管也有电阻),但是实际电路时,这个可以防止电流倒着流回来,烧了MOS,所以这是个续流二极管,还是很有用的。
    3.R3,这个电阻的用处是把电流量转化为电压值,U=IR,加上它就是让控制出来的电流有个更直接的显示。要是这个电阻不加的话,想看到电流变化,电压表只能去测电流了。
    4.R1,这个蛮神奇的。1.防止支路上电流太大烧了管子。2.分压。(因为MOS也有电阻,又因为MOS是个电压做控制量的元件,所以加个电阻分个压来确保控制量达到额定值。)

    然后就完事了,如果真想拿MOS驱动电路的话,看这个效果图就知道可以电压表1或电压表3都可以,一个是关上开关就动,另一个是关上开关就不动,看个人需求用了。
    但感觉一般还是用集成的驱动芯片比较好,用MOS基本是想控制大电流负载的,比如说电磁铁。一般做个小车市面上的驱动芯片就够了,L9110S,L298N什么的

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    MOS驱动电路图

    MOS驱动有许多种,下面是常见的一种MOS驱动电路。

    电路详解

    MOS是电压控制型器件,当栅极G端电压达到开启电压时,DS端就会有电流通过;反之,栅极G端电压低于开启电压时,DS端呈现断开状态,因此可以通过控制栅极电压的大小来控制MOS管的导通。
    由MOS管的特性可知,寄生电容Cgs两端的电压决定着栅极电压的大小,所以MOS开通关断的过程即寄生电容Cgs充放电的过程。

    • 10Ω电阻:由于驱动IC输出与MOS之间存在电感,与MOS的寄生电容会产生振荡,需要电阻来增大振荡阻尼,避免MOS发热炸掉。

    • 10K电阻:降低输入阻抗(GS间阻抗高,静电干扰会导致误开启)。

    • 稳压管:防止干扰信号耦合到驱动信号,产生高脉冲信号击穿栅极(稳压管的选择参考规格书中栅极开启电压)。

      常见驱动信号

      驱动信号振荡严重,可能是因为驱动信号输出到MOS输入端布线较长导致。

    相比于第一种,该驱动信号整体圆润,开关速率慢,不是理想的驱动信号。导致出现该驱动信号的可能原因:芯片驱动能力差、栅极驱动电阻大。

    该驱动信号较为理想,开关速率快,但仍以尖峰,可通过适量调节驱动电阻减小。

    下图为适量调节栅极电阻后的驱动波形。

    转存中…(img-3XGHIJDN-1630823004264)]

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    来源 | 巧学模电数电单片机

    一般认为MOSFET是电压驱动的,不需要驱动电流,然而,在MOSFET的GS两级之间有结电容存在,这个电容会让驱动MOS变的不那么简单。

    如果不考虑纹波和EMI的要求话,MOS管开关速度越快越好,因为开关时间越短,开关损耗越小,而在开关电源中开关损耗占总损耗的很大一部分,因此MOS管驱动电路的好坏直接决定了电源的效率。

    对于一个MOS管,如果把GS之间的电压从0拉到管子的开启电压所用的时间越短,那么MOS管开启的速度就会越快。

    与此类似,如果把MOS管的GS电压从开启电压降到0V的时间越短,那么MOS管关断的速度也就越快。

    由此我们可以知道,如果想在更短的时间内把GS电压拉高或者拉低,就要给MOS管栅极更大的瞬间驱动电流。

    大家常用的PWM芯片输出直接驱动MOS或者用三极管放大后再驱动MOS的方法,其实在瞬间驱动电流这块是有很大缺陷的。

    比较好的方法是使用专用的MOSFET驱动芯片如TC4420来驱动MOS管,这类芯片一般有很大的瞬间输出电流,而且还兼容TTL电平输入,MOSFET驱动芯片的内部结构如下:

    MOS驱动电路设计需要注意的地方:

    因为驱动线路走线会有寄生电感,而寄生电感和MOS管的结电容会组成一个LC振荡电路。

    如果直接把驱动芯片的输出端接到MOS管栅极的话,在PWM波的上升下降沿会产生很大的震荡,导致MOS管急剧发热甚至爆炸,一般的解决方法是在栅极串联10欧左右的电阻,降低LC振荡电路的Q值,使震荡迅速衰减掉。

    因为MOS管栅极高输入阻抗的特性,一点点静电或者干扰都可能导致MOS管误导通,所以建议在MOS管G S之间并联一个10K的电阻以降低输入阻抗。

    如果担心附近功率线路上的干扰耦合过来产生瞬间高压击穿MOS管的话,可以在GS之间再并联一个18V左右的TVS瞬态抑制二极管。

    TVS可以认为是一个反应速度很快的稳压管,其瞬间可以承受的功率高达几百至上千瓦,可以用来吸收瞬间的干扰脉冲。

    MOS管驱动电路参考:

    MOS管驱动电路的布线设计:

    MOS管驱动线路的环路面积要尽可能小,否则可能会引入外来的电磁干扰。

    驱动芯片的旁路电容要尽量靠近驱动芯片的VCC和GND引脚,否则走线的电感会很大程度上影响芯片的瞬间输出电流。

    常见的MOS管驱动波形:

    如果出现了这样圆不溜秋的波形就等着核爆吧,有很大一部分时间管子都工作在线性区,损耗极其巨大。

    一般这种情况是布线太长电感太大,栅极电阻都救不了你,只能重新画板子。

    高频振铃严重的毁容方波。

    在上升沿下降沿震荡严重,这种情况管子一般瞬间死掉,跟上一个情况差不多,进线性区,原因也类似,主要是布线的问题,又胖又圆的肥猪波。

    上升下降沿极其缓慢,这是因为阻抗不匹配导致的,芯片驱动能力太差或者栅极电阻太大,果断换大电流的驱动芯片,栅极电阻往小调调就OK了。

    打肿脸充正弦的生于方波他们家的三角波,驱动电路阻抗超大发了,此乃管子必杀波,解决方法同上。

    大众脸型,人见人爱的方波。

    高低电平分明,电平这时候可以叫电平了,因为它平,边沿陡峭,开关速度快,损耗很小,略有震荡,是可以接受的,管子进不了线性区,强迫症的话可以适当调大栅极电阻。

    方方正正的帅哥波,无振铃无尖峰无线性损耗的三无产品,这就是最完美的波形了。

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    由于在机器人控制和各种DIY控制中,非常需要使用MOS驱动电路。所以找个时间设计了一下MOS驱动板电路。

    下面贴出每部分的电路原理图。

     

     

    其中 12的升压电路是为了给桥臂驱动芯片IR2105供电使用。 这种芯片有很多替代品。MOS管主要用的是英飞凌的。

    电流大内阻也小。

    其他电路很简单,不细说了,重点说一下 MOS桥的电路模型。

    1  首先,很多电路中,MOS管栅源两极的并联电阻,主要是为了放电,因为MOS管内部类似于一个电容,如果PWM信号 Dout没有下拉功能,MOS导通后就会一直处于导通状态,这里并联一个电阻后,当Dout变成低电位时,可以把MOS管结电容的电放掉!如果信号有下拉功能,可以取消此电阻!

    2  半桥驱动电路的关键是如何实现上桥的驱动。图2中C1为自举电容,D1为快恢复二极管。PWM在上桥调制。当Q1关断时,A点电位由于Q2的续流而回零,此时C1通过VCC及D1进行充电。当输入信号Hin开通时,上桥的驱动由C1供电。由于C1的电压不变,VB随VS的升高而浮动,所以C1称为自举电容。每个PWM周期,电路都给C1充电,维持其电压基本保持不变。D1的作用是当Q1关断时为C1充电提供正向电流通道,当Q1开通时,阻止电流反向流入控制电压VCC。D2的作用是为使上桥能够快速关断,减少开关损耗,缩短MOSFET关断时的不稳定过程。D3的作用是避免上桥快速开通时下桥的栅极电压耦合上升(Cdv/dt)而导致上下桥穿通的现象。Q4 主要是续流二极管,MOS中本身有寄生二极管,但是怕遭不住啊,电路中感性电路,如电机,可以通过该二极管进行释放。

    3 电机反向电压!!!相对于电池的供电电压,本来接电源正极的电机一端变成了负极,而电流方向不变。一般出现在断电瞬间。而在不同器件的反向电压,比如mos的反向电压由于电机反向电压过大,通过电源反向加载mos两端
       而另一方面,电机断电的瞬间电流方向不变,电压方向(变成供电电源)的负极与电池的正极相连 ,那么通过二极管就可以释放其中的能量。
       续流二极管都是相对于电源反并联在线圈的两端,因为线圈可能会产生数倍于电源的反向电压(反向电压指的是 电机的电压与电源电压 高势点,低势点结点相同),反向作用于电路其他器件,
       反向给电路供电,比如mos,三极管等器件。在全桥电路当中,先把电源视为导线,全桥中间的负载,反作用于MOS电路及其他器件。

    4 电感在上电的瞬间 由于阻碍电流的增大,和正向磁通变化,会在电感两端产生反向电动势,及 与电源电压 高势点,低势点结点相同)
       当接通电路时,电感的电动势方向是阻碍磁通的增加,也就是说阻碍电流的增加,为上正下负;(电源的正极与电机的正极同一结点)
       当切断电路时,电感的电动势方向是阻碍磁通的减少,也就是说维持原来电流,为上负下正,充当电源;(反向电压)

    5 电压断掉,电感的电动势反向,,线圈产生的感应电动势通过二极管和线圈构成的回路做功而消耗掉,丛而保护了电路中的其它原件的安全。比如继电器反并联肖特基二极管.

    最终 附上 设计要点总结 : 

    ///设计注意要点总结   
        1 脉冲底部的毛刺 通常不会造成 同时导通,注意死区时间的控制! 但毛刺太大的话,注意很可能是共同导通造成的短路电流的影响。 两管的驱动电路的电阻不能太大??
        2  /MOS管选型总结  
             1 任何时候MOS管栅极都不能悬空。状态不定,可能是导通的,并且很容易因此受静电而损坏。
             2 MOS管的驱动电流估算,驱动电流用于给电容充电, 要和半桥芯片的灌拉电流相匹配, 不然会造成开启延时或者失败的问题。 
               所以带有图腾柱输出,可以增大输出电流,需要稍微考虑计算。
               驱动电流不够大,开关管不能工作到开关状态 ,而是从截至到导通的时间 所需要的时间更长,从漏极的输出电压波形可以看出不够陡!!
               驱动电流的公式 Ig=Qg/Ton。
             3 MOS管的持续电流和最大持续电流,最大反向电流,最大反向电压。 
             4 MOS管的开关频率 也要注意,驱动频率不可高于它。 死区时间大于开关管的上升下降时间。       
        3 高低侧驱动桥的输出电流应当和对mos管的驱动电流匹配(TI的灌电流和拉电流就相对比较高)
        4 高侧和低侧驱动芯片可以用来做Buck boost!
        5 TVS保护管  电源指示灯。       飞行指示器(电源芯片)   BCR450  BCR421U  BCR321U
        6 PCB注明使用注意点,具体参数等等。  低于15v的供电选择。   3.3V稳压  SPX3819   MIC5219 (FT SOT23)    MC34063  能在 3  -  40V下工作。
          开关电源的纹波大,低压差的芯片效率低,而且耐压很难解决。
        7 TRENCH工艺主要用于低压MOSFET,为了降低导通内阻,把栅极结构做成了类似U型槽  
           PLANAR工艺是普通工艺,也是最常见的VDMOS结构。
        8 接口静电保护二极管 采用ESD102系列
        9 高低侧驱动芯片 matchtime   half_bridge  dead——time 
        10 HALF BRIDGE DRIVER 中有输入logic有两种类型, 
                   HIN/LIN 内置死区时间,并且可以通过软件控制死区时间,双通道输入 可以尝试高通道全部拉高,pwm只给低通道。巧妙!!!
                   IN/SD 内置死区时间,并且 高低侧的控制是单通道输入,内部逻辑电路已经作。
        10  关于BLDC的 整套解决方案。 
           MOS驱动器 IR2301S irs2336s IRS2104 IRS2304 IRS2308 IRS2183(电流和开关时间非常理想,但是高低侧分开) IR2184(单通道,大电流,)  IR21844死区可编程。 电流大 ,但是开关断时间变长。
                    总结:IR21091  IRS2104  IRS2184(2A电流)   IR7184
           MOS管     BSC0924NDI  IRLS3813  IRLR7843 IRLR6225 IRLR8743 IRFR8314
               ON C404N(安森美MOS管)
                       理论工作性频率  323khz   结合电机的工作特性  一般 20khz。
           电机控制器(设计无刷电调) TLE987X系列  XMC1300   IRMCK099 
           肖特基二极管  BAS4002/3005A/3010S/
           飞行指示器   BCR450  BCR421U  BCR321U
           TVS保护管  
            压敏电阻  压敏电阻"是一种具有非线性伏安特性的电阻器件,主要用于在电路承受过压时进行电压嵌位,吸收多余的电流以保护敏感器件。
                     压敏电阻是一种限压型保护器件。利用压敏电阻的非线性特性,当过电压出现在压敏电阻的两极间,压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值,从而实现对后级电路的保护.
     
    /    
    13  TI的drv10866 uvw接在一起,对于三线BLDC或者三角形接法的电机,可以用三个2k左右的电阻形成一个虚拟中点接到COM,形成反电动势过零检测
    14  使用ir2101s的隔离芯片,进行mos的驱动,使用三态缓冲门,进行pwm信号隔离,防止芯片干扰。
    15  磁珠。bead   ferrite bead FB  单位为欧姆  随着频率增加,电阻值变高
        磁珠用于抑制电子设备中30MHz至3000MHz范围内的噪声
    16  emi filter 电磁干扰滤波器    bemf   反电动势
    17   mos 电压控制器件,好好理解,反复用。通过电场,打开导电通道.
    18  电机内部是线圈绕组,它相当电感,在断电的瞬间会产生很大的感应电压,如果没有隔离,这个感应电压可能会将MCU击穿。
        MCU通常不仅提供电机的驱动信号,还连接着各种通讯、传感器等电路,MCU损坏会使一个系统全部瘫痪,因此加隔离电路是非常必要的。
        常用的隔离,可以是光耦隔离,也可以是单向导通的逻辑门电路等等。具体情况需根据项目具体要求而定。 

        74LVC245三态缓冲器
        驱动电路记得添加驱动隔离芯片,首先芯片的驱动能力相对较弱,既然共用同一个电源的话,就使用类似的单向导通芯片做隔离。
         此外,三态缓冲器有助于解决 高低侧驱动芯片因单片机驱动能力不足带来的启动困难的问题。 
        !!! 如果说芯片使用的电源和电机供电电源分开(延伸开,比如数字电源和模拟电源的接地问题就非常重要),
        那么就可以尝试光耦隔离和数字隔离芯片。  数字隔离芯片原理和 变压器差不多,速度相对来说更快。 //光耦合器与数字隔离器
        关于电源隔离:
        隔离电源:电源的输入回路和输出回路之间没有直接的电气连接,输入和输出之间是绝缘的高阻态,没有电流回路;
        非隔离电源:输入和输出之间有直接的电流回路,例如,输入和输出之间是共地的。

    19 全桥逆变电路的核心在于搭建高低侧驱动桥,二极管 D1 跟电容 C1 组成的自 举升压电路的把握关乎桥式驱动输出的品质。 其次, mos 管两端的反接二极管, 作为续流二极管保护作用和在驱动桥输出端的吸收电容的设计也是必不可少的。 最后,输出电阻 R16 和 MOS 管的寄生电容在频率过高的时候,容易出现振铃现象, 输出存在异常尖波,所以需要对该电阻的选择有所考虑,一般在 20R 左右,不可 过高,不然容易导致输出缓慢. 

    20 最终的截止频率大概在 300khz,有效占空比为98%。  主要局限于电路中的自举电路的电容充放电时间。

    21 其中在 频率过快的时候,会出现 振铃现象,主要由于MOS管存在寄生电容和栅极电阻。

     

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