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Part 01、前言
今天分析一下下面的這個(gè)電路，一個(gè)基于NPN三極管的MOSFET柵極自偏置關(guān)斷電路。電路很簡(jiǎn)單，里面可是藏著不少門道，既有設(shè)計(jì)亮點(diǎn)，也有效率與延遲問題。咱們一邊分析，一邊看看器件選型和計(jì)算的門道，爭(zhēng)取把這電路的“前世今生”講透了！
Part 02、電路分析
這個(gè)電路的核心任務(wù)是驅(qū)動(dòng)MOSFET，通過控制其柵極電壓來實(shí)現(xiàn)開關(guān)動(dòng)作。從電路圖來看，驅(qū)動(dòng)器的輸出信號(hào)經(jīng)過一系列處理后，控制MOSFET的柵極。PWM信號(hào)通過QINV反相后，驅(qū)動(dòng)QOFF來完成MOSFET的關(guān)斷。聽起來挺簡(jiǎn)單，但細(xì)節(jié)里可藏著不少“坑”。
我們先來看看MOSFET的導(dǎo)通和關(guān)斷過程是怎么完成的。
導(dǎo)通階段：當(dāng)驅(qū)動(dòng)器輸出高電平VDRV時(shí)，信號(hào)通過二極管DON直接作用到MOSFET的柵極。
關(guān)斷階段：驅(qū)動(dòng)器輸出低電平，OUT信號(hào)通過QINV反相后變成高電平，驅(qū)動(dòng)QOFF導(dǎo)通。簡(jiǎn)單點(diǎn)來說就是OUT輸出低以后，此時(shí)MOSFET柵極由于柵極電容的存在其電平還是高，DON反向截止，那么MOSFET柵極電容儲(chǔ)存的電荷只能通過QOFF基極電阻->QOFF發(fā)射極釋放，進(jìn)而QOFF ?CE會(huì)導(dǎo)通，之后MOSFET的柵極被拉低到接近GND，實(shí)現(xiàn)快速關(guān)斷。QINV在這里扮演了“信號(hào)反相”的角色，但也帶來了不少副作用。
效率問題：QINV的“偷電流”行為
QINV是個(gè)反相器，當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時(shí)，它會(huì)從驅(qū)動(dòng)器中“偷”走一部分電流。這是因?yàn)镼INV需要維持自身的偏置狀態(tài)，而這部分電流并不會(huì)直接用于驅(qū)動(dòng)MOSFET，而是白白消耗掉了。假設(shè)驅(qū)動(dòng)器的工作電壓VCC為12V，QINV的偏置電阻為2kΩ，那么偏置電流大約是：
6mA看似不多，但如果PWM信號(hào)的占空比是50%，且開關(guān)頻率是100kHz，這個(gè)額外功耗可就不小了：
延遲問題：QINV和QOFF的動(dòng)作延時(shí)
QINV在導(dǎo)通時(shí)會(huì)進(jìn)入飽和狀態(tài)，這會(huì)導(dǎo)致關(guān)斷延時(shí)的增加。為什么呢？因?yàn)槿龢O管從飽和狀態(tài)退出時(shí)，存儲(chǔ)在基極的電荷需要時(shí)間釋放，這個(gè)時(shí)間具體取決于三極管的型號(hào)和偏置條件。
另外，QOFF的偏置電流建立也需要時(shí)間。QOFF的基極電阻和基極寄生電容存在RC時(shí)間常數(shù)，這意味著偏置電流的建立需要大約幾個(gè)時(shí)間常數(shù)才能穩(wěn)定。這段時(shí)間會(huì)直接增加MOSFET的關(guān)斷延遲，影響開關(guān)速度，尤其在高頻應(yīng)用中會(huì)更明顯。
QOFF和QINV是NPN三極管，考慮到它們需要快速開關(guān)，建議選擇高速開關(guān)三極管，比如2N3904。這類三極管的開關(guān)時(shí)間通常比較快，集電極電流能力在幾百mA，足夠應(yīng)對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)的需求。
RGATE的作用是限制柵極電流，避免沖擊過大。假設(shè)MOSFET的柵極電容是1nF，驅(qū)動(dòng)電壓是12V，目標(biāo)充電時(shí)間是50ns，那么需要的柵極電流為：
RGATE的值可以根據(jù)驅(qū)動(dòng)器的輸出能力來選，假設(shè)驅(qū)動(dòng)器能提供0.5A的峰值電流，RGATE為：
DON需要快速導(dǎo)通和低正向壓降，肖特基二極管是不錯(cuò)的選擇，比如1N5819，正向壓降約0.3V。這比普通二極管0.7V更高效，能稍微降低功耗。
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