MOS的减速加速电路设计

SCD-16---MOS的加速与减速

引言：在开始讲解MOS的减速加速电路之前，我们还是先来回顾MOS开启与关闭的根本机制。以NMOS为例，开启NMOS本质是对G极进行充电，至Cgs电荷充满，G极才会达到控制端电平值或者开启阈值，关断NMOS时，GS电荷需要泄放，至电荷泄放完毕，G极才会达到GND或者关断阈值（传送门：MOS-1：MOS的寄生模型。对于PMOS，这个过程则反过来，对G极充电关断，G极放电开启。

第二点，需要理解MOS的开启与关断是一个动态的过程，持续关断或者开启期间视作稳态，控制端与G极电平相同，但开启与关断瞬间，控制端与G极的电平不同，G极的电平变化始终慢于控制端的电平变化，因此电平不同就会导致G极电流的流动，或流入G极或流出G极。

所以减速加速NMOS的根本机制就是：快速开启NMOS--->增大流入G极的电流；减速开启NMOS--->减小流入G极的电流；快速关断NMOS--->加速释放G极电荷；减速关断NMOS--->减速释放G极电荷（PMOS是一个逆过程）。

1.栅极电阻

因为栅极电阻直接控制了栅极电流的大小，所以开关速度随栅极电阻值大小而变化。

增加栅极电阻值会减慢MOSFET的开关速度，并增加其开关损耗。降低栅极电阻值会增加MOSFET的开关速度，但由于导线杂散电感等因素的影响，可能导致在其漏极和源极端子之间施加浪涌电压，因此有必要选择最佳的栅极电阻。

不同的栅极电阻可以用于MOSFET的不同的开启/关闭速度要求，图16-1是如何使用不同的栅极电阻来开启和关闭的一个示例。

图16-1：驱动和关闭NMOS的不同路径

开启NMOS时，电流经过R1从控制端流向G极，关闭NMOS时，电流经过R2从G极流向控制端，此时调整R1和R2的值就可以实现开启和关闭的某一个要求的速度差。

图16-2：栅极电阻的更多配置

图16-2示例了栅极电阻的另外两种用法，图16-2左导通时栅极电阻器：R1和R2并联，关断时的栅电阻器：R2，这样可以做到开启较快，关断较慢；图16-2右导通时栅极电阻：R1，关断时的栅极电阻：R1和R2并联，这样可以做到开启较慢，关断较快。

2.加速关断二极管

对于NMOS，关断电流比较大时，能使MOSFET输入电容放电速度更快，从而降低关断损耗。大的放电电流可以通过选择的低输出阻抗的MOSFET或电压器件来实现，最常用的就是如图16-3的加速二极管。

图16-3：加速二极管的使用示例

栅极关断时，电流在电阻R1上产生的压降大于二极管D1的导通压降，这时二极管会导通，从而将电阻进行旁路，随着电流的减小，二极管在电路中的作用越来越小。该电路作用会显著的减小MOSFET关断的延迟时间，但是这个电路有一定的缺点，那就是栅极的电流仍然需要流过IC内部的输出驱动阻抗。

3.PNP加速关断驱动电路

上面两节相对于无栅极电阻的开关速度还是偏慢，更快的关断方式则是主动“汲取”或者“灌入”电流。如图16-4使用PNP加速NMOS关断，开启时电流通过二极管D，关断时则利用PNP三极管主动从G极汲取电流。

图16-4：PNP加速NMOS关断

图16-5展示了PNP加速NMOS关断的动态过程电流流向。左图在控制端从低电平往高电平切换时，Vbe＞0，Q2关断，充电电流从二极管D流入，Q1开启；右图在控制端从高电平往低电平切换时，G极电平不会瞬间变化，此时Vbe＜-0.7V，Q2导通，Q2快速将电荷从G极汲取走，使G极电平快速下降，达到Q1快速关断的目的。

图16-5：PNP加速NMOS关断的动态过程

PNP加速关断电路是目前应用最多的电路，在加速三极管的作用下可以实现瞬间的栅源短路，从而达到最短的放电时间。之所以加二极管，一方面是保护三极管基极，另一方面是为导通电流提供回路及偏置。

该电路的优点为可以近似达到推拉的效果，加速效果明显。缺点是栅极由于经过两个PN节，不能使栅极真正的达到0V（GND），但电压很低，不影响NMOS的完全关断。

4.NPN加速关断驱动电路

图16-6是使用NPN加速PMOS关断的电路，关断时电流通过二极管D，导通时则利用NPN三极管主动往G极灌入电流。

图16-6：NPN加速PMOS关断

图16-7展示了NPN加速PMOS关断的动态过程电流流向。左图在控制端从高电平往低电平切换时，Vbe＜0，Q1关断，放电电流从二极管D流出，Q2开启；右图在控制端从低电平往高电平切换时，G极电平不会瞬间变化，此时Vbe＞0.7V，Q1导通，Q1快速将电荷从G极灌入，使G极电平快速上升，达到Q2快速关断的目的。

图16-7：NPN加速PMOS关断的动态过程

小结：

1：关于基极电阻的大小选择，这在前面其实已经提到过，不建议使用K级别的电阻，常用阻值在3.3Ω/10Ω/33欧姆等等。除非有很明确的需求，根据欧姆定律计算出基极电流，然后匹配充电时间。

2：而使用PNP和NPN的加速，使用小信号三极管即可，其参数取决于MOS的开启关断阈值，控制端的电平高低，ID基本都可以满足G极要求。

3：减速加速在高频信号调理，大功率多相电源时使用比较多。

4：以上几种电路使用Pspice进行仿真，可以直观的得到性能差异（后续会有Pspice仿真章节补充此项）。