MOSFET与预驱动器的匹配技巧
作者：Bob Fugere
汽车电源产品部首席应用工程师
安森美半导体
汽车应用中电气负载的数量及种类众多，在驱动及控制这些负载方面，没有“万能”的方案。有些负载是大功率，有些是低功率；可能是电阻型、电感型或电容型负载。它们可能需要精确的控制，或是仅需要简单的脉宽调制(PWM)或导通/关闭控制。在所有情况下，都有必要为负载及驱动器提供保护，并为微控制器(MCU)提供诊断信息。
适应宽负载范围的一种方法是使用现有金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和带必要保护及诊断功能的预驱动器。这种方法可以非常灵活，甚至可以使用已通过合格认证、您的库存中现有的MOSFET，为驱动器需求提供高性价比的方案。要使这一方案发挥最大的作用，MOSFET和预驱动器必须相互匹配。
预驱动器基础知识
图1了提供控制、保护及诊断功能的预驱动器基本组件示例。在导通期间，消隐(blanking)定时器启动，同
时，门电荷由驱动器电源(V GG)通过驱动器输出阻抗(R G)提供给MOSFET。在此期间，比较器(CMP)感测MOSFET的漏极-源极电压(V DS)，并将其与参考电压(V REF)比较。如果在导通消隐时间的末尾时MOSFET的V DS大于V REF，就检测出可能的负载短路。然后，MOSFET关闭并保护器件本身，同时负载电压源(V L)短路诊断状态也被记录下来。
图1：预驱动器框图。
在关闭期间，消隐定时器启动，同时存储的门电荷由MOSFET通过R G缷除到地。在此期间，CMP 感测
MOSFET的V DS，并将其与不同的V REF比较。如果在关闭消隐时间的末尾时MOSFET的V DS小于
V REF，就检测出可能的对地短路。在这种情况下，负载电流可以继续流动，但对地短路诊断状态获记录下来。
MOSFET基础知识
MOSFET已经应用多年，有关它们特性的文档也很齐全。但检视它的一些基础属性及数据表信息，可以在关键性能参数方面提供一些指引。我们将使用安森美半导体NTD3055L逻辑电平MOSFET 数据表作为示例。
MOSFET数据表中常见的一个典型曲线是传递(transfer)特性曲线，如图1所示。这个曲线描绘了扫描V GS电压时饱和区域中的漏电流，在这个饱和区域中，V DS保持在大于10V的某个恒定电压。这曲线通常在3种温度条件下捕获，图2中所示的3种温度分别是绿线条代表的-55°C、黑线条代表的25°C和红线条代表的100°C。
大多数MOSFET显示出零温度系数(TC)点特性；就NTD3055L而言，这个点出现于V GS ≈ 3.6V。对于给定V GS而言，温度高于这个点时，漏电流减小；温度低于这个点时，漏电流增加。在大多数应用中，MOSFET用作开关，工作在欧姆区(Ohmic region)，且高于零TC点，V GS= 5V。此外，虽然数据表参数表中门阈值电压(V GSTH)项目通常给出负温度系数，但检视曲线，探寻额外性能特
性也很重要。
另一个典型曲线是导通区域曲线，如图2所示。这个曲线描绘了扫描V DS时的漏电流，而V GS包含几个阶跃上升的电压值。这曲线通常在25°C时获得，但我们能使用图1来产生更多的曲线。我们采用低温及高温条件下图1中3V及4.5V V GS工作点时的漏电流，能够直接将这些曲线转移到图2。图中显示的新曲线中，绿曲线针对-55°C，黑曲线针对25°C，而红曲线针对100°C。这些曲线显示了高于及低于零TC点的工作点条件下不同温度时的漏电流变化。
图2：NTD3055L104导通区域特性曲线。
第三种非常有用的典型曲线是总门电荷曲线，如图3所示。该曲线描绘了门电荷传递时最理想的V GS变化。这一曲线通常藉由25°C时在门极施加1mA恒定电流，在特殊工作点(图中“A”点)生成。它显示了门极至源极(Q1)、门极至漏极(Q2)及总电荷(QT)传递间隔。开关电荷(QSW)在阈值电压V GSTH与峰值电压(plateau voltage)V GSP之间提供，其中漏电压已降至其初始值的10%，但Q1+Q2的组合电荷仍然必须在开关时间间隔期间提供。
图3：NTD3055L104 VGS vs. 门电荷。
虽然通常显示的是给定V DS 和I D 工作点时的电荷传递曲线，我们能够以过观测近似峰值电压V GSP 在曲线饱和区域产生I D 的所施加V GS 电压，使用图2中的导通区域曲线来生成更多的工作点电荷曲线。图中显示的这些曲线中，绿曲线针对“B”在I D ≈ 8A的工作点；粉红曲线针对“C”在I D ≈ 4A的工作点。这样一来，电荷传递量相应沿着Q1和Q2间隔调节。有趣的是，在给定V DS 下，传递的总电荷ntd
仍然保持相对恒定，且会随着V DS 下降而下降。如图中蓝线条所示，出现这种现象的原因是有效门极至漏极(“米勒”)电容会随着电压增益dV DS /dV GS 而变化。
估计开关时间
可以使用总门电荷QT 和门驱动电流的平均值(I G(AV))来估计一阶开关时间：
GG
G )
AV (G SW V R QT 21I QT t ××≈
≈
等式1
可以使用MOSFET输入电容(C iss )及Q2电荷传递间隔来作更加完善的估计。图4中的曲线显示，MOSFET关闭时输入电容约为300pF，而在MOSFET导通时约为850pF。
现在，只要将导通延迟时间(t D(ON))和上升时间(t R )分量相加，就能估计导通开关时间(t SW(ON))：
⎥⎦⎤⎢⎣⎡−×+⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣
⎡⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−××≈+≈)V V (R 2Q )V V (V ln C R t t t GSP GG G GSP GG GG
)OFF (iss G R )ON (D )ON (SW 等式2
与之类似，将关闭延迟时间(t D(OFF))和下降时间(t F )分量相加，就可估计关闭开关时间(t SW(OFF))：
式3 确定适合的匹配，需要的就是这几个等式及一些关键预驱动器和MOSFET 特性。在工作点A、V GG = 5 V, C iss(OFF) = 300 pF, C iss(ON) = 850 pF, R G = 350 Ω ⎥⎦
⎤
⎢⎣⎡×+⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛××≈+≈GSP G GSP GG )ON (iss G F )OFF (D )OFF (SW V R 2Q V
V ln C R t t t 等
要B 和C 时，等式2和等式3的计算结果如错误！未到引用源。所示，对应了2个不同的R G 值。
I D V GSP Q2 t D(ON) t R t SW(ON) t D((A) (V) (nC) s) OFF) t F s) t SW(OFF)
(ns) (n (ns) (ns) (n (ns) A 12 4.25 4 199 **** **** 48 329 378 B 8 3.5 2.9 126 677 803 106 290 396 C 4 3.0 2.1 96 368 464 152 245 397 V GG =V, ) = F s(ON) = F, 1800 5 C iss(OFF 300 p , C is 850 p R G = Ω A 12 4.25 4 1024 9600 10624 249 1964 1943 B 8 3.5 2.9 650 3480 4130 546 1491 2037 C 4 3.0 2.1 495 1890 2385 782 1260 2042
否匹配？ 已介绍了预驱动器和MOSFET 的伙伴关系，我们将审视两者是否匹配。我们须以一个预驱动器是
现和MOSFET 的组合实例来研究。安森美半导体的NCV7513和NCV7517六路预驱动器符合预驱动基础知识中论及的要求。这些产品的设计用于驱动N 沟道逻辑电平MOSFET，而后者的门阈值电压通常较低，而且根据工作点的不同，峰值电压也较低。错误！未到引用源。归纳了这些产品的关键参数。
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