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标题: 智能车MOSFET电机驱动 BJT和MOS管的开关特性及相关细节详解 [打印本页]

作者: x舞z 时间: 2012-12-7 13:54
标题: 智能车MOSFET电机驱动 BJT和MOS管的开关特性及相关细节详解
本帖最后由 x舞z 于 2012-12-7 13:52 编辑

<前段时间，以为同学给我说，他用单片机做了一个简单的LED台灯，用PWM的方式控灯的亮度，但是发现BJT总是很烫。他的电路图如图1所示。我问他：3V时LED的发光电流多大，他说十几道二十毫安左右。我问他电阻多大。他说10K。于是我笑笑的说：“你把电阻改小一点就好了”。于是他回去一试，用了1k的电阻，就没有问题了。>
但是为什么要这么做?

一、BJT和MOSFET的开关特性讨论    在电子设计与制作中，双极性晶体管（BJT）和MOSFET 是用的最多的有源器件。考虑到多数的情况(分立元件)下。这两种器件在现代电子电路中用作开关器件，而恰好相反的是，我们大多数的教科书却着重于介绍这两种器件的放大性能。所以在这我主要讨论一下这两种器件的开关特性和应用。
大多数人的应该有这么一个概念：BJT为电流控制器件，MOSFET为电压控制器件。至于为什么这么说。通过以下的介绍，你可能会有很清晰的认识。首先我们讨论MOS管的开关的相关理论和基本应用。

关于MOSFET的讨论
   下面讨论MOSFET.很多初学者对于这种器件是相当陌生的。先为大家介绍我遇到的一个案例。曾经有个同学刚刚接触机器人。他试图用MOSFET驱动机器人上的电机。当时他给我是这样的描述。不管单片机输入的是PWM波还是高电平信号，电机转速都很慢，并且MOSFET很烫，最终烧坏。当我们看到图5时，我立刻明白，出现上述问题是因为他对功率MOSFET基本上没有概念，在他看来，似乎和BJT的使用方法一样。
   为了了解MOSFET，我们很有必要先掌握一些理论知识。这里讨论增强型的MOSFET。并以N沟道器件为例。对于分立增强型的MOSFET，衬底一般和源极接到到一起，且栅极和衬底为氧化层，实际上是一层绝缘体。所以，栅极之间的电阻非常大，静态时，几乎所有电流流入栅极。这一点应该是大多数人都知道的。
   如图6所示，给MOSFET的漏源之间加上正偏电压，当栅源电压Ui 增强到一定值（即阈值电压Vth）时，开始有电流Id流入漏极。随着Ui的继续增加，Id增大，RL 上承受的电压也随之增大。当UI 足够大时，RL上承受几乎所有的电源电压。Id 也达到一定的值而不再增加。此时MOSFET进入线性区，漏源之间有一个较小的压降。但需要注意的是，这个压价和BJT饱和压降不同，这个压降不是一个固定值，而是漏源之间的电流Id呈正相关（几乎是线性）关系。这个电压可以这样计算：VDD（on） = Id * Ron。其中，Ron 为导通电阻，使我们在MOSFET的数据手册中常见的一个参数。它表征着MOSFET的套筒损耗。
   从上面的分析可以得知。MOSFET作为开关时，我们只要在栅源之间加一个足够大的电压，MOSFET就能充分导通。此时，MOSFET上的压降为漏源电流与导通电阻之间的乘积。不同功率的MOSFET，要求的栅源电压不同。对于常见的TO220，TO252封装的MOSFET，通常取值是10-15V，对于SOP8，和SOT23等封装的低压MOSFET，这个值可以取得低一点。一般的数据手册会给出导通电阻随栅源电压的变化曲线。
   我们可以从数据手册中不难看书，在VGS较小时，Ron并不是一个常数，而是随着Id 的增加而增大。原因就在于我们前边提到的，讨论导通电阻Ron时，应当使得MOSFET充分导通。漏源电流越大，使得MOSFET充分导通将会变得越困难。因为要求的栅源电压越高。所以，当栅源电压不是足够大时，MOSFET并没有充分导通，MOSFET并没有进入线性区，所以导通电阻也就会同时依赖于漏源电压。
   那大家又会问，如图5所示的电路，把MOSFET改为低阈值的器件是不是就没有问题了呢？这也不一定，因为至此，我们还没有涉及MOSFET驱动电压应该怎么加的问题。
   前面我们说的栅源之间的电阻大道几乎是绝缘体的电阻。那么栅源电阻Rg的取值很大或者很小应该都没有问题。而事实上，当对开关速度没有要求是，确实是这样的。对于一般的MOSFET，Rg的取值从几欧姆到上兆欧姆都是可以正常开启的。。图5案例如果不需要PWM调速或者PWM频率很低时，把IRF540换成低阈值的MOSFET的话，或许正常工作时没有问题的。
   但是我们应该都清楚。MOSFET的栅极和漏极之间都是介质层。因此栅源和栅漏之间必然存在一个寄生电容Cgs和Cgd,沟道未形成时，漏源之间也有一个寄生电容Cds，所有考虑到寄生电容时，MOSFET的等效电路就成了图9 的样子了。但是我们从MOSFET的数据手册中一看看不到这3个参数，手册给出的参数一般是Ciss  Coss 和Crss 他们与Cgs和Cgd,Cds的关系如下：Ciss = Cgs + Cgd(Cds短路时).
Coss = Cds + Cgd
Crss =  Cgd

   下面看一下这些寄生电容参数是如何影响开关速度的。  如图10 所示，当驱动信号Ui 到来的一瞬间，由于MOSFET处于关断状态。此时Cgs 和Cgd  上的电压分别为Ugs = 0, Ugd = -Vdd , Cgs 和 Cgd  上的电荷量分别为 VTgs = 0 ， Vgd = Ugd*Cgd= Vdd * Cgd . 接下来。 Ui 通过 Rg  对 Cgs 充电。 Ugs  逐渐升高（这个过程中，随着Ugs 升高，也会伴随着Cgd 的放电，但是由于Vdd 远大于Ugs ， Cgd 不会导致栅电流的明显增加）
   当Ugs 达到阈值电压时，开始有电流通过MOSFET（事实上，当Ugs 还没有达到阈值电压的时候，已经有微小电流通过MOSFET了），MOSFET上承受的压降由原来的Vdd 开始减小，Cgd 上的电压也会随之减小。那么也就伴随着Cgd 的放电。由于Cgd 的电荷量VTgd  = Vdd * Cgd 较大，所以放电的时间较长。在放电时间期间，栅极电流基本上用于Cgd 的放电。，因此栅源电压的增加变得缓慢。
   充电完成后，Ui通过Rg 继续对Cgs和Cgd 充电（因为此时MOSFET已经充分导通，相当于Cgs 和Cgd并联），直到栅源电压达到Ui,开启过程至此完成。

   同时，不难发现，当Rg越大，寄生电容的充电时间越长。显然，Rg 太大时，MOSFET不能在短时间内充分导通。在高速开关应用中，这个阻值一般去几欧姆至几十欧姆（像 D类功放，开关电源），即使在低速状态下，Rg 也不宜取得太大。因为过大的Rg,会延长电容的充电时间，也就是MOSFET 从关断到充分导通的过度时间。这段时间内，MOSFET处于饱和状态（放大区），管子将同时承受较大的电压和电流，从而引起较大的功耗。但是Rg 如果取得太小或者直接短路的话，在驱动电压到来得一瞬间，由于寄生电容上的电压为0，前级需要流过一个很大的电流，造成对前级驱动电路的冲击。

补充内容 (2012-12-7 19:21):
部分内容在后面。由于分次输入。所以不在一个，界面，给大家带来不便，还请谅解。

作者: x舞z 时间: 2012-12-7 13:54
未完待续。。。

作者: 幽墨 时间: 2012-12-7 14:09
mos管作为开关看样子还很有学问啊，受教了！

作者: xckhmf 时间: 2012-12-7 14:18
学习了。

作者: 幽墨 时间: 2012-12-7 14:21
可以升精哈。非常不错

作者: back 时间: 2012-12-7 14:23
支持继续

作者: ganlei 时间: 2012-12-7 14:29
非常不错哈·支持

作者: 静静的等待 时间: 2012-12-7 15:20

顶一下

作者: quzhanguang 时间: 2012-12-7 17:04
你知道的太多了

作者: x舞z 时间: 2012-12-7 17:32
求精华帖

作者: 幽墨 时间: 2012-12-7 18:00
10楼说得对，求续

作者: 重剑在江湖 时间: 2012-12-7 18:22
这么有爱的同学，必须顶一个！

作者: 海的声音 时间: 2012-12-7 18:23
要用了再来看

作者: 小挺挺 时间: 2012-12-7 18:41
顶

作者: 暗里着迷 时间: 2012-12-7 19:05

作者: x舞z 时间: 2012-12-7 19:11
   现在我们应该很清楚图5案例中的错误之处了。第一单片机输出的电压不足以使得IRF540这种管子充分导通。因此图中的管子不是开关，而更像是一个放大器。第二,单片机的I/O输出能力不能满足PWM情况下导通速度的要求。即使换成低阈值的MOSFET,开启和关断的时间太长，MOSFET在这个过渡阶段同样需要承受很大的功耗。
   图12所示为高速开关应用中常见的MOSFET驱动电路，以一对互补的BJT构成射随器的形式满足驱动电流的要求。其中VT1用于开启式对寄生电容的充电，VT2用于关断时对寄生电容的放电。有时候，我们需要更快的关断速度，通常在栅极电阻R1上并联一个快恢复二极管，这样的话，放电回路经经过这个二极管而不是电阻，这样一个电路用到前面的情况下就没有问题了。
而在实际应用中，我们通常还会在MOSFET的栅源之间并联一个几千欧姆到上百千欧姆的电阻，如图13中的R2所示。这是为了在输入栅源电压不正确的时（前级驱动电路失效），防止MOSFET处于非理性状态。
我们可以做这样一个实验：连接如图14所示的电路，我们会发现，即使栅极悬空，LED也会发光，这说明，栅源之间出现了高于阈值的电压。产生这一电压的原因是寄生电容上的残留电荷，但又不足以使MOSFET充分导通。结果是MOSFET工作在放大区（饱和区），管子承受很大的功耗，从而造成期间的损坏。这种现象更容易发生在低阈值的电压的MOSFET中。为了防止这种情况发生，往往通过栅源间并联电阻泄放寄生电容上的残留电荷。
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图5

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图6

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图10

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图12

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图13

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图14

作者: x舞z 时间: 2012-12-7 19:16
有一部分资料在下面

作者: x舞z 时间: 2012-12-7 19:20
实际应用中的效果如下面网址。 http://www.amobbs.com/thread-5469217-1-1.html

作者: 暴走兄弟 时间: 2012-12-7 19:38
顶贴顶贴

作者: x舞z 时间: 2012-12-7 19:42
总所周知，用MOS管自己搭建电机驱动，一方面驱动电流大，比如 IRF3205驱动电流高达110A，在一般情况下，都只是微热。而像现在驱动能力较强的，BTN7971，在车子跑起来的过程中，一旦制动或者突然反转，都会造成严重的发热。而且驱动能力都还达不到，3205的电流。所以分立的MOS管，具有明显的有事。但是参考几年的比赛规则，如果光电D车，采用MOS管，会有多达至少8个的MOS管，明显不是很合理，会占用很多的空间。所以建议采用BTN7971.浏览完很多车队的 MOS管驱动电路。要不就是很模糊。要不就是不会给出关键部分。览遍大神杰作之后。发现最好的MOS管驱动。讲得最详细，开源程度最高的飞思卡尔报告，还要属北科的。下面给出北科的资料。
具体部分就请大家自己分析了。
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以上就是最近做飞思卡尔电机驱动，和四轴飞行器的电调对于MOS管的一些理解，和资料。望大家笑纳。呵呵 [attach]36463[/attach]
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作者: tanry53 时间: 2012-12-7 19:48
顶一下。

作者: 暗里着迷 时间: 2012-12-7 20:08
学习了

作者: NASA 时间: 2012-12-7 20:37
顶啊

:victory:

作者: NASA 时间: 2012-12-7 20:38
不错，不错，写得不错

作者: 暴走兄弟 时间: 2012-12-7 21:27
再顶

作者: 旧树 时间: 2012-12-8 00:01
太棒了！！

作者: 若要走 时间: 2012-12-8 14:29
顶一下

作者: 124694679 时间: 2012-12-8 16:17
学习了！

作者: 幽墨 时间: 2012-12-8 16:27
精华帖了

！

作者: x舞z 时间: 2012-12-8 16:30
谢谢版主，谢谢大家

作者: x舞z 时间: 2012-12-8 21:22
呵呵，给自己顶上来

作者: 你是我/sun 时间: 2012-12-9 00:27

作者: zhangyunchao1 时间: 2012-12-10 20:41
好好，很好！！！！！

作者: 小赖要努力 时间: 2012-12-10 22:51

那个资料找的，还是你就是老师呀？很受用，谢谢啦

作者: x舞z 时间: 2012-12-10 23:16
资料是参考一篇文章，加上自己的理解，还有飞思卡尔和阿莫论坛里面一些大神对做四轴电调和电机驱动的精华。然后写的

作者: 前行者cross 时间: 2012-12-13 23:12
学习了~

作者: qq1806212533 时间: 2012-12-14 00:09
感谢！！！

作者: zjcxsys 时间: 2012-12-15 16:57
不错给力

作者: liuyuliuyu1216 时间: 2012-12-15 18:06
学习一下

作者: chenyu2010550 时间: 2013-1-16 21:44

作者: hxp632626965 时间: 2013-2-26 14:54
学习了

作者: 最好不相误 时间: 2013-3-21 18:04
好东西，去年搞了一段时间的逆变用的mos管，今天看到你写的加深记忆了，好贴

作者: kido 时间: 2013-3-26 16:08
顶~~~~

作者: 避风港1717 时间: 2013-11-6 19:51
必须顶

作者: ＂沉沉睡去. 时间: 2013-11-22 12:40
楼主你好，我在书上看到的Id是和Ugs是正比的，但你文中说到Id大了导通内阻反而大了，这我就有些疑惑了，不是说Ugs越大，内阻越小吗？但是Ugs的增大也促使了Id的增大啊？，那怎么理解呢？

补充内容 (2013-11-22 13:24):
不好意思，我看得有点匆忙，重新看一次后发觉我看错了

作者: 烦躁丶 时间: 2013-11-22 19:34
收藏了。。。

作者: 曲終、朲散场 时间: 2013-12-30 14:43
大神，跪谢啊

作者: star号巴士 时间: 2014-4-3 23:34
学习到了，哈哈哈哈哈

作者: 麦田里的守望者 时间: 2014-4-6 13:04
大神呀，膜拜

作者: dispassworld 时间: 2014-6-4 09:55
赞，优质啊~~

作者: 九劫岛 时间: 2015-2-1 21:20
我辈楷模

作者: Li123 时间: 2015-3-5 14:03
以前做过，没有考虑的那么多，今天看了楼主的，收益匪浅！

作者: loala 时间: 2015-4-29 09:36
精华帖了！

作者: 好心的路人 时间: 2015-8-12 21:49
学习了

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