4楼图中Q2位于控制芯片内部,Q2发射极到地的电阻通常位于芯片外部,需要用户自己接上。
功率MOS管门极与源极之间等效于一个电容,该电容是分布电容,可能包括米勒电容,虽然电原理图中通常不会把这个分布电容画出来。4楼图中画出了该电容,并用红色表示,标注为C。驱动MOS管的PNP三极管标注为Q1,该三极管基极-发射极之间的二极管标注为D。
开关电源中一个非常重要的问题是开关速度,即从导通到关断或者从关断到导通的时间。因为从导通到关断或者从关断到导通MOS管工作于线性状态,管子的功率耗散很大,所以通常希望开关速度尽可能快一些,即线性工作的时间短一些,以降低功率损耗。但开关速度快了,又会造成EMI问题,即开关电源造成的对其它用电设备的干扰过大。所以,要在功率耗散和EMI之间找平衡,取折中。
原图中的电阻RGATE,数值通常不超过几十欧姆,可能不到十欧姆。使用这样一个小电阻,目的是与MOS管输入电容C构成一个RC低通电路,使MOS管开通稍缓慢,这样可以减小EMI,但会稍增加MOS管功率损耗。RGATE数值越大,MOS管开通越缓慢,MOS管上功率损耗也越大。
现在我们看看虚线框内电路。Q2显然是个发射极输出电路,R是其发射极负载电阻。
通常模拟电路课程中都会告诉学生:因为存在强烈的负反馈,发射极输出电路的输出阻抗非常小,这没错。但是很多学生只记住了结论,忘记了结论正确的前提:Q2工作于线性状态。现在Q2工作可不是线性状态。
需要功率MOS管T导通时,Q2饱和导通(已经不是线性状态了),当需要T关断时,Q2关断(也不是线性状态)。负反馈在Q2饱和和关断状态下,根本就不存在。
Q2饱和导通时内阻相当小,通常只有数欧姆。Q2关断时,内阻非常大(否则不能叫关断)。
MOS管导通,靠Q2导通为C充电到超过一定电压(通常需要数伏特甚至十多伏特)。这个充电过程所需要的时间差不多就是MOS管开通时间。由于Q2饱和导通时内阻很小,所以C充电很快,MOS管开通时间基本上由RGATE控制。
需要MOS管关断时,应该将MOS管输入电容C放电。这个放电过程所需要的时间差不多就是MOS管关断时间。
但是,如果没有Q1和D(T门极直接联接到RGATE),图中电容C放电必须通过电阻R。电阻R的数值却不能很小,通常至少数百欧。因为R比较小的时候,Q2饱和导通时电流非常大。举个数值例子:VDRV通常12V至15V,如果R为5欧,那么Q2导通时就要流过2A以上电流,R上耗散的功率为20W。不但芯片承受不起这么大的功率耗散,芯片内部的管子也不能承担这么大连续电流。
有了二极管D和PNP三极管Q1后,MOS管输入电容C放电可以很快,也就是MOS管关断可以很快。
当Q2导通时,VDRV通过Q2、RGATE、D对MOS管输入电容充电。前面已经说明,Q2饱和导通时内阻很小,二极管D正向导通时内阻也很小,RGATE数值通常只有十欧甚至十欧以下,总电阻相当小,所以电容C充电很快,MOS管可以迅速开通。D对开通的影响非常小,而Q1发射结反偏,根本不起作用。
Q2关断时(电容C已经被充电),电容C放电。此时D反向关断,电流将通过Q1的发射结、RGATE、电阻R。通过Q1发射结的是Q1的基极电流。该PNP管Q1的电流放大倍数至少100倍,所以Q1导通,集电极流过100倍以上的基极电流,使C放电。于是Q2关断时,由于D和Q1的存在,使C快速放电,T迅速关断。
这就是该电路的【工作原理】。
这个快速开关的原理讲得很清楚,还有一点不明白这个电路如何实现持续开通MOS管的,没有自举电路呢