SCD-16---MOS的加速與減速

引言：在開(kāi)始講解MOS的減速加速電路之前，我們還是先來(lái)回顧MOS開(kāi)啟與關(guān)閉的根本機(jī)制。以NMOS為例，開(kāi)啟NMOS本質(zhì)是對(duì)G極進(jìn)行充電，至Cgs電荷充滿(mǎn)，G極才會(huì)達(dá)到控制端電平值或者開(kāi)啟閾值，關(guān)斷NMOS時(shí)，GS電荷需要泄放，至電荷泄放完畢，G極才會(huì)達(dá)到GND或者關(guān)斷閾值（傳送門(mén)：MOS-1：MOS的寄生模型。對(duì)于PMOS，這個(gè)過(guò)程則反過(guò)來(lái)，對(duì)G極充電關(guān)斷，G極放電開(kāi)啟。

第二點(diǎn)，需要理解MOS的開(kāi)啟與關(guān)斷是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，持續(xù)關(guān)斷或者開(kāi)啟期間視作穩(wěn)態(tài)，控制端與G極電平相同，但開(kāi)啟與關(guān)斷瞬間，控制端與G極的電平不同，G極的電平變化始終慢于控制端的電平變化，因此電平不同就會(huì)導(dǎo)致G極電流的流動(dòng)，或流入G極或流出G極。

所以減速加速NMOS的根本機(jī)制就是：快速開(kāi)啟NMOS--->增大流入G極的電流；減速開(kāi)啟NMOS--->減小流入G極的電流；快速關(guān)斷NMOS--->加速釋放G極電荷；減速關(guān)斷NMOS--->減速釋放G極電荷（PMOS是一個(gè)逆過(guò)程）。

1.柵極電阻

因?yàn)闁艠O電阻直接控制了柵極電流的大小，所以開(kāi)關(guān)速度隨柵極電阻值大小而變化。

增加?xùn)艠O電阻值會(huì)減慢MOSFET的開(kāi)關(guān)速度，并增加其開(kāi)關(guān)損耗。降低柵極電阻值會(huì)增加MOSFET的開(kāi)關(guān)速度，但由于導(dǎo)線雜散電感等因素的影響，可能導(dǎo)致在其漏極和源極端子之間施加浪涌電壓，因此有必要選擇最佳的柵極電阻。

不同的柵極電阻可以用于MOSFET的不同的開(kāi)啟/關(guān)閉速度要求，圖16-1是如何使用不同的柵極電阻來(lái)開(kāi)啟和關(guān)閉的一個(gè)示例。

圖16-1：驅(qū)動(dòng)和關(guān)閉NMOS的不同路徑

開(kāi)啟NMOS時(shí)，電流經(jīng)過(guò)R1從控制端流向G極，關(guān)閉NMOS時(shí)，電流經(jīng)過(guò)R2從G極流向控制端，此時(shí)調(diào)整R1和R2的值就可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)啟和關(guān)閉的某一個(gè)要求的速度差。

圖16-2：柵極電阻的更多配置

圖16-2示例了柵極電阻的另外兩種用法，圖16-2左導(dǎo)通時(shí)柵極電阻器：R1和R2并聯(lián)，關(guān)斷時(shí)的柵電阻器：R2，這樣可以做到開(kāi)啟較快，關(guān)斷較慢；圖16-2右導(dǎo)通時(shí)柵極電阻：R1，關(guān)斷時(shí)的柵極電阻：R1和R2并聯(lián)，這樣可以做到開(kāi)啟較慢，關(guān)斷較快。

2.加速關(guān)斷二極管

對(duì)于NMOS，關(guān)斷電流比較大時(shí)，能使MOSFET輸入電容放電速度更快，從而降低關(guān)斷損耗。大的放電電流可以通過(guò)選擇的低輸出阻抗的MOSFET或電壓器件來(lái)實(shí)現(xiàn)，最常用的就是如圖16-3的加速二極管。

圖16-3：加速二極管的使用示例

柵極關(guān)斷時(shí)，電流在電阻R1上產(chǎn)生的壓降大于二極管D1的導(dǎo)通壓降，這時(shí)二極管會(huì)導(dǎo)通，從而將電阻進(jìn)行旁路，隨著電流的減小，二極管在電路中的作用越來(lái)越小。該電路作用會(huì)顯著的減小MOSFET關(guān)斷的延遲時(shí)間，但是這個(gè)電路有一定的缺點(diǎn)，那就是柵極的電流仍然需要流過(guò)IC內(nèi)部的輸出驅(qū)動(dòng)阻抗。

3.PNP加速關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電路

上面兩節(jié)相對(duì)于無(wú)柵極電阻的開(kāi)關(guān)速度還是偏慢，更快的關(guān)斷方式則是主動(dòng)“汲取”或者“灌入”電流。如圖16-4使用PNP加速NMOS關(guān)斷，開(kāi)啟時(shí)電流通過(guò)二極管D，關(guān)斷時(shí)則利用PNP三極管主動(dòng)從G極汲取電流。

圖16-4：PNP加速NMOS關(guān)斷

圖16-5展示了PNP加速NMOS關(guān)斷的動(dòng)態(tài)過(guò)程電流流向。左圖在控制端從低電平往高電平切換時(shí)，Vbe＞0，Q2關(guān)斷，充電電流從二極管D流入，Q1開(kāi)啟；右圖在控制端從高電平往低電平切換時(shí)，G極電平不會(huì)瞬間變化，此時(shí)Vbe＜-0.7V，Q2導(dǎo)通，Q2快速將電荷從G極汲取走，使G極電平快速下降，達(dá)到Q1快速關(guān)斷的目的。

圖16-5：PNP加速NMOS關(guān)斷的動(dòng)態(tài)過(guò)程

PNP加速關(guān)斷電路是目前應(yīng)用最多的電路，在加速三極管的作用下可以實(shí)現(xiàn)瞬間的柵源短路，從而達(dá)到最短的放電時(shí)間。之所以加二極管，一方面是保護(hù)三極管基極，另一方面是為導(dǎo)通電流提供回路及偏置。

該電路的優(yōu)點(diǎn)為可以近似達(dá)到推拉的效果，加速效果明顯。缺點(diǎn)是柵極由于經(jīng)過(guò)兩個(gè)PN節(jié)，不能使柵極真正的達(dá)到0V（GND），但電壓很低，不影響NMOS的完全關(guān)斷。

4.NPN加速關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電路

圖16-6是使用NPN加速PMOS關(guān)斷的電路，關(guān)斷時(shí)電流通過(guò)二極管D，導(dǎo)通時(shí)則利用NPN三極管主動(dòng)往G極灌入電流。

圖16-6：NPN加速PMOS關(guān)斷

圖16-7展示了NPN加速PMOS關(guān)斷的動(dòng)態(tài)過(guò)程電流流向。左圖在控制端從高電平往低電平切換時(shí)，Vbe＜0，Q1關(guān)斷，放電電流從二極管D流出，Q2開(kāi)啟；右圖在控制端從低電平往高電平切換時(shí)，G極電平不會(huì)瞬間變化，此時(shí)Vbe＞0.7V，Q1導(dǎo)通，Q1快速將電荷從G極灌入，使G極電平快速上升，達(dá)到Q2快速關(guān)斷的目的。

圖16-7：NPN加速PMOS關(guān)斷的動(dòng)態(tài)過(guò)程

小結(jié)：

1：關(guān)于基極電阻的大小選擇，這在前面其實(shí)已經(jīng)提到過(guò)，不建議使用K級(jí)別的電阻，常用阻值在3.3Ω/10Ω/33歐姆等等。除非有很明確的需求，根據(jù)歐姆定律計(jì)算出基極電流，然后匹配充電時(shí)間。

2：而使用PNP和NPN的加速，使用小信號(hào)三極管即可，其參數(shù)取決于MOS的開(kāi)啟關(guān)斷閾值，控制端的電平高低，ID基本都可以滿(mǎn)足G極要求。

3：減速加速在高頻信號(hào)調(diào)理，大功率多相電源時(shí)使用比較多。

4：以上幾種電路使用Pspice進(jìn)行仿真，可以直觀的得到性能差異（后續(xù)會(huì)有Pspice仿真章節(jié)補(bǔ)充此項(xiàng)）。