一、MOS管输入电阻很高,为什么一遇到静电就不行了
MOS管一个ESD敏感器件,它本身的输入电阻很高,而栅-源极间电容又非常小,所以极易受外界电磁场或静电的感应而带电,又因在静电较强的场合难于泄放电荷,容易引起静电击穿。
静电击穿一般分为两种类型:
- 一是电压型,即栅极的薄氧化层发生击穿,形成针孔,使栅极和源极间短路,或者使栅极和漏极间短路;
- 二是功率型,即金属化薄膜铝条被熔断,造成栅极开路或者是源极开路。
#3、MOS管被击穿的原因及解决方案?
第一、MOS管本身的输入电阻很高,而栅源极间电容又非常小,所以极易受外界电磁场或静电的感应而带电,而少量电荷就可在极间电容上形成相当高的电压 (U=Q/C),将管子损坏。
虽然MOS输入端有抗静电的保护措施,但仍需小心对待,在存储和运输中最好用金属容器或者导电材料包装,不要放在易产生静电高压的化工材料或化纤织物中。
组装、调试时,工具、仪表、工作台等均应良好接地。要防止操作人员的静电干扰造成的损坏,如不宜穿尼龙、化纤衣服,手或工具在接触集成块前最好先接一下地。对器件引线矫直弯曲或人工焊接时,使用的设备必须良好接地。
第二、MOS电路输入端的保护二极管,其导通时电流容限一般为1mA,在可能出现过大瞬态输入电流(超过10mA)时,应串接输入保护电阻。因此应用时可选择一个内部有保护电阻的MOS管应。
还有,由于保护电路吸收的瞬间能量有限,太大的瞬间信号和过高的静电电压将使保护电路失去作用。所以焊接时电烙铁必须可靠接地,以防漏电击穿器件的输入端,一般使用时,可断电后利用电烙铁的余热进行焊接,并先焊其接地管脚。
#3、MOS栅源(G-S)极下拉电阻有什么作用?
MOS是电压驱动元件,对电压很敏感,悬空的G很容易接受外部干扰使MOS导通,外部干扰信号对G-S结电容充电,这个微小的电荷可以储存很长时间。
在试验中G悬空很危险,很多就因为这样爆管,G接个下拉电阻对地,旁路干扰信号就不会直通了,一般可以10~20K。这个电阻称为栅极电阻。
作用1:为场效应管提供偏置电压;
作用2:起到泻放电阻的作用(保护栅极G~源极S)。
第一个作用好理解,这里解释一下第二个作用的原理。保护栅极G~源极S,场效应管的G-S极间的电阻值是很大的,这样只要有少量的静电就能使他的G-S极间的等效电容两端产生很高的电压,
如果不及时把这些少量的静电泻放掉,他两端的高压就有可能使场效应管产生误动作,甚至有可能击穿其G-S极。这时栅极与源极之间加的电阻就能把上述的静电泻放掉,从而起到了保护场效应管的作用。
二、MOS管驱动电路有几种
MOS管因为其导通内阻低,开关速度快,因此被广泛应用在开关电源上。而用好一个MOS管,其驱动电路的设计就很关键。下面分享几种常用的驱动电路。
1 电源IC直接驱动
电源IC直接驱动是最简单的驱动方式,应该注意几个参数以及这些参数的影响。
①查看电源IC手册的最大驱动峰值电流,因为不同芯片,驱动能力很多时候是不一样的。
②了解MOS管的寄生电容,如图C1、C2的值,这个寄生电容越小越好。如果C1、C2的值比较大,MOS管导通的需要的能量就比较大,如果电源IC没有比较大的驱动峰值电流,那么管子导通的速度就比较慢,就达不到想要的效果。
2 推挽驱动
当电源IC驱动能力不足时,可用推挽驱动。
这种驱动电路好处是提升电流提供能力,迅速完成对于栅极输入电容电荷的充电过程。这种拓扑增加了导通所需要的时间,但是减少了关断时间,开关管能快速开通且避免上升沿的高频振荡。
3 加速关断驱动
MOS管一般都是慢开快关。在关断瞬间驱动电路能提供一个尽可能低阻抗的通路供MOSFET栅源极间电容电压快速泄放,保证开关管能快速关断。
为使栅源极间电容电压的快速泄放,常在驱动电阻上并联一个电阻和一个二极管,如上图所示,其中D1常用的是快恢复二极管。这使关断时间减小,同时减小关断时的损耗。Rg2是防止关断的时电流过大,把电源IC给烧掉。
如上图,是我之前用的一个电路,量产至少上万台,推荐使用。
用三极管来泄放栅源极间电容电压是比较常见的。如果Q1的发射极没有电阻,当PNP三极管导通时,栅源极间电容短接,达到最短时间内把电荷放完,最大限度减小关断时的交叉损耗。
还有一个好处,就是栅源极间电容上的电荷泄放时电流不经过电源IC,提高了可靠性。
4 隔离驱动
为了满足高端MOS管的驱动,经常会采用变压器驱动。其中R1目的是抑制PCB板上寄生的电感与C1形成LC振荡,C1的目的是隔开直流,通过交流,同时也能防止磁芯饱和。
三、电流检测电路
电流检测的应用
电路检测电路常用于:高压短路保护、电机控制、DC/DC换流器、系统功耗管理、二次电池的电流管理、蓄电池管理等电流检测等场景。
对于大部分应用,都是通过感测电阻两端的压降测量电流。
一般使用电流通过时的压降为数十mV~数百mV的电阻值,电流检测用低电阻器使用数Ω以下的较小电阻值;检测数十A的大电流时需要数mΩ的极小电阻值,因此,以小电阻值见长的金属板型和金属箔型低电阻器比较常用,而小电流是通过数百mΩ~数Ω的较大电阻值进行检测。
测量电流时, 通常会将电阻放在电路中的两个位置。第一个位置是放在电源与负载之间。这种测量方法称为高侧感测。通常放置感测电阻的第二个位置是放在负载和接地端之间。这种电流感测方法称为低侧电流感测。
两种测量方法各有利弊,低边电阻在接地通路中增加了不希望的额外阻抗;采用高侧电阻的电路必须承受相对较大的共模信号。低侧电流测量的优点之一是共模电压,即测量输入端的平均电压接近于零。这样更便于设计应用电路,也便于选择适合这种测量的器件。低侧电流感测电路测得的电压接近于地, 在处理非常高的电压时、或者在电源电压可能易于出现尖峰或浪涌的应用中,优先选择这种方法测量电流。由于低侧电流感测能够抗高压尖峰干扰, 并能监测高压系统中的电流。
电流检测电路
低侧检测
低侧电流感测的主要缺点是采用电源接地端和负载、系统接地端时,感测电阻两端的压降会有所不同。如果其他电路以电源接地端为基准,可能会出现问题。为最大限度地避免此问题,存在交互的所有电路均应以同一接地端为基准, 降低电流感测电阻值有助于尽量减小接地漂。
如上图,如果图中运放的 GND 引脚以 RSENSE 的正端为基准,那么其共模输入范围必须覆盖至零以下,也就是GND - (RSENSE × ILOAD)。Rsensor将地(GND)隔开了。
高侧检测
随着大量包含高精度放大器和精密匹配电阻的IC的推出,在高侧电流测量中使用差分放大器变得非常方便,高侧检测带动了电流检测IC 的发展,降低了由分立器件带来的参数变化、器件数目太多等问题,集成电路方便了我们使用。下图为一种高侧检测的 IC 方案:
检测电路连出方式
对电流通过电阻器时的压降进行检测,需要从电阻器的两端引出用于检测电压的图案。电压检测连接如下图(2)所示,建议从电阻器电极焊盘的内侧中心引出。这是因为电路基板的铜箔图案也具备微小的电阻值,需要避免铜箔图案的电阻值所造成的压降的影响。如果按照下图(1)所示,从电极焊盘的侧面引出电压检测图案,检测对象将是低电阻器电阻值加上铜箔图案电阻值的压降,无法正确地检测电流。
PCB Layout参考:
四、输出电压为什么要偏移?差分电路原理解析
差分运算放大电路,对共模信号得到有效抑制,而只对差分信号进行放大,因而得到广泛的应用。
差分电路的电路构型
目标处理电压:是采集处理电压,比如在系统中像母线电压的采集处理,还有像交流电压的采集处理等。
差分同相/反相分压电阻:为了得到适合运放处理的电压,需要将高压信号进行分压处理,如图1中V1与V2两端的电压经过分压处理,最终得到适合运放处理的电压Vin+与Vin-。
差分放大电路
反馈,对于运算放大电路来说,运放工作在线性区,所以这里一定是负反馈,没有反馈(开环)或者是正反馈,那是比较器电路而不是放大电路,这时候运放工作在饱和区或称为非线性工作区,正因为饱和,输出才是电源电压的幅值。
下图是一种带正反馈的运放电路,这里就不能叫运算放大电路了,因为运放的开环放大倍数理想是无限大,当然实际中不可能无限大,所以如下结构是迟滞电压比较器,运放工作在非线性区或饱和区。
运算放大器,反馈电阻从输出接到反相端"-"就是负反馈,当然在输出信号不超过电源电压时(注:一切信号的能量来源是电源,输出当然不可能超过电源幅值),实现的功能就是放大信号的功能;接到同相端"+"就是正反馈,电路功能是电压比较器。
当然在实际当中我们并不提倡用运放去做电压比较器,而是选用专用的比较器,如LM339、LM393、LM211等,因为比较器和运放在实际当中内部器件的工作状态还是有区别的。
比较器接了限流电阻—"R74、R77",这是因为比较器在幅值切换时,快速上升或下降沿对后级容性负载进行充放电,这个充放电电流来自这个有源器件—比较器,因此加限流电阻目的是防止电流冲击。
RC滤波:可以酌情调节,目的是防止输出过冲等信号失真问题。
差分输入电压的计算
下图电路,为了便于计算,我们给定每个阻值。
差分电路的另一个特点是对称性,R40=R56及R47=R55,差分分压两个支路电阻也是相等的。
Vin+和Vin-的值是如何计算的?
我们先通过繁琐的计算来得到,然后再简化计算。
首先,运放的同相端5引脚和反相端6引脚,利用"虚短"得到,其中系数6是指6个100k的电阻,方便简化式子:
那么就得到Vin+减Vin-的值。
其实还有一种简单方法得到Vin+减Vin-的值,利用运放的虚短特点,可将电路等效为:
得到差分电压输入值是0.84V。
差分放大电路的计算
实际应用电路中,我们为了简化计算,也是用最简方法计算,经常使用的电路也是上述电路,令电阻相等关系,简化计算。
放大电路的"偏移计算"
为什么要对输出电压进行偏移?这是因为当采集负值时,我们的采样芯片和MCU几乎都不支持负值采样的时候,你就必须进行偏移,使得输出总是为正值。
偏移电路,如下图,在原来同相端电阻接地GND的地方,我们接一个电压值,通常也称为偏移电压。那么最终表达式是什么?
只要根据实际应用选择合适的偏移量,输出总会为一个正值。
这样就将负电压偏移为正电压,处理器符合处理器处理要求了,偏移电路在采集如交流电、以及存在负直流电压的控制电路中广泛使用。