MOSFET 升壓驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

牛小玲，王軍，毛會(huì)瓊

（中國礦業(yè)大學(xué) 信控學(xué)院，江蘇徐州，221116）

0 引言

隨著電池技術(shù)的進(jìn)步，使用電池等直流電源供電的設(shè)備越來越多，如電鉆、電扳手和角磨機(jī)等各種手持式的電動(dòng)工具、割草機(jī)和打草機(jī)等園林工具、家庭用的吹風(fēng)機(jī)以及理發(fā)店用的理發(fā)器等等，這些工具的出現(xiàn)和創(chuàng)新極大地豐富和方便了人民群眾的生產(chǎn)和生活。在這些使用直流電源供電的設(shè)備中，為了確保安全，一般都會(huì)在電源的正極串接一個(gè)機(jī)械開關(guān)，一旦設(shè)備發(fā)生故障，就可以通過斷開這個(gè)機(jī)械開關(guān)的方式來斷開設(shè)備電源，確保設(shè)備能夠停機(jī)以保證用戶的安全。但是機(jī)械開關(guān)存在著價(jià)格高、體積大、壽命有限和能源浪費(fèi)等缺點(diǎn)，尤為嚴(yán)重的是機(jī)械開關(guān)在接通和斷開負(fù)載電流時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花放電，產(chǎn)生嚴(yán)重的EMC 噪聲，干擾其他電子設(shè)備的正常工作，在某些場合下是嚴(yán)禁使用的，如在煤礦井下巷道會(huì)存在可燃性瓦斯氣體、在采煤工作面會(huì)存在大量可燃?xì)怏w和粉塵等，這些氣體和粉塵遇到火花都有發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)，這種場合使用機(jī)械開關(guān)就會(huì)非常不安全。因此，越來越多的工程師開始嘗試用MOSFET 替換機(jī)械開關(guān)進(jìn)行產(chǎn)品的開發(fā)，但是，采用MOSFET 遇到的最大問題就是柵極電壓驅(qū)動(dòng)不足。為此，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)低成本升壓驅(qū)動(dòng)電路。

1 方案設(shè)計(jì)

MOSFET 有2 種類型[1]：增強(qiáng)型MOSFET 和耗盡型MOSFET，增強(qiáng)型MOSFET 在其柵源電壓UGS=0 時(shí)，漏極電流ID=0，故稱其為常開器件，耗盡型MOSFET 在其柵源電壓UGS=0 時(shí)導(dǎo)通，故稱其為常閉器件。增強(qiáng)型MOSFET還分NMOSFET 和PMOSFET 兩種，由于導(dǎo)通電阻很小的高壓PMOSFET 非常少，有時(shí)候甚至根本就沒有合適的PMOSFET 可供選擇，而導(dǎo)通電阻很小的高壓NMOSFET 可選型號(hào)非常多，而且價(jià)格相對(duì)PMOSFET 更是便宜很多，所以我們選擇NMOSFET 來替代機(jī)械開關(guān)。

使用NMOSFET 作為主開關(guān)時(shí)有兩種方案：一種是將NMOSFET 串接在正極的電源線中，我們稱之為串接在電源的高壓側(cè)；另一個(gè)是將NMOSFET 串接在負(fù)極的電源線中，我們稱之為串接在電源的低壓側(cè)。 如果串接在低壓側(cè)，優(yōu)點(diǎn)是NMOSFET 的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)簡單，缺點(diǎn)是在這種方式下，用電設(shè)備斷開的是電源的負(fù)極，即使電源負(fù)極斷開了，用電設(shè)備的其它部分仍然都是帶電的，還是存在安全隱患，而且干擾也比較大，因此比較少用。所以我們選擇將NMOSFET串接在高壓側(cè)來替換機(jī)械開關(guān)，這樣一旦電源的正極被斷開后，整個(gè)用電設(shè)備的所有部分全部掉電，沒有觸電的安全隱患，缺點(diǎn)就是串接在高壓側(cè)的NMOSFET 驅(qū)動(dòng)電路比較復(fù)雜。

我們知道，NMOSFET 串接在電源正極的話，電源正極接到NMOSFET 的DRAIN 端，所以其DRAIN 端電壓就是電源正極電壓，也就是用電系統(tǒng)中的最高電壓，假設(shè)這個(gè)電壓是60V，當(dāng)NMOSFET 導(dǎo)通后，其SOURCE 和DRAIN 端電壓壓差一般不會(huì)超過0.1V，若忽略這個(gè)壓降的話，其SOURCE端的電壓也是60V。而NMOSFET 導(dǎo)通的條件是：其GATE端電壓要比SOURCE 端電壓高，一般高15V 左右[2]，所以要維持NMOSFET 持續(xù)導(dǎo)通的話，其GATE 端電壓要持續(xù)維持在75V 左右，然而用電系統(tǒng)中的最高電壓只有60V，所以必須要想辦法將GATE 端電壓升高到75V 左右。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能有兩種方案：一種是購買市場上已有的升壓驅(qū)動(dòng)芯片；另外一種就是自己設(shè)計(jì)一個(gè)升壓驅(qū)動(dòng)電路來提供這個(gè)75V 的電壓，以保證這個(gè)NMOSFET 的持續(xù)導(dǎo)通。

目前市場上用于這個(gè)場合的此類升壓驅(qū)動(dòng)芯片種類非常少，而且價(jià)格非常高，我們搜索了很多資料，也就找到了一款TI 公司生產(chǎn)的LM5060[3]，典型應(yīng)用電路如圖1 所示，其市場售價(jià)在10 元人民幣左右，而且其推薦最高使用電壓也只有65V，性價(jià)比不高，實(shí)用性很差。因此我們自己設(shè)計(jì)了一款簡易且成本低廉的高壓側(cè)NMOSFE 升壓驅(qū)動(dòng)電路，通過實(shí)際制作PCB 電路驗(yàn)證，其工作穩(wěn)定可靠，性價(jià)比非常高。

圖1 LM5060的典型應(yīng)用電路

2 升壓驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

升壓驅(qū)動(dòng)電路由振蕩器電路、自舉升壓電路和使能控制電路組成，實(shí)現(xiàn)電路如圖2 所示。振蕩器電路負(fù)責(zé)給自舉升壓電路提供占空比為50%、頻率約30kHz 的方波信號(hào)；自舉升壓電路輸出75V 的電壓；使能控制電路控制NMOSFET電子主開關(guān)的通斷。

圖2 升壓驅(qū)動(dòng)電路

2.1 振蕩器電路

本方案中振蕩器電路選用由2 個(gè)三極管、2 個(gè)電容和4個(gè)電阻構(gòu)成的雙三極管多諧振蕩器電路來為自舉升壓電路提供方波，該振蕩器電路成本十分低廉，其具體工作原理網(wǎng)上有很多講解[4]，并且也不是本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，這里就不多贅述。另外如果產(chǎn)品設(shè)計(jì)中使用了MCU，且MCU 有多余的PWM 通道的話，也可以直接省略掉這個(gè)振蕩器電路，直接由MCU 的PWM 通道提供方波信號(hào)就可以了。

2.2 自舉升壓電路

當(dāng)振蕩器電路輸出為低電平時(shí)，Q3A 截止，Q3B 截止；Q7B 截止，Q7A 導(dǎo)通，此時(shí)15V電源經(jīng)過D1、C1、R9、Q7A 到地給電容C1 充電，因?yàn)镽9 和C1 組成的充電時(shí)間常數(shù)很小，所以C1 充滿電用時(shí)非常短，若忽略二極管D1 正向?qū)▔航岛腿龢O管Q7A 的飽和導(dǎo)通壓降，當(dāng)C1 電容充滿電會(huì)達(dá)到15V；同時(shí)15V 電源經(jīng)過D1、R1、D2向C2 充電，若忽略二極管D1 和D2 的正向?qū)▔航?，在極短的時(shí)間內(nèi)C2 將充滿電達(dá)到15V。當(dāng)振蕩器輸出高電平時(shí)，Q7B 導(dǎo)通，Q7A 截 止，Q3A 導(dǎo) 通，Q3B 導(dǎo)通，所以C1 下端電壓為60V，由于電容兩端電壓不能突變，所以C1 上端電壓為“60V + 15V”，此時(shí)D1 截止、D2 導(dǎo)通，電容C1 通過R1、D2 向C2 充電，將C1 中的電荷全部轉(zhuǎn)移給C2，C2 的電壓達(dá)到30V。之后的過程基本上都是一樣，當(dāng)振蕩器電路輸出低電平時(shí)，Q3B 截止，Q7A 導(dǎo)通，此時(shí)D1 導(dǎo)通向C1 充電，使C1 兩端的電壓達(dá)到15V，但因?yàn)榇藭r(shí)C2 的電壓高于C1的電壓，所以D2 就截止了；當(dāng)振蕩器電路輸出高電平時(shí)，Q3B 導(dǎo)通，Q7A 截止，C1 電容的下極板電壓跳變?yōu)?0V，上極板電壓跳變?yōu)?5V，所以D1 截止，D2 導(dǎo)通，C1 的能量再次全部轉(zhuǎn)移到C2 中，此時(shí)C2 的電壓為45V……。隨著振蕩器電路交替輸出低電平和高電平，C1 中的能量不斷地被泵送到C2 中，使得C2 的電壓不斷升高，最終C2 上的電壓最高可以達(dá)到75V，純理論分析的話，只需要最多4個(gè)PWM 脈沖就可以將C2 的電壓升高到75V，但是考慮到實(shí)際電路中的損耗，還需要再多幾個(gè)PWM 脈沖之后才可以將C2 的電壓升高到75V。需要注意的是，我們需要一個(gè)疊加在60V 電壓上的15V 電壓，最簡單、成本最低的辦法就是60V 通過一個(gè)限流電阻和一個(gè)15V 的穩(wěn)壓管來獲得；或者使用BUCK 降壓電路從60V 獲得一個(gè)15V 的電壓；另外系統(tǒng)中很可能本來就存在15V 的電壓，這樣的話，直接把現(xiàn)有的15V 電壓拿來用就可以了。

2.3 輸出使能控制電路

當(dāng)ENABLE 輸出高電平時(shí)，Q5 導(dǎo)通，Q1A 和Q1B 導(dǎo)通，前 級(jí)C2 的 電 壓 經(jīng) 過D3、R2 施 加 到NMOSFET 管Q2 的GATE 端，使得Q2 導(dǎo)通，此時(shí)Q2 的DRAIN 端和SOURCE端電壓都是60V，由于GATE 端此時(shí)電壓為75V，比60V 還要高出15V，所以Q2 可以一直維持導(dǎo)通。當(dāng)ENBALE 為低電平時(shí)，電子主開關(guān)Q2 關(guān)斷。

前面提到，如果設(shè)計(jì)的產(chǎn)品中用到了MCU，且MCU有多余的PWM 輸出通道，那么就可以省略掉振蕩器電路，此時(shí)還可以去掉中間的使能控制電路，通過直接控制PWM信號(hào)的方式來實(shí)現(xiàn)NMOSFET 的通斷控制。當(dāng)MCU 輸出PWM 信號(hào)時(shí)，NMOSFET 導(dǎo)通，當(dāng)MCU 停止輸出PWM 信號(hào)時(shí)，NMOSFET 截止。圖3 是這種情況下升壓驅(qū)動(dòng)電路的簡化版本，可以看出簡化后的升壓驅(qū)動(dòng)電路只用到幾個(gè)二極管、三極管、電阻和電容，其成本非常低廉，而且選用的三極管耐壓都是不低于150V 的，所以這個(gè)升壓驅(qū)動(dòng)電路用在最高電壓120V 及以下的系統(tǒng)中都是沒有問題的，適用范圍非常廣。

圖3 升壓驅(qū)動(dòng)電路簡化版

3 升壓驅(qū)動(dòng)電路仿真

圖4 是使用Proteus 仿真軟件[5]對(duì)簡化后的升壓驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行仿真的結(jié)果，可以看出實(shí)際仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果十分接近，理論上NMOSFET 的門極電壓是75V，設(shè)計(jì)仿真結(jié)果為73.7V，證明該升壓驅(qū)動(dòng)電路的原理是正確的。

圖4 升壓驅(qū)動(dòng)電路仿真圖

4 升壓驅(qū)動(dòng)電路PCB 板圖

圖5 所示的PCB 是實(shí)際調(diào)試時(shí)用的板子，可以看到板子上有很多的2PIN 腳的跳線，這個(gè)是用來將各個(gè)電路斷開或者連接用的，當(dāng)需要單獨(dú)調(diào)試某個(gè)模塊時(shí)，這些跳線可以使調(diào)試變得更方便。實(shí)際調(diào)試結(jié)果與理論分析和仿真結(jié)果一致，證明該升壓驅(qū)動(dòng)電路是可以穩(wěn)定可靠工作的，同時(shí)也表明完全可以將NMOSFET 用在高壓側(cè)替代機(jī)械開關(guān)。

圖5 測試驗(yàn)證用的PCB

5 結(jié)束語

通過本文介紹的技術(shù)，使用我們?cè)O(shè)計(jì)的升壓驅(qū)動(dòng)電路， 完全可以使用NMOSFET 來替代傳統(tǒng)的用在高壓側(cè)的機(jī)械開關(guān)，不但能大大延長開關(guān)的壽命，而且可以降低發(fā)熱量，提高能源的利用率，并且由于NMOSFET 作為開關(guān)使用占用的PCB 空間更小，價(jià)格低廉，作為主開關(guān)使用時(shí)，其導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)都沒有電火花出現(xiàn)，因此還可以降低整個(gè)系統(tǒng)的成本和對(duì)周圍空間的EMC 輻射，對(duì)其它設(shè)備的干擾也更小，這也拓寬了產(chǎn)品的使用場合。可以預(yù)見，這種NMOSFET 作為電路主開關(guān)的應(yīng)用方式一定會(huì)越來越廣泛，因此該技術(shù)有很高的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展空間。