【導(dǎo)讀】本文將談一談使用有刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC進(jìn)行PWM驅(qū)動(dòng)時(shí),通過輸出MOSFET的寄生二極管進(jìn)行電流再生時(shí)的功耗。之所以討論這個(gè)話題,是因?yàn)樵偕鷷r(shí)的實(shí)際功耗可能會(huì)大于估算值,在某些情況下可能會(huì)引發(fā)問題,所以需要注意。
通過MOSFET的寄生二極管進(jìn)行電流再生時(shí),功耗是否會(huì)大于計(jì)算值?
當(dāng)通過輸出MOSFET的寄生二極管進(jìn)行電流再生時(shí),其功耗應(yīng)該是寄生二極管的正向電壓×電機(jī)電流。然而實(shí)際上,有時(shí)功耗可能會(huì)大于這個(gè)計(jì)算值。
其原因是當(dāng)電流流過輸出MOSFET的寄生二極管從而產(chǎn)生正向電壓時(shí),MOSFET結(jié)構(gòu)上固有的寄生晶體管會(huì)工作,電流從電源流向GND。這個(gè)電流小到不足流過二極管的電流的幾十分之一,但功耗是“電源電壓×電源-GND間電流”,是電源電壓較高時(shí)不可忽視的值。
下面將從驅(qū)動(dòng)器輸出MOSFET的狀態(tài)、電流的流動(dòng)以及輸出MOSFET的結(jié)構(gòu)角度來解釋說明這種現(xiàn)象。
首先來看電流再生時(shí)輸出MOSFET的狀態(tài)和再生電流的流動(dòng)情況。下面是H橋電路,但其中省略了與工作無關(guān)的MOSFET。(a)是給電機(jī)供給電流時(shí)的電路,(b)和(c)都是電流再生時(shí)的電路,但由于有兩種電路狀態(tài),所以將(b)命名為“電流再生時(shí)1”、將(c)命名為“電流再生時(shí)2”。
(b)電流再生時(shí)1是在供給電流時(shí)將導(dǎo)通的Q1關(guān)閉、而Q4保持導(dǎo)通。在這種狀態(tài)下,電流通過關(guān)斷狀態(tài)的Q2的寄生二極管和導(dǎo)通狀態(tài)的Q4再生。
(c)電流再生時(shí)2是在供給電流時(shí)將導(dǎo)通的Q1和Q4關(guān)斷,所有MOSFET處于關(guān)斷狀態(tài)。在這種情況下,電流通過Q2和Q4的寄生二極管再生。
接下來,為了說明導(dǎo)致流過附加電流的寄生晶體管,給出了電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC的輸出MOSFET的結(jié)構(gòu)示意圖(截面圖)。在上面的電路圖中,高邊使用了Pch MOSFET,低邊使用了Nch MOSFET,所以下圖中也分別列出了它們的結(jié)構(gòu)。
在輸出Nch MOSFET中,由漏極D的N型擴(kuò)散層、元件分離用的P型擴(kuò)散層和連接到電源的N型擴(kuò)散層(在這里是連接到輸出Pch MOSFET的源極S),可以形成寄生NPN晶體管Qa。
當(dāng)再生電流流過這個(gè)Nch MOSFET的源極和漏極之間的寄生二極管Di_a時(shí),由于元件分離P型擴(kuò)散層是與GND相連接的,因此寄生NPN晶體管Qa的基極和發(fā)射極之間的二極管也會(huì)產(chǎn)生正向電壓。為此,寄生NPN晶體管Qa導(dǎo)通,流過集電極電流并從電源Ea汲取電流。
對(duì)于輸出Pch MOSFET來說,原理也相同??梢杂陕OD的P型擴(kuò)散層、與源極S共用的背柵N型擴(kuò)散層、元件分離等的P型擴(kuò)散層來形成寄生PNP晶體管Qb。
當(dāng)再生電流流過該P(yáng)ch MOSFET的源極和漏極之間的寄生二極管Di_b時(shí),寄生PNP晶體管Qb導(dǎo)通,流過集電極電流,且電流流向GND。
當(dāng)再生電流流過輸出MOSFET的寄生二極管時(shí),電流通過寄生晶體管在電源和GND之間流動(dòng)。一般來講,流過的電流比再生電流小兩個(gè)數(shù)量級(jí)左右,但會(huì)因IC所使用的工藝和MOSFET的布局而有很大差異。因此,當(dāng)通過輸出MOSFET的寄生二極管使用電流再生時(shí),需要確認(rèn)通過這些寄生晶體管流過的電流大小。
例如,在“(c)電流再生時(shí)2”中,假設(shè)電源電壓Ea=24V,再生電流Io=1.0A,Nch MOSFET寄生二極管的正向電壓VF_N=0.8V,Pch MOSFET的寄生二極管正向電壓VF_P=0.95V,Nch MOSFET的寄生晶體管和Pch MOSFET的寄生晶體管的電源和GND之間流動(dòng)的電流與再生電流之比都為k1=1/100,則功耗Pc如下:
在這個(gè)示例中,流經(jīng)寄生晶體管的電流對(duì)功耗的影響是絕對(duì)不能忽視的。在電源電壓Ea高時(shí)需要注意。
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