本文將談一談使用有刷直流電機驅動器IC進行PWM驅動時,通過輸出MOSFET的寄生二極管進行電流再生時的功耗。之所以討論這個話題,是因為再生時的實際功耗可能會大于估算值,在某些情況下可能會引發問題,所以需要注意。
通過MOSFET的寄生二極管進行電流再生時,功耗是否會大于計算值?
當通過輸出MOSFET的寄生二極管進行電流再生時,其功耗應該是寄生二極管的正向電壓×電機電流。然而實際上,有時功耗可能會大于這個計算值。
其原因是當電流流過輸出MOSFET的寄生二極管從而產生正向電壓時,MOSFET結構上固有的寄生晶體管會工作,電流從電源流向GND。這個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”,是電源電壓較高時不可忽視的值。
下面將從驅動器輸出MOSFET的狀態、電流的流動以及輸出MOSFET的結構角度來解釋說明這種現象。
首先來看電流再生時輸出MOSFET的狀態和再生電流的流動情況。下面是H橋電路,但其中省略了與工作無關的MOSFET。(a)是給電機供給電流時的電路,(b)和(c)都是電流再生時的電路,但由于有兩種電路狀態,所以將(b)命名為“電流再生時1”、將(c)命名為“電流再生時2”。
(b)電流再生時1是在供給電流時將導通的Q1關閉、而Q4保持導通。在這種狀態下,電流通過關斷狀態的Q2的寄生二極管和導通狀態的Q4再生。
(c)電流再生時2是在供給電流時將導通的Q1和Q4關斷,所有MOSFET處于關斷狀態。在這種情況下,電流通過Q2和Q4的寄生二極管再生。
接下來,為了說明導致流過附加電流的寄生晶體管,給出了電機驅動器IC的輸出MOSFET的結構示意圖(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構。
在輸出Nch MOSFET中,由漏極D的N型擴散層、元件分離用的P型擴散層和連接到電源的N型擴散層(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。
當再生電流流過這個Nch MOSFET的源極和漏極之間的寄生二極管Di_a時,由于元件分離P型擴散層是與GND相連接的,因此寄生NPN晶體管Qa的基極和發射極之間的二極管也會產生正向電壓。為此,寄生NPN晶體管Qa導通,流過集電極電流并從電源Ea汲取電流。
對于輸出Pch MOSFET來說,原理也相同。可以由漏極D的P型擴散層、與源極S共用的背柵N型擴散層、元件分離等的P型擴散層來形成寄生PNP晶體管Qb。
當再生電流流過該Pch MOSFET的源極和漏極之間的寄生二極管Di_b時,寄生PNP晶體管Qb導通,流過集電極電流,且電流流向GND。
當再生電流流過輸出MOSFET的寄生二極管時,電流通過寄生晶體管在電源和GND之間流動。一般來講,流過的電流比再生電流小兩個數量級左右,但會因IC所使用的工藝和MOSFET的布局而有很大差異。因此,當通過輸出MOSFET的寄生二極管使用電流再生時,需要確認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2”中,假設電源電壓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之間流動的電流與再生電流之比都為k1=1/100,則功耗Pc如下:
Pc=Io×(VF_N+VF_P+2×k1×Ea)
=1×(0.8+0.95+2×1/100×24)
=1.75+0.48=2.23W
在這個示例中,流經寄生晶體管的電流對功耗的影響是絕對不能忽視的。在電源電壓Ea高時需要注意。
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