MOSFET 升壓驅動電路的設計

牛小玲，王軍，毛會瓊

（中國礦業大學 信控學院，江蘇徐州，221116）

0 引言

隨著電池技術的進步，使用電池等直流電源供電的設備越來越多，如電鉆、電扳手和角磨機等各種手持式的電動工具、割草機和打草機等園林工具、家庭用的吹風機以及理發店用的理發器等等，這些工具的出現和創新極大地豐富和方便了人民群眾的生產和生活。在這些使用直流電源供電的設備中，為了確保安全，一般都會在電源的正極串接一個機械開關，一旦設備發生故障，就可以通過斷開這個機械開關的方式來斷開設備電源，確保設備能夠停機以保證用戶的安全。但是機械開關存在著價格高、體積大、壽命有限和能源浪費等缺點，尤為嚴重的是機械開關在接通和斷開負載電流時會產生火花放電，產生嚴重的EMC 噪聲，干擾其他電子設備的正常工作，在某些場合下是嚴禁使用的，如在煤礦井下巷道會存在可燃性瓦斯氣體、在采煤工作面會存在大量可燃氣體和粉塵等，這些氣體和粉塵遇到火花都有發生爆炸的危險，這種場合使用機械開關就會非常不安全。因此，越來越多的工程師開始嘗試用MOSFET 替換機械開關進行產品的開發，但是，采用MOSFET 遇到的最大問題就是柵極電壓驅動不足。為此，本文設計了一個低成本升壓驅動電路。

1 方案設計

MOSFET 有2 種類型[1]：增強型MOSFET 和耗盡型MOSFET，增強型MOSFET 在其柵源電壓UGS=0 時，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 時導通，故稱其為常閉器件。增強型MOSFET還分NMOSFET 和PMOSFET 兩種，由于導通電阻很小的高壓PMOSFET 非常少，有時候甚至根本就沒有合適的PMOSFET 可供選擇，而導通電阻很小的高壓NMOSFET 可選型號非常多，而且價格相對PMOSFET 更是便宜很多，所以我們選擇NMOSFET 來替代機械開關。

使用NMOSFET 作為主開關時有兩種方案：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；另一個是將NMOSFET 串接在負極的電源線中，我們稱之為串接在電源的低壓側。 如果串接在低壓側，優點是NMOSFET 的驅動電路設計簡單，缺點是在這種方式下，用電設備斷開的是電源的負極，即使電源負極斷開了，用電設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串接在高壓側來替換機械開關，這樣一旦電源的正極被斷開后，整個用電設備的所有部分全部掉電，沒有觸電的安全隱患，缺點就是串接在高壓側的NMOSFET 驅動電路比較復雜。

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，也就是用電系統中的最高電壓，假設這個電壓是60V，當NMOSFET 導通后，其SOURCE 和DRAIN 端電壓壓差一般不會超過0.1V，若忽略這個壓降的話，其SOURCE端的電壓也是60V。而NMOSFET 導通的條件是：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 持續導通的話，其GATE 端電壓要持續維持在75V 左右，然而用電系統中的最高電壓只有60V，所以必須要想辦法將GATE 端電壓升高到75V 左右。要實現這個功能有兩種方案：一種是購買市場上已有的升壓驅動芯片；另外一種就是自己設計一個升壓驅動電路來提供這個75V 的電壓，以保證這個NMOSFET 的持續導通。

目前市場上用于這個場合的此類升壓驅動芯片種類非常少，而且價格非常高，我們搜索了很多資料，也就找到了一款TI 公司生產的LM5060[3]，典型應用電路如圖1 所示，其市場售價在10 元人民幣左右，而且其推薦最高使用電壓也只有65V，性價比不高，實用性很差。因此我們自己設計了一款簡易且成本低廉的高壓側NMOSFE 升壓驅動電路，通過實際制作PCB 電路驗證，其工作穩定可靠，性價比非常高。

圖1 LM5060的典型應用電路

2 升壓驅動電路的設計

升壓驅動電路由振蕩器電路、自舉升壓電路和使能控制電路組成，實現電路如圖2 所示。振蕩器電路負責給自舉升壓電路提供占空比為50%、頻率約30kHz 的方波信號；自舉升壓電路輸出75V 的電壓；使能控制電路控制NMOSFET電子主開關的通斷。

圖2 升壓驅動電路

2.1 振蕩器電路

本方案中振蕩器電路選用由2 個三極管、2 個電容和4個電阻構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，其具體工作原理網上有很多講解[4]，并且也不是本設計的重點，這里就不多贅述。另外如果產品設計中使用了MCU，且MCU 有多余的PWM 通道的話，也可以直接省略掉這個振蕩器電路，直接由MCU 的PWM 通道提供方波信號就可以了。

2.2 自舉升壓電路

當振蕩器電路輸出為低電平時，Q3A 截止，Q3B 截止；Q7B 截止，Q7A 導通，此時15V電源經過D1、C1、R9、Q7A 到地給電容C1 充電，因為R9 和C1 組成的充電時間常數很小，所以C1 充滿電用時非常短，若忽略二極管D1 正向導通壓降和三極管Q7A 的飽和導通壓降，當C1 電容充滿電會達到15V；同時15V 電源經過D1、R1、D2向C2 充電，若忽略二極管D1 和D2 的正向導通壓降，在極短的時間內C2 將充滿電達到15V。當振蕩器輸出高電平時，Q7B 導通，Q7A 截 止，Q3A 導 通，Q3B 導通，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D1 截止、D2 導通，電容C1 通過R1、D2 向C2 充電，將C1 中的電荷全部轉移給C2，C2 的電壓達到30V。之后的過程基本上都是一樣，當振蕩器電路輸出低電平時，Q3B 截止，Q7A 導通，此時D1 導通向C1 充電，使C1 兩端的電壓達到15V，但因為此時C2 的電壓高于C1的電壓，所以D2 就截止了；當振蕩器電路輸出高電平時，Q3B 導通，Q7A 截止，C1 電容的下極板電壓跳變為60V，上極板電壓跳變為75V，所以D1 截止，D2 導通，C1 的能量再次全部轉移到C2 中，此時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到75V，純理論分析的話，只需要最多4個PWM 脈沖就可以將C2 的電壓升高到75V，但是考慮到實際電路中的損耗，還需要再多幾個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 通過一個限流電阻和一個15V 的穩壓管來獲得；或者使用BUCK 降壓電路從60V 獲得一個15V 的電壓；另外系統中很可能本來就存在15V 的電壓，這樣的話，直接把現有的15V 電壓拿來用就可以了。

2.3 輸出使能控制電路

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

前面提到，如果設計的產品中用到了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，此時還可以去掉中間的使能控制電路，通過直接控制PWM信號的方式來實現NMOSFET 的通斷控制。當MCU 輸出PWM 信號時，NMOSFET 導通，當MCU 停止輸出PWM 信號時，NMOSFET 截止。圖3 是這種情況下升壓驅動電路的簡化版本，可以看出簡化后的升壓驅動電路只用到幾個二極管、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，所以這個升壓驅動電路用在最高電壓120V 及以下的系統中都是沒有問題的，適用范圍非常廣。

圖3 升壓驅動電路簡化版

3 升壓驅動電路仿真

圖4 是使用Proteus 仿真軟件[5]對簡化后的升壓驅動電路進行仿真的結果，可以看出實際仿真結果與理論分析結果十分接近，理論上NMOSFET 的門極電壓是75V，設計仿真結果為73.7V，證明該升壓驅動電路的原理是正確的。

圖4 升壓驅動電路仿真圖

4 升壓驅動電路PCB 板圖

圖5 所示的PCB 是實際調試時用的板子，可以看到板子上有很多的2PIN 腳的跳線，這個是用來將各個電路斷開或者連接用的，當需要單獨調試某個模塊時，這些跳線可以使調試變得更方便。實際調試結果與理論分析和仿真結果一致，證明該升壓驅動電路是可以穩定可靠工作的，同時也表明完全可以將NMOSFET 用在高壓側替代機械開關。

圖5 測試驗證用的PCB

5 結束語

通過本文介紹的技術，使用我們設計的升壓驅動電路， 完全可以使用NMOSFET 來替代傳統的用在高壓側的機械開關，不但能大大延長開關的壽命，而且可以降低發熱量，提高能源的利用率，并且由于NMOSFET 作為開關使用占用的PCB 空間更小，價格低廉，作為主開關使用時，其導通和關斷時都沒有電火花出現，因此還可以降低整個系統的成本和對周圍空間的EMC 輻射，對其它設備的干擾也更小，這也拓寬了產品的使用場合。可以預見，這種NMOSFET 作為電路主開關的應用方式一定會越來越廣泛，因此該技術有很高的應用價值和發展空間。